基于stm32的車輛調試自動控制系統設計

胡可狄，于亞利，李帥，李志峰，王昆

（北京航天新立科技有限公司，北京，100048）

0 引言

車輛調試是對車輛性能指標的檢測和保證，是確保質量的重要一環。特種車輛尤其要求高穩定性和高可靠性，因此調試流程完整且嚴謹[1]。調試中涉及起車、熄車、液壓取力、調節轉速等工步，這些固定操作流程需一人操作的同時，另一人發出命令并監視，不僅占用人力，而且操作繁瑣，降低了工作效率。

本文設計的車輛調試自動控制系統，包括控制部分、執行部分、監測部分等，將車輛駕駛室內的起車、熄車等操作通過自動控制系統轉變為對控制終端的執行，通過操作控制終端實現對車輛動作的控制，同時實時監控車輛狀態，確保車輛的性能達標。

1 系統方案選擇

為了簡化車輛調試過程，保證車輛調試質量，提高車輛調試效率，設計了基于stm32的車輛調試自動控制系統。車輛調試自動控制系統利用stm32實現對電機、舵機的控制，從而完成起車、熄車、液壓取力、轉動油門踏板等操作，其中對單片機的指令是通過終端控制面板上的按鈕傳遞的。

單片機，由于其集成度高、體積小、可靠性好，而且控制能力強、指令豐富，能滿足各種工業控制要求，是控制系統常用控制器[2-3]，車輛調試自動控制系統利用stm32實現控制指令的傳遞。

由于操作環境復雜惡劣，考慮到通信的穩定性和可靠性、反應的及時性、動作的準確性，以及操作過程的需求，對方案中舵機控制方式和控制按鈕類型、繼電器類型等進行選擇。

（1）舵機控制方式選擇

舵機，俗稱伺服馬達，是一種位置（角度）伺服驅動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。通過PWM控制信號或者TTL單總線通訊的方式，可以對舵機的角度進行控制。PWM控制下，舵機旋轉角度由PWM控制信號中高電平占空比進行控制，且每周期均要發送高電平控制信號，才能保持穩定；相比而言，總線舵機是用數據的方式與舵機通信，通過指令包的發送和接收獲取舵機當前位置和需要抵達的位置，是一種閉環的控制形式，更加精準、可靠。此外，總線舵機可以串聯控制，并可控制速度和加速度，反饋位置、扭矩、溫度等信息，節省資源，便于擴展以及對執行過程進行控制[4-5]。鑒于此，本設計選用單總線控制方式，實現舵機SCS2332的角度控制。

（2）控制按鈕類型選擇

車輛調試自動控制系統的設計需滿足調試過程中測試的操作流程。起車、轉動油門踏板以及熄車過程，需要執行機構操作結束后自動歸位，而取力開關、取力開關保險的操作需要保持執行狀態，因此起車按鈕、熄車按鈕選用自動復位型按鈕，液壓取力按鈕選用自鎖型按鈕，轉速按鈕（即油門踏板控制）選用三檔自動復位型按鈕SCV4-YQ-05R2G四向（雙向、萬向）。

（3）繼電器類型選擇

起車、熄車、液壓取力、轉動油門踏板等工步下，操作按鈕，通過控制器控制繼電器通斷狀態，完成對電機施加正、反電壓，因此繼電器需要有兩種不同的狀態，且實現正負電壓的切換，確定選用有兩組轉換的繼電器。HF115F/005-2ZS4型繼電器重量輕，印制板式引出端，安裝、使用方便；線圈電阻小，線圈功率小，降低功耗，因此選用HF115F/005-2ZS4型繼電器。

2 系統硬件電路設計

車輛調試自動控制系統包括控制部分、執行部分、監測部分等，設計控制板和帶有按鈕的控制終端。按鈕代替車輛駕駛室內的操作手柄，通過控制按鈕，實現人車分離；控制終端連接控制板，通過控制板上stm32單片機的控制，實現舵機、直流電機的加電狀態控制，以完成起車、熄車、轉速控制等操作。

終端控制面板為控制按鈕操作板，主要用于控制按鈕的操作和車輛狀態監測；控制板主要包括stm32單片機最小系統、舵機控制電路、電機控制電路以及按鈕控制輸入電路等部分，完成與終端控制面板和電機、舵機的通信控制。

（1）終端控制面板

控制面板主要包括系統總開關、起車、熄車、液壓取力、轉速開關以及急停按鈕，布局如圖1所示。

圖1 控制面板布局

車輛調試時，按下開關按鈕，需要執行起車、熄車操作時，按住起車、熄車按鈕；起車后需要液壓取力時，按下液壓取力按鈕，獲取動力；若發生緊急情況，可以按下急停按鈕，切斷控制通路，避免意外發生。由于起車、熄車按鈕操作后，所控制電機需加反向電壓，因此選用自動復位型按鈕；液壓取力按鈕動作一次完成一次操作，因此選用自鎖型按鈕；轉速開關需要實現電機正轉、反轉以及無動作三種狀態，因此選用三檔自動復位型按鈕。

