基于STM32的汽車(chē)空調調速模塊信號發(fā)生器的設計

摘要：適應汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，根據汽車(chē)空調調速模塊生產(chǎn)中的測試需要，設計了一種支持多類(lèi)型信號輸出的汽車(chē)空調調速模塊信號發(fā)生器?？芍С?V-10V分辨率0.1V的直流輸出;頻率10Hz-1000Hz，占空比0%-100%的PWM輸出;LIN-BUS總線(xiàn)輸出。涵蓋了目前主流的三種類(lèi)型信號，具有輸出精度高、輸出穩定、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。根據實(shí)際需要，設計了測試和老化兩種工作模式，測試模式用于人工測試產(chǎn)品使用，老化模式用于產(chǎn)品老化實(shí)驗階段自動(dòng)循環(huán)掃描輸出。

引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)深入人們的生活。汽車(chē)空調作為汽車(chē)舒適系統的重要部分，也越來(lái)越引起駕駛者的關(guān)注。汽車(chē)空調調速模塊主要用于控制空調鼓風(fēng)機的轉速，進(jìn)而改變空調出風(fēng)量的大小，是汽車(chē)空調系統里的重要組成部分也是最容易損壞的部件。從過(guò)去簡(jiǎn)單的純電阻分壓換擋到現在的電子開(kāi)關(guān)式調速模塊的無(wú)級調速，集成度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越豐富。汽車(chē)空調控制器ECU發(fā)出的調速信號類(lèi)型也從DC直流、PWM占空比等模擬信號向LIN通信的數字化方向發(fā)展^[1]。以往測試模塊往往需要借助直流電源、DDS函數信號發(fā)生器，帶LIN通信的模塊測試時(shí)，甚至需要購買(mǎi)整套空調控制系統才可進(jìn)行測試，成本高、操作復雜。本文設計的汽車(chē)空調調速模塊信號發(fā)生器則將上述幾種信號集成在了一個(gè)信號發(fā)生器里，并根據產(chǎn)品實(shí)際研發(fā)和生產(chǎn)需要，設計了簡(jiǎn)潔的人機界面，大大降低了對操作工人的技術(shù)水平要求。同時(shí)增加了老化模式，方便產(chǎn)品老化需要。

　　本文提出的汽車(chē)空調調速模塊信號發(fā)生器設計方案支持0V～10V直流電壓信號輸出，分辨率0.1V，數字步進(jìn)輸出;頻率范圍10Hz～1000Hz，0%～100%占空比下的PWM信號輸出;支持LIN2.0標準LIN-BUS總線(xiàn)通信輸出，數據幀內容可根據新增模塊進(jìn)行升級擴展。

1 硬件設計

　　圖1為系統硬件框圖，硬件由MCU系統電路、DC輸出電路、PWM輸出電路、LIN通信電路、人機界面、系統工作電源等幾部分組成。三種類(lèi)型信號通過(guò)繼電器切換選擇，最終在BNC公共端子上輸出。

1.1 MCU及相關(guān)電路

　　MCU選用當前主流ARM Cortex-M3 芯片，ST公司的STM32F103C8T6，其具有極高的性?xún)r(jià)比。它是一款TQFP48封裝的微控制器，系統工作時(shí)鐘最高可達72MHz，64KB flash、20K RAM，豐富的內存空間為以后的升級提供了保障。同時(shí)內部集成了硬件PWM、USART、I2C總線(xiàn)、內置復位、及看門(mén)狗電路等外設，適用很多高集成度、低成本的應用場(chǎng)合[2]。通過(guò)外接一個(gè)8MHz的石英晶體振蕩器，保證了系統時(shí)鐘的準確性，將PWM輸出頻率和LIN—BUS總線(xiàn)的波特率誤差降到最低。外接了一片EEPROM芯片FM24CL16用于系統參數及用戶(hù)當前設置操作的掉電存儲，下次開(kāi)機可以直接調用歷史設置。

1.2 DC輸出電路

　　DC信號由PWM濾波得到，如圖2。STM32F103C8T6的硬件PWM定時(shí)器為16位，足夠滿(mǎn)足直流0V～10V量程下步進(jìn)0.1V的分辨率。使用其TIME1的CH1通道輸出頻率為1kHz的PWM，輸出為推挽方式。PWM輸出的高電平經(jīng)過(guò)基準芯片LM385BZ-2.5穩壓到2.5V，然后再經(jīng)由LM358構成的二階低通濾波放大電路輸出，為保證輸出直流信號的平滑度，又加了一級RC濾波;二階低通濾波器的截止頻率取16Hz。C23、C24直接取1μF，由計算可得R16、R17阻值為10kΩ;PWM的VPP為2.5V，為滿(mǎn)足DC最大10V輸出，至少需放大4倍，考慮預留余量取，同時(shí)為了使集成運放兩個(gè)輸入端對地的電阻平衡，取R18=10kΩ，R19=33kΩ。輸出再經(jīng)過(guò)一級跟隨器，可保證輸出信號的低阻抗^[3]。另為防止輸出被短路，輸出串聯(lián)了1kΩ輸出限流保護電阻R22，并使用二極管1N4148做了反向保護。D3、D4兩個(gè)鉗位二極管和D5反向二極管用于防止輸出被誤接其它外部信號時(shí)對電路造成損壞。

