摘 要： 為滿足對汽車車燈的電氣參數、使用壽命等項目進行檢測的需要，提出了一種基于STM32處理器的便攜式檢測箱設計方案。該設計成功實現了10路AD采樣通道、6路開關量輸出通道、4路PWM輸出通道、1路CAN通信通道和1路LIN通信通道。軟件設計采用μC/OS-Ⅱ實時操作系統及分層設計思想，提高了程序的穩定性。結果表明，該試驗箱不僅便于攜帶和升級，而且具有較高的可靠性，降低了車燈廠家的生產成本。
關鍵詞： 車燈檢測；STM32；CAN通信；LIN通信
在新產品發布之前，車燈生產廠家需對車燈電氣參數進行抽樣檢測，并對車燈在復雜環境下的使用壽命進行抽樣試驗。電氣參數的檢測項目涉及電壓值、電流值及CAN通信和LIN通信是否正常等。另外要配合雨淋箱、氣候箱、灰塵箱、鹽霧箱、振動試驗臺等設備長時間控制燈的運轉，以測試車燈在暴雨天氣、酷熱和嚴寒天氣、沙塵天氣、腐蝕環境和顛簸路面等極端狀況下的使用壽命。由于雨淋箱等實驗箱笨重而龐大，其被放置在實驗室中無法輕易移動，而生產線上的在線監測系統更是無法被移動到實驗室中去配合雨淋箱等做數百小時的實驗而停止生產。此外，質檢部進行產品抽檢、銷售部進行功能演示以及售后部進行售后服務時，都需要一種便攜式檢測箱，因此本檢測箱的研制十分必要。
1 系統整體方案設計
結合車燈生產廠家的實際需要，便攜式車燈檢測箱在功能上包含手動和實驗兩種工作模式。檢測箱的硬件結構框圖如圖1所示，包括AD采樣、CAN通信、LIN通信、PWM控制、開關量控制和液晶顯示等部分。其中AD采樣部分要實現10路AD采樣通道，每兩路為1組實現對一個燈的電壓和電流采樣；PWM部分采用軟件實現；CAN通信和LIN通信要安全可靠。
系統的工作流程為：系統上電初始化后，控制單元首先判斷按鍵和開關的狀態，相應地進入手動或實驗模式；使用者參考顯示終端的狀態提示，通過控制面板將控制信息輸入到控制單元，從而對車燈進行檢測；檢測結果送顯示終端并根據檢測要求驅動報警電路對有誤的電參數進行報警；若進入實驗模式，則系統按既定要求控制車燈進行試驗。
2 硬件電路設計
本設計選擇的主控芯片是STM32處理器。該類芯片的時鐘頻率最高為72 MHz，含有CAN控制器、可配置成LIN口的USART、轉換速度為1 μs的12位A/D轉換器等豐富的片上外設，性價比很高。STM32的多數GPIO引腳都有復用功能，可通過重映射的方式由軟件配置，對不需要的片上外設就無需為其分配I/O端口，節約了I/O資源，實現了硬件裁剪。
2.1 CAN通道
STM32內含CAN協議控制器，只需在片外電路中加上CAN驅動器。CAN驅動器采用PCA82C250芯片，該芯片完全兼容ISO11898協議，功耗低，且保證斷開的CAN節點以高阻狀態隔離于總線之外，避免對CAN總線上其他節點產生影響[1]。所設計的驅動電路如圖2所示，TXD腳與RXD腳分別接到STM32的CAN引腳上。R1、R2為CAN總線的終端電阻，通常取值為120 Ω。芯片的Rs引腳提供模式選擇，當Rs接地時芯片工作于高速模式，此時發送器的晶體管輸出只以最快速度進行簡單的打開和關閉，不能對信號的上升沿和下降沿進行斜率控制；當Rs串接電阻至地時芯片工作于低速模式，此時可控制信號斜率來減少射頻干擾，斜率大小和流經Rs引腳的電流大小成比例；當Rs接高電平時芯片進入待機模式，此時發送器關閉，接收器進入低電流模式。如果檢測到總線上有有效信號，則RXD引腳變低電平，STM32芯片對RXD的這一變化作出反應，控制Q1導通，使收發器進入工作模式。但在待機模式下總線上的第一條消息會丟失。STM32通過控制Q1的導通和截止來切換驅動器的運行模式。
2.2 LIN通道
STM32的USART端口可配置成LIN協議控制器，只需在片外電路中加上LIN驅動器。LIN驅動器采用MCP2021芯片。該芯片性能穩定，電磁輻射低，支持LIN2.1協議中所有波特率下的通信，接口兼容標準USART[2]。所設計的驅動電路如圖3所示。做主機時要在LIN總線上加一個上拉電阻R1和保護二極管D1，做從機時無需加此電阻和二極管，因為傳輸距離不長的一條LIN總線上只需一個上拉電阻。電容C2起濾波作用。D2是一個保護二極管，R3與C1組成一個低通濾波電路，用于濾除高頻干擾，穩定芯片電源。電阻R2將FAULT/TXE引腳拉高以使能其發送器，當驅動器出現發送錯誤或工作溫度過高時會在FAULT/TXE引腳上輸出一個低電平，該下降沿可作為SMT32的外部中斷信號。該芯片的RXD和TXD引腳直接連接至USART的對應端口。
2.3 PWM通道與開關量通道
PWM通道和開關量通道的本質都是用低電平控制高電平，此處采用功率場效應管實現。功率場效應管的電路設計可參考參考文獻[3]，此處不再贅述。
2.4 AD采樣通道