（2）stm32單片機最小系統

stm32單片機最小系統，主要由stm32f103rct6單片機、復位電路、時鐘電路、電源電路以及下載電路等組成。電源電路如圖2所示，利用12V電源供電，通過電源模塊VRB1205YMD-6WR3，獲得5V電壓，然后經過線性穩壓器AMS1117-3.3獲得3.3V電壓，為單片機及其外圍電路、集成芯片供電。在電路電源電壓轉換過程中，并聯合適容值的貼片電容和電解電容，以達到穩壓和濾除雜波的效果。

圖2 單片機電源電路

單片機最小系統如圖3所示，復位電路由復位芯片MAX809組成，上電時產生復位信號，使單片機處于復位狀態，使單片機的程序從頭執行，避免單片機程序跑飛。時鐘電路由晶振和電容器組成，單片機通過連接32.768kHz晶振和8.0MHz晶振獲得時鐘源。通電時，外部晶振產生特定頻率的振蕩，輸出頻率穩定的時鐘信號，驅動單片機工作。

圖3 單片機最小系統圖

（3）舵機控制電路

舵機選用飛特SCS2332總線舵機，綜合考慮工作環境及通信距離，選用單總線控制方式。由于單片機和舵機工作電壓不同，設計電平轉換電路，利用SN74LVC1G126和SN74LVC1G125驅動，將信號轉換到舵機可識別范圍，如圖4所示。

圖4 電平轉換電路

單片機串口USART3發出舵機控制信號，經過4針插座，傳遞到電平轉換電路，完成電平變換后傳遞給舵機，舵機完成操作后反饋信息給單片機，實現閉環控制。控制電路如圖5所示。

圖5 控制線引出電路接口

（4）電機控制電路

起車、熄車等過程通過控制直流電機完成。工作過程需要實現電機正反轉切換，因此需要借助繼電器實現直流電機所加電壓的正負極換向。此外，為了隔離電氣連接上的干擾傳導，添加光耦TLP240A隔離，避免極端情況對內部電路的損壞。電路連接如圖6所示。

圖6 電機控制電路

按下起車、熄車按鈕時，光耦輸出電壓，控制繼電器吸合，直流電機接通+12V電壓，轉動，完成起車操作；按鈕恢復后，光耦輸入低電平，輸出斷開，繼電器線圈斷電，開關斷開，直流電機接通-12V。

（5）程序下載電路

JTAG接口是一種特殊的4個引腳接口連到單片機芯片上，利用JTAG進行程序下載。4個引腳如表1所示。

表1 JTAG接口引腳

3 系統軟件模塊設計

C語言易于編寫和移植，模塊化的結構便于功能擴展。車輛調試自動控制系統利用C語言進行模塊功能的編程，程序流程如圖7所示。

圖7 電機控制流程圖

3.1 舵機通信控制模塊

單片機發出控制指令信號，控制舵機動作。通信方式為串行異步方式，一幀數據分為 1 位起始位，8 位數據位和 1 位停止位，無奇偶校驗位，模塊通信參數設置主要程序為：

3.2 舵機指令

（1）舵機指令包格式為：

字頭 ID號 數據長度 指令 參數 校驗和

（2）字頭固定為：0xFF 0xFF

（3）校驗方式為：指令中處校驗和外所有字節相加后取反的十六進制值。

（4）SCS內存表：通過查找SCS內存控制表，確定各個參數的地址，如ID地址為0x05，目標位置高位地址為0x2A，目標位置低位地址為0x2B，運行速度高低位地址分別為0x2E、0x2F等。

（5）位置控制指令：SCS2332型舵機旋轉角度為270°，電子分辨率達270°/1024，通過控制位置參數在0-1024間變化，實現舵機的準確定位。

4 系統調試

4.1 硬件裝配

首先參照原理圖對PCB板進行測試，確保連線準確；對元器件進行測試，確保性能和功能的完整性。然后借助SMT流水線進行元器件焊接，完成硬件裝配，裝配后的示意圖如圖8所示。

圖8 硬件裝配示意圖

4.2 硬件調試

硬件調試，是電子生產制作的必要流程。測量電路板的電源部分，保證沒有短路的情況，然后進行上電，通過下載線連接到電腦，通過JTAG接口進行程序的下載。然后依次撥動各個按鈕開關，改變按鈕狀態，觀察連接電機、舵機的動作，和程序設定及需求一致，完成調試。

5 結束語

跟隨智能工業的發展，車輛調試自動控制系統更加高效和安全。基于stm32單片機設計的車輛調試自動控制系統，設計功能完全實現，能很好的應用于車輛調試過程，操作便利，效率提高，達到預期效果。但該系統在數據存儲和數據庫建立方面的探索還需深入，以實現更全面和智能的系統。