基于DSP的车载点烟器弹出力测量系统设计

姜义成+史正洋+刘正平

摘 要： 点烟器目前已经成为汽车的必备品，其机械性能对于驾乘安全与用户体验至关重要。针对汽车厂商实际需求，设计一套专业、高效的车载点烟器弹出力测量系统，从而对其机械性能进行有效检验与评估。本系统从功能实现角度可理解为一个基于嵌入式系统的集数据采集、数据分析等功能于一体的电子系统。系统以 TI公司专用于控制、测量领域的TMS320F2812系列 DSP芯片为核心处理器设计采集系统，利用Visual Basic 6.0开发环境设计上位机用户操作平台。结合系统所要实现功能给出完整的解决方案，详细介绍了硬件电路的工作原理及系统固件和用户端软件的设计实现。系统最终进行了工业级实测，实现了对点烟器弹出力多周期高精度的测量，利用上位机软件可以对测量结果进行显示、分析与存储。

关键词： TMS320F2812； 弹出力； 测量系统； VB 6.0； 车载点烟器

中图分类号： TN830.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0130?05

Design of eject force testing system for vehicle?mounted cigarette lighter based on DSP

JIANG Yi?cheng， SHI Zheng?yang， LIU Zheng?ping

（Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： Cigarette lighter has become an essential product for vehicles， whose mechanical performance is significant in driving safety and user′s experience. A system for measuring the pop?up force of vehicle?mounted cigarette lighter was designed to meet the actual demand of car manufacturers， which is professional and efficient in assessing and inspecting the mechanical properties of their products. The system can be abstracted as an embedded CPU?based small integrated electronic system including data acquisition， analysis and other functions. In the system， the DSP chip in TMS320F2812 series of Texas Instruments， which dedicates in the control area， is taken as the core processor of the system to design the acquisition system， and users operating platform on PC is designed with Visual Basic 6.0 development environment. A complete solution based on the system request is given in this paper. The working principles of the hardware circuit are described in detail. The firmware and user interface were designed. The system has been used in the factory ultimately， and the high?precision multi?cycle measurements of cigarette lighter pop?up force has been realized. The mesuring results can be displayed， analyzed and stored in the user software of the upper computer.

Keywords： TMS320F2812； eject force； test system； VB 6.0； vehicle?mounted cigarette lighter

0 引 言

随着现代电子技术的不断进步，汽车产业蓬勃发展，动力性能早已不是衡量汽车的惟一指标，可靠性、舒适的驾乘体验、智能网络化等诸多因素对于汽车评价高低起到了相当大的作用[1]。目前，点烟器已经成为汽车必备物件之一。点烟器可自动完成加热、弹出动作，用户取出后即可用其点燃香烟。其改善了整车的智能化与舒适度水平，简化了驾驶员点烟的操作流程，极大程度上规避了风险并提升了用户体验。

与此同时，点烟器的机械性能、稳定性、耐疲劳性等要素又极大影响汽车的安全可靠性，持续加热时间过长或者弹出力不足等情况会造成车身电路问题甚至是火灾。相关文献也记录了点烟器由于结构与弹出不正常造成车身电路问题进而引发变速器故障等事故[2]。可见，可靠、耐久的弹出式点烟器是汽车安全、舒适、智能化的基础与前提。

车载点烟器的安全问题早已引起广泛关注。日本工业标准JIS D 5807、美国机动车工程师协会标准SAE/USCAR?4以及各汽车制造公司均有针对其的相关产品标准。中国国家相关部门也针对车载点烟器编写了QC/T 415?2006规范，对点烟器的弹出力、加热时间、插拔性能等都做了严格的界定与规范[3]。

目前国内外有很多有关力的测量系统，但是主要集中于机械结构、应力等方面的测量。车载点烟器外形特殊，弹出力有一定的范围并且需要多周期测量，用电机与机械支架进行点烟器按压并进行加热时间测定等的特殊工作模式，诸多因素导致市面上众多的测量、数据采集系统无法胜任。因此针对汽车厂商的迫切需求，研制一套定制化的专用于汽车点烟器的弹出力测量系统具有实际意义。