STM32內部集成了A/D轉換器。電壓的采樣用一個分壓電路即可實現，電流的采樣選用電流檢測芯片MAX4080[4]。對某一通道的電流采樣電路設計如圖4所示，圖中的電源1和電源2分別是供給車燈和MAX4080芯片的電源，其電壓輸入范圍都是4.5 V~76 V。采樣電阻R1的選取受諸多因素的影響，推薦R1的取值應使得當使用5倍增益時采樣電阻兩端的滿量程分壓為1 V，20倍增益時采樣電阻兩端的滿量程分壓為250 mV，60倍增益時采樣電阻兩端的滿量程分壓為100 mV。R1兩端的電壓被取樣到芯片內部，經調理放大后由OUT引腳輸出，再經電位器分壓后由抽頭引至STM32的ADC的輸入引腳進行A/D轉換。因為電流的變化與采樣電阻R1兩端的電壓差及芯片的輸出電壓都是線性關系，故以此來間接地測量電流的大小。采樣通道在使用之前必須調節R4進行標定。
3 軟件設計
3.1 軟件層次劃分
本設計為了提高系統的健壯性和實時性，將嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ移植到STM32中[5]。首先應用分層的思想設計，本軟件可分為硬件驅動層和應用層。在硬件層上要建立的抽象模型有：
（1）按鍵模型。將各類按鍵和鈕子開關抽象成一個按鍵模型，該模型不但記錄了某按鍵的功能信息，還記錄了該按鍵在上一次和本次掃描中的狀態。
（2）液晶模型。將液晶顯示屏抽象為指令的收發函數和數據的顯示函數，要能夠實現液晶任意位置的字體反白和閃爍顯示等功能。
（3）車燈模型。將待檢車燈抽象成一個統一的模型，該模型記錄了車燈內燈的總數目及各燈的參數，如點亮位置燈的PWM頻率及占空比和正常的電壓/電流范圍、轉向燈的閃爍頻率和占空比、近光燈是氙燈還是鹵素燈等。該模型還記錄了CAN通信及LIN通信的指令地址及波特率。
對應用層來說，要建立各種控制模型，利用控制模型對硬件資源的使用進行有效的管理，如：
（1）液晶顯示模型。該模型對液晶顯示內容的指針和同類內容的顯示次序進行記錄，要實時反映當前面板和受檢車燈的狀態。
（2）AD控制模型。該模型要合理地分配AD資源，實現對多個采樣通道的管理。由于本設計用的是一個A/D轉換器的分時復用，因此要注意對共享資源的訪問問題。
（3）通信控制模型。該模型負載CAN通信與LIN通信的建立與調度，控制每幀數據間的時間間隔，并完成相應的錯誤處理。
要在STM32上使用操作系統，首先需要進行移植工作，然后進行任務劃分。本設計的主要任務劃分為7個，其功能如表1所示。
3.2 主要流程設計
本設計采用的系統是一個多任務操作系統，任務之間并沒有嚴格的順序關系，但是要完成一個具體的功能就需要進行各任務間的同步。此處給出了TaskManual和TaskTest任務的大致流程圖。
TaskManual任務的流程如圖5所示。任務首先進行模式及數據的初始化，將液晶顯示模型和AD控制模型設置為初始狀態。然后查詢信號量SemNewPanel，該信號量由TaskPanel任務產生。若該信號量處于失信狀態，則調用延時函數將本任務阻塞；當該信號量有效時，說明當前的面板狀態已被記錄到按鍵模型中，同時產生驅動事件。程序獲得SemNewPanel信號量后繼續向下運行，判斷是否有新的事件被觸發。如果沒有則直接調用延時函數將本任務阻塞，否則要通過被抽象出來的車燈模型對車燈的各類信號量進行投遞，以同步相應的任務完成相應的功能。
TaskTest任務的流程如圖6所示。任務首先進行模式及數據初始化，完成對時鐘的配置，然后根據既定的實驗要求運行。在實驗模式中，要保證多個循環之后實驗節拍的正確性，本設計采用用戶時鐘與相對時鐘相結合的方法實現。用戶時鐘是根據一個相對精確的時鐘源（定時器的定時或時鐘芯片）通過計數的方法建立對時、分、秒的記錄，該時間一方面作為液晶顯示的試驗運行時間，另一方面作為試驗某階段的結束和開始的時間依據以及一個試驗循環結束的依據。然而，僅有一個用戶時鐘是不夠的，因為同一試驗階段在不同的循環中的起始和結束時間是不一樣的，所以需要一套相對時鐘實現對循環內部各試驗階段的控制。
本設計采用STM32芯片實現了CAN通信、LIN通信和AD采樣等通道，外圍電路的設計模塊分明，可靠性高。該車燈檢測箱提供的電氣功能檢測滿足了多數型號車燈的需要，且軟件采用分層設計思想便于修改升級。該檢測箱性能穩定，便于攜帶，滿足了車燈生產廠家的工作需要。
參考文獻
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[2] 馬軍，李澤滔.基于LIN總線的電動車窗控制器設計[J].微型機與應用，2011，30（16）：57-59，63.
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[4] 張亮，莫岳平，江東流.智能型鋰電池組管理系統設計[J].電工電氣，2012（5）：24-25，34.
[5] 任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ原理及應用（第2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.