汽車電子控制課程實驗平臺的開發(fā)與應用

邢恩輝 趙子杰 王浩然 任桂周 王銳

摘? 要：隨著電子控制技術的不斷發(fā)展，汽車向著電子化、智能化、網絡化快速演進。為了滿足汽車電子控制課程實踐教學需要，設計開發(fā)了基于DSP的實驗平臺，包含I/O信號和PWM信號輸出實驗、LCD顯示實驗、車用傳感器電容器與蓄電池充放電實驗以及步進電機驅動電路設計和驅動實驗等，該實驗平臺已成功運用到實際教學當中，并取得較好的教學效果。

關鍵詞：實驗平臺? DSP? 汽車電子控制? 教學實驗

中圖分類號：G642.423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0238-04

Abstract： With the continuous development of automobile electronic control technology， automobile is developing rapidly towards electronic， intelligent and network. In order to meet the practical teaching needs of automobile electronic control course， the experimental platform based on DSP was designed， including I/O signal and PWM signal output experiment， LCD display experiment， vehicle sensor detection experiment， super capacitor and battery charge and discharge experiment， stepper motor drive circuit design and drive experiment， etc. The experiment platform has been successfully applied to actual teaching， and achieved good teaching effects.

Key Words： Experimental platform; DSP; Automotive electronic control; Teaching experiment

隨著微電子技術的迅速發(fā)展，汽車電子控制技術也隨之不斷進步，從最初的汽油噴射控制、行車速度控制等技術到現(xiàn)如今電子控制技術已經應用到汽車的各個系統(tǒng)當中，而且汽車電子控制技術的應用領域仍在繼續(xù)擴展，電子控制技術的應用使得汽車更為安全舒適[1]。當下汽車的電子化程度高低已經成為衡量汽車水平的重要標志之一，且隨著物聯(lián)網技術以及5G通訊的發(fā)展完善，汽車將愈發(fā)電子化，信息化，智能化，甚至在未來汽車可能發(fā)展成為一個大型的智能電子消費產品。

開設《汽車電子控制技術》課程也是為了更好地適應汽車行業(yè)發(fā)展的需要，更好地滿足企業(yè)人才所需，而僅僅依靠課堂教學的理論知識并不全面，我校作為“卓越工程師”計劃實施高校之一，開設相應的實驗課程，提高學生的實踐創(chuàng)新能力，彌補傳統(tǒng)工程人才培養(yǎng)下動手能力不足的缺點，更好地適應當前社會的發(fā)展需要[2-4]。依靠實驗教學加深課堂理論的理解，增強學生的綜合素質，提高學校教學質量，所以搭建一個符合教學需求的可靠的綜合教學實驗平臺就顯得不可或缺[5]。

1? 汽車電子控制實驗平臺

本文結合《汽車電子控制技術》課程，基于DSP控制設計開發(fā)了汽車電子控制綜合實驗平臺，如圖1所示。該綜合實驗平臺由DSP核心控制板、仿真器、示波器、12V鋰離子蓄電池和超級電容器模塊、電流傳感器、電壓傳感器、轉速傳感器、數(shù)字萬用表、LED或LCD顯示裝置、步進電機及其供電電源等硬件部分，以及CCS以及Matlab等軟件部分組成。該綜合實驗平臺與《汽車電子控制技術》課程相輔相成，有助于提高學生的動手實踐能力，幫助學生加深課程所學理論知識的理解，提高教學質量。

1.1 DSP核心控制板

隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術的日漸成熟，其優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，其具有計算速度較快，且其靈活準確、抗干擾能力強、尺寸較小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，目前已在多個領域中逐漸取代傳統(tǒng)的模擬信號處理器進行應用 [6]。

本實驗平臺選用的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是32位定點DSP控制器，其頻率高達150MHz，集成128kB閃存，可用于開發(fā)以及現(xiàn)場軟件升級時再編程 [7]。其事件管理器包括脈沖寬度調制（PWM）產生器、可編程通用計時器以及捕捉譯碼器接口等，該芯片適用于多種應用場合，功能豐富強大，這些特點確保了實驗所需的硬件條件。