1 力测量系统的硬件设计方案

从结构上讲，系统可分为两个部分。

硬件以TMS320F2812为核心控制器，辅以外围串口通信、模/数转换等模块构成的主电路板，由压力传感器、运算放大器、信号调理等构成前端信号采集电路，利用步进电机实现三轴运动平台来完成点烟器弹力测量。

软件设计包括两部分：嵌入式系统的固件编写，包括利用SCI（串行通信接口）进行DSP与上位机的通信、信号的采集处理、利用事件管理器EV完成对步进电机的控制等；上位机端用户软件编写，用户进行操作以实现各种功能，包括串口连接与调试、系统功能选择、测试模式设定、数据采样与结果保存、生成实验报告等功能。系统的整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体框图

硬件电路整体框图如图2所示。图中白色方框即为TMS320F2812，包括电源、JTAG（在线调试仿真）、SCI、A/D、EV（事件管理器模块）等核心功能模块；蓝色框为电路板整体框图，在DSP的基础上附有板载电源电路、测试电路、信号调理电路以及以MAX232为核心的SCI通信接口电路[4]。

图2 硬件电路功能框图

针对点烟器弹出力的特性，选用惠斯通电桥压力传感器。该传感器激励电压5～12 V，典型值50 mV的毫伏级电压输出，满量程输出约为0.5 V左右。因此选择低噪声、增益可控放大器AD?623将其线性放大至0～3 V，送入DSP的A/D进行采样[5]。

1.1 信号采集与调理放大单元

AD?623具有宽电源电压范围、满电源幅度输出等特点，允许仅使用单个电阻进行增益调整，以保证良好的用户灵活性；提供极好的交流共模抑制比，从而保持最小的误差。该运放为双列直插8脚封装，实际应用时在1脚与8脚之间接入可变电阻[RG，]增益大小可由公式[Gain=1+100RG]算出。考虑系统实际需要，在1脚与8脚之间接入600 Ω定值电阻与1 kΩ滑动变阻器，从而方便调试与标定。

1.2 信号量化与A/D精度校正[6]

系统使用TMS320F2812内部集成的12位高精度模/数转换模块，该模块具有16路模拟信号采样通道。ADC时钟可以配置为25 MHz，最高采样带宽为12.5 MSPS，模拟输入电压范围为0～3 V。值得注意的是当采样信号超过3 V或者为负值时，可能会烧坏DSP芯片A/D端口。因此为保证芯片正常工作，在模拟信号传到DSP之前加入了A/D保护电路，采用采样3.3 V稳压管反向对接的方式将管脚输入信号钳位控制在0～3 V内。

传感器主要产生静态偏置与线性增益误差。静态偏置指传感器不受压力时的小电平输出，线性增益误差则是由于温度等实际情况造成的斜率偏移。采用电路板模/数分离、合理布线等硬件措施抑制误差的同时，采用软件算法校正。

TMS320F2812虽然有12位精度，但在实际的使用过程中转换结果误差较大，最大的转换误差可以达到9%。系统采样如下办法减小误差[7]：

1.2.1 硬件角度

（1） 电路板布线时模拟信号采集通路远离数字信号通路，这样能使耦合到ADC输入端的数字信号开关噪声大大降低；

（2） 采用适当的隔离技术，将ADC模块电源引脚和数字电源隔离；

（3） 设计A/D校正电路，如图3所示。图中TL431ACLP为三态稳压管，当输入电压在4～8 V时，端口1输出稳定参考电压。从端口3输出的电压满足[VOUT=][1+R503R504?VREF。]故各参考电位电平计算式如下：

[VREF_A=VOUTVREF_B=R506+R507+R508R503+R506+R507+R508?VOUTVREF_C=R507+R508R503+R506+R507+R508?VOUT]