1.3 PWM輸出電路

　　使用TIME1的CH2通道輸出頻率范圍10Hz～1000Hz，占空比0%~100%的PWM信號。信號的幅值固定為5V Vpp。為了提高PWM信號的驅動(dòng)能力，輸出采用三極管構建了一個(gè)圖騰柱驅動(dòng)電路。當PWM輸出低電平時(shí)，Q2截止，Q3導通，Q4截止，最終PWM_OUT輸出為高電平;當PWM輸出高電平時(shí)，Q2導通，Q3截止，Q4導通，最終PWM_OUT輸出為低電平。為防止輸出被短路，在輸出端串聯(lián)了一個(gè)100mA的自恢復保險絲F1，限制其最大輸出能力為100mA;D7的1N5819可防止與模塊連接時(shí)被誤反接進(jìn)而可能對本電路的損傷。PWM輸出電路見(jiàn)圖3。

1.4 LIN通信電路

　　目前LIN總線(xiàn)技術(shù)正被越來(lái)越廣泛的應用到車(chē)身電子中，它是面向汽車(chē)低端分布式應用的低成本、低速率、串行通信總線(xiàn)。LIN接口由兩部分組成：協(xié)議控制器、線(xiàn)路接口。協(xié)議控制器可在MCU的一個(gè)標準UART上實(shí)現，MCU軟件負責管理LIN協(xié)議并實(shí)現以下功能，發(fā)送/接收8位字節、構成請求幀(接收為應幀)、發(fā)送幀。線(xiàn)路接口，負責將LIN總線(xiàn)的信號翻譯成無(wú)干擾的RX信號傳入LIN協(xié)議控制器;或將協(xié)議控制器的RX信號進(jìn)行翻譯傳入LIN總線(xiàn)。物理層采用單線(xiàn)連接，兩個(gè)電控單元間的最大傳輸距離為40m，低傳輸速率小于20kb/s，采用NRZ編碼。在總線(xiàn)上發(fā)送的信息，有長(cháng)度可選的固定格式。每個(gè)報文幀都包括2、4或8個(gè)字節的數據以及3個(gè)字節的控制、安全信息(同步場(chǎng)、標識符場(chǎng)和校驗場(chǎng))^[4]。

　　STM32F103C8T6用作協(xié)議控制器，其內部的USART支持LIN模式。LIN接口則采用NXP公司的TJA1020，它是目前主流LIN物理接口芯片。信號發(fā)生器只向電子調速模塊發(fā)送調速指令的數據幀，故工作在master主機模式下。如圖4所示，LIN 收發(fā)器的睡眠控制輸入NSLP引腳直接接到MCU工作電源3.3V上，使其一直處理喚醒狀態(tài)。本地喚醒NWAKE引腳則加限流電阻接到地上。TJA1020在主機應用下，需要增加一個(gè)額外的主機端電阻，通過(guò)在LIN 和BAT引腳之間串聯(lián)一個(gè)反向電流二極管D12和電阻R35實(shí)現，為了提高EMC以及降低EMI，對地連接了一個(gè)電容負載C28。同樣為防止外部短路和反接，在輸出端還增加了一個(gè)10Ω的限流電阻R36和100mA的自恢復保險絲F2，有效保護自身電路。

1.5 人機界面

　　人機界面用于輸出信號類(lèi)型、輸出模式、輸出值等狀態(tài)的設定和顯示，電路見(jiàn)圖5。采用上下兩行4聯(lián)共陰數碼管顯示數值，上行數碼管U1用于顯示LIN通信類(lèi)型模塊的型號和PWM下的頻率值，下行數碼管U2則顯示DC信號下的輸出電壓值;PWM下的占空比;LIN下的輸出檔位等。數碼管驅動(dòng)電路采用一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動(dòng)器MAX7219，它連接微處理器與2個(gè)4聯(lián)共陰8段數碼管，具有自動(dòng)掃描、數字的譯碼與非譯碼選擇、模擬和數字亮度控制功能。并外接了8個(gè)LED燈用于當前選擇的信號類(lèi)型、測試/老化模式、輸出開(kāi)啟/關(guān)閉等狀態(tài)指示。

　　設計了4個(gè)獨立按鍵和一個(gè)旋鈕式編碼開(kāi)關(guān)做為用戶(hù)操作設置按鍵，使操作盡量簡(jiǎn)單化。分別為S1信號類(lèi)型切換鍵、S2測試/老化模式切換鍵、S3輸出開(kāi)/關(guān)鍵、編碼開(kāi)關(guān)S4實(shí)現+/-及設置確定功能。