基于STM32的汽車空調(diào)調(diào)速模塊信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘要：適應(yīng)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)汽車空調(diào)調(diào)速模塊生產(chǎn)中的測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了一種支持多類型信號(hào)輸出的汽車空調(diào)調(diào)速模塊信號(hào)發(fā)生器。可支持0V-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總線輸出。涵蓋了目前主流的三種類型信號(hào)，具有輸出精度高、輸出穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了測(cè)試和老化兩種工作模式，測(cè)試模式用于人工測(cè)試產(chǎn)品使用，老化模式用于產(chǎn)品老化實(shí)驗(yàn)階段自動(dòng)循環(huán)掃描輸出。

引言

　　近年來(lái)，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車已經(jīng)深入人們的生活。汽車空調(diào)作為汽車舒適系統(tǒng)的重要部分，也越來(lái)越引起駕駛者的關(guān)注。汽車空調(diào)調(diào)速模塊主要用于控制空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變空調(diào)出風(fēng)量的大小，是汽車空調(diào)系統(tǒng)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(xiàn)在的電子開關(guān)式調(diào)速模塊的無(wú)級(jí)調(diào)速，集成度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越豐富。汽車空調(diào)控制器ECU發(fā)出的調(diào)速信號(hào)類型也從DC直流、PWM占空比等模擬信號(hào)向LIN通信的數(shù)字化方向發(fā)展^[1]。以往測(cè)試模塊往往需要借助直流電源、DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，帶LIN通信的模塊測(cè)試時(shí)，甚至需要購(gòu)買整套空調(diào)控制系統(tǒng)才可進(jìn)行測(cè)試，成本高、操作復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)的汽車空調(diào)調(diào)速模塊信號(hào)發(fā)生器則將上述幾種信號(hào)集成在了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器里，并根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際研發(fā)和生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的人機(jī)界面，大大降低了對(duì)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。

　　本文提出的汽車空調(diào)調(diào)速模塊信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案支持0V～10V直流電壓信號(hào)輸出，分辨率0.1V，數(shù)字步進(jìn)輸出;頻率范圍10Hz～1000Hz，0%～100%占空比下的PWM信號(hào)輸出;支持LIN2.0標(biāo)準(zhǔn)LIN-BUS總線通信輸出，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容可根據(jù)新增模塊進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)展。

1 硬件設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)硬件框圖，硬件由MCU系統(tǒng)電路、DC輸出電路、PWM輸出電路、LIN通信電路、人機(jī)界面、系統(tǒng)工作電源等幾部分組成。三種類型信號(hào)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(dāng)前主流ARM Cortex-M3 芯片，ST公司的STM32F103C8T6，其具有極高的性價(jià)比。它是一款TQFP48封裝的微控制器，系統(tǒng)工作時(shí)鐘最高可達(dá)72MHz，64KB flash、20K RAM，豐富的內(nèi)存空間為以后的升級(jí)提供了保障。同時(shí)內(nèi)部集成了硬件PWM、USART、I2C總線、內(nèi)置復(fù)位、及看門狗電路等外設(shè)，適用很多高集成度、低成本的應(yīng)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(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，將PWM輸出頻率和LIN—BUS總線的波特率誤差降到最低。外接了一片EEPROM芯片F(xiàn)M24CL16用于系統(tǒng)參數(shù)及用戶當(dāng)前設(shè)置操作的掉電存儲(chǔ)，下次開機(jī)可以直接調(diào)用歷史設(shè)置。

1.2 DC輸出電路

　　DC信號(hào)由PWM濾波得到，如圖2。STM32F103C8T6的硬件PWM定時(shí)器為16位，足夠滿足直流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(zhǔn)芯片LM385BZ-2.5穩(wěn)壓到2.5V，然后再經(jīng)由LM358構(gòu)成的二階低通濾波放大電路輸出，為保證輸出直流信號(hào)的平滑度，又加了一級(jí)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(jì)算可得R16、R17阻值為10kΩ;PWM的VPP為2.5V，為滿足DC最大10V輸出，至少需放大4倍，考慮預(yù)留余量取，同時(shí)為了使集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，取R18=10kΩ，R19=33kΩ。輸出再經(jīng)過(guò)一級(jí)跟隨器，可保證輸出信號(hào)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(hù)電阻R22，并使用二極管1N4148做了反向保護(hù)。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(hào)時(shí)對(duì)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(hào)。信號(hào)的幅值固定為5V Vpp。為了提高PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，輸出采用三極管構(gòu)建了一個(gè)圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)PWM輸出低電平時(shí)，Q2截止，Q3導(dǎo)通，Q4截止，最終PWM_OUT輸出為高電平;當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，Q3截止，Q4導(dǎo)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(fù)保險(xiǎn)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(duì)本電路的損傷。PWM輸出電路見圖3。

1.4 LIN通信電路

　　目前LIN總線技術(shù)正被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到車身電子中，它是面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本、低速率、串行通信總線。LIN接口由兩部分組成：協(xié)議控制器、線路接口。協(xié)議控制器可在MCU的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART上實(shí)現(xiàn)，MCU軟件負(fù)責(zé)管理LIN協(xié)議并實(shí)現(xiàn)以下功能，發(fā)送/接收8位字節(jié)、構(gòu)成請(qǐng)求幀(接收為應(yīng)幀)、發(fā)送幀。線路接口，負(fù)責(zé)將LIN總線的信號(hào)翻譯成無(wú)干擾的RX信號(hào)傳入LIN協(xié)議控制器;或?qū)f(xié)議控制器的RX信號(hào)進(jìn)行翻譯傳入LIN總線。物理層采用單線連接，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。在總線上發(fā)送的信息，有長(zhǎng)度可選的固定格式。每個(gè)報(bào)文幀都包括2、4或8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)以及3個(gè)字節(jié)的控制、安全信息(同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和校驗(yàn)場(chǎng))^[4]。

　　STM32F103C8T6用作協(xié)議控制器，其內(nèi)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(hào)發(fā)生器只向電子調(diào)速模塊發(fā)送調(diào)速指令的數(shù)據(jù)幀，故工作在master主機(jī)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(jī)應(yīng)用下，需要增加一個(gè)額外的主機(jī)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(xiàn)，為了提高EMC以及降低EMI，對(duì)地連接了一個(gè)電容負(fù)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(fù)保險(xiǎn)絲F2，有效保護(hù)自身電路。

1.5 人機(jī)界面

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

　　設(shè)計(jì)了4個(gè)獨(dú)立按鍵和一個(gè)旋鈕式編碼開關(guān)做為用戶操作設(shè)置按鍵，使操作盡量簡(jiǎn)單化。分別為S1信號(hào)類型切換鍵、S2測(cè)試/老化模式切換鍵、S3輸出開/關(guān)鍵、編碼開關(guān)S4實(shí)現(xiàn)+/-及設(shè)置確定功能。