[VREF_D=R508R503+R506+R507+R508?VOUT]

将电阻参数带入上述方程得出各点参考电压的大小。应用时用跳线帽将REF_A点电压加到A/D的A0引脚，REF_B电压加到B0引脚，REF_C电压加到A1引脚，REF_D电压加到B1引脚。通过ADC转换输出结果与真实值对比，在代码中采用直线拟合的方法即可以实现对A/D采样自身误差的矫正。

图3 硬件校正电路

1.2.2 软件角度

（1） 对结果进行多通道过采样方式，对大量的结果取平均值；

（2） 采用中值滤波法，具体实现方法为：连续采样20个数据，排序后去掉最小的5个和最大的5个，然后取中间10个采样数据的平均值；

（3） 软件校正算法，对模/数转换模块中的增益误差和偏置误差进行补偿。

1.3 串口模块、步进电机控制及其他电路单元

系统控制器通过SCI（串行通信接口）与主机进行通信，以完成控制命令和有效数据的收发。SCI是双线制异步串行通信接口，系统内部共有2个相同的SCI模块SCIA和SCIB。本次试验选用SCIA作为串行数据的收发模块，配置波特率为9 600 b/s。考虑实现难度，系统不采用奇偶校验方式。数据帧的格式为8位数据位，1位停止位。

DSP的SCI模块信号电平为TTL电平，一般来说最小输入高电平为2.0 V，最小输出低电平为0.8 V。而通用计算机的串行通信一般基于RS 232协议规定，采用3～15 V范围的正电平表示逻辑“0”，-15～3 V范围的负电平表示逻辑“1”。所以要实现TMS320F2812与主机间的串行通信，必须对串行总线信号电平进行匹配转换。系统选用MAX3232芯片完成此项功能。

TMS320F2812工作时要求的电压分为2部分：1.8 V的内核电压和3.3 V的Flash电压。电路板使用LM1117?1.8作为稳压芯片，当输入范围是3～12 V时，输出恒压1.8 V；使用LM1117?3.3直流稳压输出为3.3 V。该3.3 V电压应与DSP2812上ADC部分模块的模拟电源3.3 V区分，实际中使用100 μH电感连接；同时也应将数字地GND和模拟地AGND用100 μH电感相连，减小数字通路对模拟信号的干扰。辅以8段数码管做测试电路、FLASH芯片和外扩RAM电路。至此，系统硬件电路设计完毕。

2 系统软件实现

系统软件主要包括嵌入式系统固件和用户界面两部分。

嵌入式系统的固件（烧录到DSP的ROM中的工程）实现功能包括对DSP的SCI、A/D、事件管理器等模块初始化、整体系统的工作流程、与上位机的“握手通信”及对数据的采集处理等[8]。

用户控制界面采用Visual Basic 6.0语言编写，在主界面上实现串口连接、通信测试、功能选择，分为插拔力测量界面与弹出力测量界面。用户通过软件控制可以进行测量参数设定、数据采样，结果与采集图像可以实时显示，将结果进行保存并生成实验报告[9]。

2.1 嵌入式系统固件实现

系统固件将面向各个功能模块电路直接作用于底层硬件，实现对其的配置、控制等操作。系统固件利用CCS3.3集成环境进行开发。模/数转换模块配置为单序列顺序采样模式，同一信号采样8路的过采样方式；利用定时器周期中断启动A/D模块，定时器计数周期为10 ms，采样速率为100 Sa/s；SCI配置为8 b数据位，无停止位与奇偶校验位，波特率为9 600 b/s。

主程序流程图如图4所示。具体工作方式如下：系统上电后先完成各硬件电路初始化与参数配置，然后进入主循环，采用查询工作方式实时监测主机发来的串行数据。图5为系统主循环流程图。控制器对从主机接收到的控制命令字与预先设定的交互字参考表进行比对，如果符合则赋予Sci_Key相应关键字的代码，并执行对应代码段中的功能，包括串口测试、采样数据等功能。