1.2 超級電容器

超級電容器是一種環(huán)保且實用的能量存儲裝置，其具有使用壽命長;功率密度高;充電速度快;受環(huán)境溫度影響小;以及污染較小等優(yōu)點。雖然目前超級電容還存在一些不足，如價格成本也較高，但隨著技術發(fā)展的完善，制造成本的降低，其應用將會更為廣泛。目前超級電容主要應用于電動汽車、混合動力汽車、城市軌道交通以及軍事等領域[8-9]。

本實驗選用MaxWell 16V 58F超級電容器，實物圖如圖2所示，其性能穩(wěn)定，具有較好的安全性，可以確保實驗操作的安全可行，避免實驗事故的發(fā)生。

1.3 蓄電池

使用電池儲能仍是目前最常見的儲能技術之一，且隨著新能源汽車尤其是電動汽車的發(fā)展應用，電池在汽車上的作用也顯得愈發(fā)重要，電池性能已然成為衡量電動汽車的重要指標之一。當下常見的電池類型主要有：鋰離子電池、鎳氫電池以及鉛酸電池等。綜合比對來看，鋰離子電池的綜合性能較強，但其再循環(huán)能力相對較弱，鎳氫電池安全性能較好，而鉛酸電池的循環(huán)能力較強[10]。考慮到本實驗平臺的使用強度大，電池充放電頻率高，故選用循環(huán)能力較強的鉛酸電池以及綜合能力較強的鋰離子電池作為實驗器材進行使用。

1.4 步進電機

步進電機是一種控制類電機，又被稱為脈沖電機，其受電脈沖控制轉動，其結構簡單、價格相對較低、維修方便，且具有定位精度高、動態(tài)力矩大、優(yōu)秀的啟停和反轉響應、調速范圍較大等優(yōu)點[11]。而且步進電機可以通過相應驅動器實現(xiàn)開環(huán)控制，無需反饋信號，其操作控制相對簡單，所以本實驗平臺選用步進電機，便于學生進行實驗操作。

1.5 其他部分

該綜合實驗平臺除上述硬件器材外還使用到數(shù)字萬用表、示波器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、轉速傳感器以及LED或LCD顯示裝置等硬件裝置;以及Matlab和CCS等仿真軟件部分。

2? 實驗項目

2.1 基于DSP開發(fā)系統(tǒng)的I/O信號和PWM信號輸出實驗

本實驗為綜合實驗當中較為簡單的一項，學生在實驗指導老師的指導下學習以及熟悉各種設備和系統(tǒng)的工作原理和操作之后，分小組進行實驗，配置TMS320F2812的I/O引腳，觀察LED燈的變化效果;調試TMS320F2812的PWM程序，通過示波器觀察PWM信號波形;學生可以嘗試改變DSP的控制參數(shù)，觀察PWM波形有何不同。

學生通過該實驗學習TMS320F2812的內部結構以及指令系統(tǒng)，使實驗者能夠規(guī)范地對該型號的DSP進行簡單編程，了解TMS320F2812的PWM模塊的工作原理，掌握PWM信號的編程和輸出方法，實驗過程中體驗汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器控制、監(jiān)控和故障診斷的重要性和開發(fā)的基本思路，并使實驗者能夠規(guī)范地搭建整個實驗電路，借此培養(yǎng)良好的工程操作素質。

2.2? LCD顯示實驗

通過運用CCS3.3軟件，將仿真器與電腦和F2812開發(fā)板連接;連接目標板;完成準備工作后學生打開事先自行準備好的LCD顯示程序;運行程序，觀察LCD所顯示的內容。嘗試改變DSP控制參數(shù)，觀察能否順利顯示所要求的內容。

通過本實驗學習TI（Texas Instruments）公司提供的CCS（Code Composer Studio）集成化開發(fā)環(huán)境的使用，完成對TMS320F2812的在線調試;了解LCD12864顯示的控制原理，掌握LCD12864的編程方法。

2.3 車用傳感器檢測實驗

用示波器觀察電流傳感器和電壓傳感器輸出信號模擬量變化情況。任意選擇電流傳感器或者電壓傳感器輸出信號中的一個，用導線連接電路，讓電源給其供電，改變輸入電流或電壓的大小，用示波器觀測其輸出信號，了解傳感器輸入和輸出之間對應關系。打開CCS3.3軟件，將仿真器與電腦和F2812開發(fā)板連接，連接目標板，打開AD采樣程序，運行程序。若在程序中合適位置設置斷點，就可以讀取到當前的AD轉換結果，同時結合示波器讀取傳感器電壓，可以此判斷AD結果是否準確合理。

