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)

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方案支持OV～10V直流電壓信號(hào)輸出，辨識(shí)率O.lV，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)新增模塊舉行升級(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)工作電源等幾片面組成。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。

1.1MCU及相關(guān)電路

MCU選用當(dāng)前主流ARMCortex-M3芯片，ST公司的STM32F103C8T6，其具有極高的性價(jià)比。它是一款TQFP48封裝的微操縱器，系統(tǒng)工作時(shí)鐘最高可達(dá)72MHz，64KBflash、20KRAM，豐富的內(nèi)存空間為以后的升級(jí)供給了保障。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)，適用好多高集成度、低本金的應(yīng)用場(chǎng)合。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)鐘的切實(shí)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。

1.2DC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，足夠得志直流OV～10V量程下步進(jìn)O.lV的辨識(shí)率。使用其TIME1的CH1通道輸出頻率為lkHz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f=1/2πRC計(jì)算可得R16、R17阻值為lOkQ；PWM的VPP為2.5V，為得志DC最大10V輸出，至少需放大4倍，考慮預(yù)留余量取G=R18+R19/R18=4.3，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=lOkΩ，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‘副。另為防止輸出被短路，輸出串聯(lián)了lkΩ輸出限流養(yǎng)護(hù)電阻R22，并使用二極管1N4148做了反向養(yǎng)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。

1.3PWM輸出電路

使用TIME1的CH2通道輸出頻率范圍10Hz—lOOOHz，占空比O%～l00%的PWM信號(hào)。信號(hào)的幅值固定為SVVpp。為了提高PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)才能，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輸出低電平日，Q2截止，Q3導(dǎo)通，Q4截止，最終PWMOUT輸出為高電平：當(dāng)PWM輸出高電平日，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)lOOmA的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲Fl，限制其最大輸出才能為lOOmA；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。

1.4LIN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)用的低本金、低速率、串行通信總線。LIN接口由兩片面組成：協(xié)議操縱器、線路接口。協(xié)議操縱器可在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)成苦求幀（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)議操縱器：或?qū)f(xié)議操縱器的RX信號(hào)舉行翻譯傳人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)的操縱、安好信息（同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和校驗(yàn)場(chǎng)）。

STM32F103C8T6用作協(xié)議操縱器，其內(nèi)部的USART支持LIN模式。LIN接口那么采用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)器的睡眠操縱輸入NSLP引腳直接接到MCU工作電源3.3V上，使其一向處理喚醒狀態(tài)。本地喚醒NWAKE引腳那么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)loQ的限流電阻R36和lOOmA的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F2，有效養(yǎng)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Ul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那么顯示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)字亮度操縱功能。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)樸化。分別為Sl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)+/一及設(shè)置確定功能。

1.6系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)直接采用220V市電供電，輸入首先經(jīng)過(guò)一個(gè)lOOmAl250V的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，確保內(nèi)部發(fā)生意外短路故障時(shí)能快速有效地養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。再通過(guò)Ll共模電感和Cl安規(guī)電容構(gòu)成的EMI電路，提高系統(tǒng)受外部電網(wǎng)波動(dòng)或電源噪聲等EMI干擾。再使用15V/5W的工頻變壓器將電壓降到15V，并通過(guò)整流、濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出。系統(tǒng)需要較多種類電源電壓，首先通過(guò)高效率的降壓型DC-DC芯片LM2576-ADJ將電壓穩(wěn)壓到SV供PWM電路和切換信號(hào)輸出通道的繼電器使用：MCU及其外圍電路工作需要的3.3V電源那么由一片LDO芯片LD1117-3.3將SV進(jìn)一步穩(wěn)壓到3.3V得到。另外通過(guò)使用一片LDO芯片HT7550對(duì)地串聯(lián)一個(gè)6.8V穩(wěn)壓管可直接將15V電源穩(wěn)壓到12V，來(lái)為L(zhǎng)IN通信電路供給工作電源。圖6為系統(tǒng)電源電路。

電路中還設(shè)計(jì)了一個(gè)掉電檢測(cè)電路，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生斷電處境時(shí)可急速通知MCU將用戶當(dāng)前的操作設(shè)定存入EEPROM中，下次開機(jī)上電時(shí)再將數(shù)據(jù)讀取出來(lái)使用。將15V電源經(jīng)30kQ和lOkQ電阻分壓后接到對(duì)比器LM311的同相端，反相端接到由LM38582-2.5基準(zhǔn)電路輸出的2.5V參考電壓上。當(dāng)斷電瞬間電源電壓從15V跌到10V時(shí)對(duì)比器急速反轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)下降沿輸出，觸發(fā)MCU的外部中斷，通知其舉行掉電養(yǎng)護(hù)操作。

2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，主程序包含了DC輸出及校準(zhǔn)、PWM輸出、LIN通信幀編碼及輸出、顯示及按鍵掃描、掉電養(yǎng)護(hù)等幾個(gè)功能函數(shù)。

系統(tǒng)校準(zhǔn)是廠家出廠前使用的校準(zhǔn)程序，用于信號(hào)發(fā)生器首次上電開機(jī)時(shí)，DC通道的輸出值校準(zhǔn).校準(zhǔn)采用上/下限兩點(diǎn)式線性校準(zhǔn)方式，分別校準(zhǔn)1V和10V輸出點(diǎn)，校準(zhǔn)公式為y=x*（y2-yl）/（x2-xl）+yl。只需校準(zhǔn)一次，校準(zhǔn)值存入EEPROM，斷電不損失。

系統(tǒng)使用MCU內(nèi)部鎖相環(huán)將系統(tǒng)8M外部主時(shí)鐘倍頻到72MHz，保證在PWM輸出時(shí)可通過(guò)分檔變更TIME1的時(shí)鐘預(yù)分頻系數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率1Hz～lkHz，占空比O%～100%范圍內(nèi)1%的辨識(shí)率和切實(shí)度。DC輸出時(shí)那么需要根據(jù)輸出設(shè)定值，結(jié)合兩點(diǎn)式線性校準(zhǔn)公式調(diào)整輸出PWM的占空比，從而變更輸出的電壓值。

LIN通信那么按照LIN2.O總線標(biāo)準(zhǔn)，使MCU的USART工作在LIN模式下，并編寫了一個(gè)LIN數(shù)據(jù)幀編碼及發(fā)送函數(shù)，波特率為9600，數(shù)據(jù)位8位，中斷位1位，無(wú)校驗(yàn)位。報(bào)文幀由報(bào)文頭和響應(yīng)內(nèi)容組成，見圖7：報(bào)文頭包括13位長(zhǎng)度的同步間隔，同步域Ox55，標(biāo)識(shí)符場(chǎng)Ox61；響應(yīng)內(nèi)容為5個(gè)字節(jié)，包括datal（給定速度0～255間任意值）、data2、data3、data4分別為固定值Ox02、Ox20、Ox00。校驗(yàn)和域是數(shù)據(jù)域全體字節(jié)的和的反碼。

系統(tǒng)采用一個(gè)外部中斷用于掉電檢測(cè)，當(dāng)中斷事情發(fā)生時(shí)，立刻將用戶當(dāng)前設(shè)定的參數(shù)寫入EEPROM。等待下次開機(jī)時(shí)再?gòu)腅EPROM中讀取便當(dāng)用戶持續(xù)使用上次設(shè)定。存儲(chǔ)的主要參數(shù)有當(dāng)前信號(hào)類型、DC輸出值、PWM輸出頻率和占?xì)饪毡取?/p>