2.2 用户界面设计

用户软件实现系统控制、数据分析处理以及结果显示等功能。作为人机交互界面，应做到友好、美观。系统以Visual Basic 6.0为开发环境。

主控制平台是控制指令的发出者，也是最终结果的提供者。一方面它承载着计算机系统与控制器指令、数据交换任务；另一方面，它与用户直接进行交互。图6为弹出力测量的界面。界面组成：测量初始参数（滑台开始位置、终止位置、测量周期）设定；文件保存与读取系统，建立txt文件用于数据的存储及调用；动作菜单（测量模式的选择，系统动作的操控以及配置报告界面）。配置报告使用VB与Office Word进行交互，直接生成.doc报告。

图4 主程序流程图

图5 主循环流程图

图6 弹出力测量界面

2.2.1 串口通信事件

用户端软件的整体架构就是围绕着串口控件（MSComm）所展开。计算机向控制器发送指令时，程序根据用户操作直接向串口输出寄存器中写入命令字，通过移位寄存器以二进制码形式送往控制器。在事件通信功能启动之后，若CommEvent属性的值为comEvReceive，则认为此通信事件为串口接收事件，使用字符串变量StrReceiveCase为接收到数据的具体事件做标记[10]。

举例来说，单击“系统启动”按钮，进入串口事件。StrReceiveCase赋值为“ORIG”，界面状态栏提示“系统开始运行”，同时用户端软件向DSP发送命令字“O”。DSP将接收信息与命令字表进行查找比对，相符则使滑台上下运动，传感器空采得到初始偏置误差。期间向上位机发送反馈控制字“ORIG”。控制器将接收到的字符与预设进行判断，符合则“握手成功”。表1为上位机与DSP进行串口通信的交互控制字，对应其各种功能实现。

表1 串口通信交互控制字

[ 功能＼&主机命令字＼&反馈命令字＼& 串口测试＼&T＼&SUCC＼& 系统初始化＼&O＼&ORIG＼& 滑台上移＼&U＼&UPMV＼& 滑台下移＼&D＼&DOWN＼& 弹出力运行＼&C＼&RUNS＼& 停止运行＼&S＼&STOP＼&]

RS 232只能发送串行8位数据，而采样数据均为16位整型。控制器采取拆分的方式进行传送，主机端将数据的高低8位分别接收再通过移位相加将其恢复。利用VB中的Line input语句将接收到的数据逐一写入至预先建立好的txt文件进行保存。

2.2.2 VB绘图控件与Office Word关联控件

绘制图像采用VB的PictureBox控件，在界面中放置画布，同时绘制标尺网格增强结果的可读性；将[x]轴等分为（N?1）份从而获得[N]点的[x]轴坐标值；将采集到的数据进行折叠、伸缩变换后得到的数据作为[y]轴坐标值；利用Line input语句将各坐标点相连得到测试曲线。为了使软件更加智能，本系统利用VB鼠标事件编写模块，使得用户将鼠标移动到任意一点时都会自动显示该点的力值大小。

利用VB中的office word插件可以实现每次有效实验后自动生成实验报告的功能。在软件默认路径下需要保存.doc的实验报告模板，利用word中的书签进行位置查找并更新内容。

2.2.3 测量系统的标定与校正

模/数转换所得到的电压值需要进行实际标定才能转化成力的大小。选取标准砝码进行标定来拟合参数；将不同重量的砝码放在传感器受力端，让控制器持续采样，将所得结果记录。采用最小二乘法拟合数据，考虑到小输入时误差较大，我们弃置了零点以及偏离线性区间的数据。拟合公式为：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

图7为点烟器周期弹出力测量结果的图像。

图7 弹出力测量结果

3 结 语

通过硬件设计与制作、软件编写以及联合调试完成了该系统的设计与实现。此系统着眼于用户需求，实现了相关功能，最终结果准确可靠，绘制图像效果良好。经过工业级实测，系统运行稳定。此测力系统是针对于用户所提出的特殊用途进行专门设计和开发的，已经应用在具体工业生产环节中。

本系统的研制对用户亟待解决的生产实际问题具有不可替代的作用，系统的实际应用会为汽车厂商在弹出件的定型以及性能、质量的提升、评估方面做出贡献。

参考文献

[1] 朱松鹤.汽车电子技术的现状与发展趋势[J].科技与生活，2012（4）：207?207.