通過本實驗掌握汽車電子系統(tǒng)中重要模擬量的測量過程，了解電流傳感器、電壓傳感器等模擬量傳感器的結構和基本原理;了解TMS320F2812的AD模塊的工作原理，掌握TMS320F2812控制AD采樣的方法。

2.4 超級電容器與蓄電池充放電實驗

按照蓄電池和超級電容器的使用要求，使用專用充電器對其進行充電，充電時用示波器分別觀察蓄電池和超級電容器的充電曲線。實驗升壓電路如圖3所示，根據(jù)電路圖搭建整個實驗系統(tǒng)，將蓄電池和超級電容器并聯(lián)的混合電源接入到實驗電路中，仔細檢查電路連接無誤后，通過DSP控制升壓電路對混合電源放電，用示波器分別觀察蓄電池和超級電容器的放電曲線。

通過本次實驗了解蓄電池和超級電容器并聯(lián)電源系統(tǒng)，掌握蓄電池和超級電容器的充放電方法，掌握超級電容器的充放電特性。通過實驗操作，提高實驗者動手能力，加深理論知識理解。

2.5 步進電機驅動電路設計和驅動實驗

開展本實驗前學生可分組確定步進電機驅動器的設計方案，設計完成實驗原理圖和布線圖，并提交指導老師批示完善，確保布線合理可行。學習電路板焊接注意事項，調試焊接電路板，完成電路的最終制作;進行步進電機的驅動實驗，選擇合適的驅動信號來驅動步進電機，實現(xiàn)步進的不同轉動角度、不同轉動速度、不同旋轉方向的控制;用示波器測量步進電機的相電流，理解和掌握電流反饋和相電流過流保護的設計方法。實驗圖如圖4所示。

通過本次操作實驗學習步進電機的驅動方法，掌握步進電機半橋和全橋驅動電路設計的基本方法和電路參數(shù)匹配的設計。

3? 結語

本文結合《汽車電子控制技術》課程當中的實踐應用問題，根據(jù)課程要求以及“卓越工程師”計劃培養(yǎng)方案，搭建了汽車電子控制綜合教學實驗平臺，圍繞該實驗平臺可開展一系列汽車電子控制實驗，如基于DSP開發(fā)系統(tǒng)的I/O信號和PWM信號輸出實驗;LCD顯示實驗;車用傳感器檢測實驗;超級電容器與蓄電池充放電實驗;以及步進電機驅動電路設計和驅動實驗等。該實驗平臺目前已成功運用到實際教學當中，學生利用該實驗平臺完成教學實驗，提高自身動手能力與知識運用能力，目前已取得較為理想的的教學效果。

參考文獻

[1] 麻友良.汽車電器與電子控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3] 王冬良，李璐璐，樊德平，等.“卓越計劃2.0”背景下應用型本科實踐教學體系的重構[J]. 大學教育， 2020（4）： 1-5.

[4] 馬凌云，謝明華，劉輝.“汽車電子控制技術”課程教學改革與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（42）：67-68.

[5] 潘公宇，江浩斌，劉志強，等.車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的設計[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：1-5.

[6] 陳是知，姜蕊輝.TMS320F2812原理與開發(fā)實踐[M]. 北京：中國電力出版社， 2010.

[7] 盧慧芬，林斌，孫丹，等.DSP電機控制綜合實驗平臺研制[J].實驗技術與管理，2014，31（10）：97-102.

[8] Wang，F(xiàn)X，Wu，XW，Yuan，XH，et.Latest advances in supercapacitors： from new electrode materials to novel device designs [J]. CHEMICAL SOCIETY REVIEWS，? 2017，46（22）： 6816-6854.

[9] 畢愷韜.模塊化超級電容儲能系統(tǒng)一體化控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2019.

[10] 單碩.增程式電動汽車新型儲能系統(tǒng)的研究[D].煙臺：煙臺大學，2018.

[11] 陳祖霖，沈英，吳靖.結合STM32和FPGA的步進電機運動控制系統(tǒng)設計[J].福州大學學報：自然科學版， 2020，48（1）：27-33.