[2] 张允颂.点烟器引发的变速器故障[J].汽车维修与保养，2007（11）：54?57.

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[4] Texas Instruments. TMS320F2810， TMS320F2812 digital signal processors [R]. USA： Texas Instruments， 2003.

[5] 张君，赵杰.仪表放大器AD623的性能与应用[J].仪表技术，2002（5）：45?46.

[6] 覃博彬，赖康生.基于DSP的压力传感器信号采集与温度补偿设计[J].中国仪器仪表，2009（4）：91～94.

[7] 纪宗南.集成A/D转换器应用技术和实用线路[M].北京：中国电力出版社，2009.

[8] 苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281x DSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2008.

[9] ZAK D. Programming with microsoft visual basic 6.0 [M]. 北京：电子工业出版社，2002.

[10] 张海霞，曹宇辉.RS 232串口多方控制的实现[J].现代电子技术，2007，30（24）：158?159.

利用VB中的office word插件可以实现每次有效实验后自动生成实验报告的功能。在软件默认路径下需要保存.doc的实验报告模板，利用word中的书签进行位置查找并更新内容。

2.2.3 测量系统的标定与校正

模/数转换所得到的电压值需要进行实际标定才能转化成力的大小。选取标准砝码进行标定来拟合参数；将不同重量的砝码放在传感器受力端，让控制器持续采样，将所得结果记录。采用最小二乘法拟合数据，考虑到小输入时误差较大，我们弃置了零点以及偏离线性区间的数据。拟合公式为：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

图7为点烟器周期弹出力测量结果的图像。

图7 弹出力测量结果

3 结 语

通过硬件设计与制作、软件编写以及联合调试完成了该系统的设计与实现。此系统着眼于用户需求，实现了相关功能，最终结果准确可靠，绘制图像效果良好。经过工业级实测，系统运行稳定。此测力系统是针对于用户所提出的特殊用途进行专门设计和开发的，已经应用在具体工业生产环节中。

本系统的研制对用户亟待解决的生产实际问题具有不可替代的作用，系统的实际应用会为汽车厂商在弹出件的定型以及性能、质量的提升、评估方面做出贡献。

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[10] 张海霞，曹宇辉.RS 232串口多方控制的实现[J].现代电子技术，2007，30（24）：158?159.

利用VB中的office word插件可以实现每次有效实验后自动生成实验报告的功能。在软件默认路径下需要保存.doc的实验报告模板，利用word中的书签进行位置查找并更新内容。

2.2.3 测量系统的标定与校正

模/数转换所得到的电压值需要进行实际标定才能转化成力的大小。选取标准砝码进行标定来拟合参数；将不同重量的砝码放在传感器受力端，让控制器持续采样，将所得结果记录。采用最小二乘法拟合数据，考虑到小输入时误差较大，我们弃置了零点以及偏离线性区间的数据。拟合公式为：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

图7为点烟器周期弹出力测量结果的图像。

图7 弹出力测量结果

3 结 语

通过硬件设计与制作、软件编写以及联合调试完成了该系统的设计与实现。此系统着眼于用户需求，实现了相关功能，最终结果准确可靠，绘制图像效果良好。经过工业级实测，系统运行稳定。此测力系统是针对于用户所提出的特殊用途进行专门设计和开发的，已经应用在具体工业生产环节中。

本系统的研制对用户亟待解决的生产实际问题具有不可替代的作用，系统的实际应用会为汽车厂商在弹出件的定型以及性能、质量的提升、评估方面做出贡献。

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