汽车多功能方向盘按键检测装置的设计①

郎璐红, 余红英, 董俊

(1.芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽 芜湖 241006；2.中国科学院合肥智能机械研究所，安徽 合肥 230031)

0 引 言

汽车方向盘除了转向功能之外，为方便驾驶员操作，通常在方向盘上触手可及的位置，集成了多个常用的功能控制键，如视听娱乐操作、刹车与换档拨片等，有些车型如仪表的里程调校也转移到方向盘上，驾驶员手不离开方向盘就能进行很多常用的操作。这样的方向盘如果用多个单独的普通按键或者矩阵键盘往往需要的连线比较多，不适合在汽车方向盘上使用，而如果采用CAN总线连接到车身主控芯片上进行通信，增加了硬件电路的复杂性，同时也是大材小用，所以汽车方向盘上的功能控制键常常采用简单的电阻式按键，把每个按键接上不同电阻，按下不同的按键会引起总线电压不同变化，MCU通过AD转换测量电压值就知道是哪个阻值对应的按键被按下了。

1 系统总体架构设计

多功能方向盘按键检测装置的结构如图1所示，主控芯片采用STM32F103VC，用来进行模拟量检测和TFT触摸屏控制和显示；四路继电器分别控制背光电源BAT、报警灯、蜂鸣器及背光电流。

显示和操作界面采用工控7寸TFT串口触摸屏，实现方向盘型号的选择、方向盘按键的合格判定、阻值显示、背光判定。工控串口触摸屏开发方便，即保证产品在生产环境下的使用寿命，又能提供友好的用户界面，使普通操作者容易使用。

STM32F103VC单片机带有两个独立的12位ADC控制器，是一个逐次逼近模拟数字转换器，有18个通道，可同时对16个模拟量通道进行快速采样。方向盘按键通常有多个输出信号端，可以分别由不同的通道进行采集和转换。

图1 系统总体结构框图

2 检测原理

2.1 方向盘按键信号原理

方向盘上的按键一般都根据需要和相关性布局，分左、右手控制。电阻式按键的接法不一，但实质都是一样的。通常汽车方向盘上的功能按键接法示例如图2所示，等效电路图示例如图3所示。

图2 实际电子开关的典型电阻电路

图3 典型电阻开关的等效电路(无静态电阻)

若按键未按下时在输出线的端口处为开路状态，即无静态电阻，反之如输出线的端口处有等效电阻，则为有静态电阻。早期的电阻开关没有静态电阻，方向盘连接到检测装置的AD端的线束断路和无按键按下时在电气上是一样的，无法进行断路检查。而有静态电阻的电阻开关，可以在开机时检查是否有断路和短路情况。

2.2 按键标准值的标定

每个按键的标准阻值并不需要实际值，检测装置设置了专门的测量界面，进入此页面后，分别按下不同的按键，通过实测的方法得到该按键所接的AD转换通道以及电阻值。用这种方法得到电阻按键标准值，实际上也修正了参考电阻以及电路本身带来的误差。

标定按键标准值的界面如图4所示，其中R1～R4分别对应方向盘上的多个方向盘信号输出端口中的一个，标定时按下每一个按键其中将有一个电阻值发生变化，即可确定该按键所对应的AD通道及标准值大小，标准值偏差一定范围做为判断按键合格与否的依据。

2.3 AD转换的原理及设计

AD转换电路中的关键是参考电阻的选取。给被测方向盘按键串联一个参考电阻Rref(上拉电阻)进行分压，被测电阻Rx一端接地，上拉电阻端为基准电压Vref，即VCC。在图3的等效电路中，即将PORT3、PORT6接地，PORT1、PORT2、PORT5及NET1接入STM32的AD输入端，在AD端和VCC之间接入参考电阻Rref，经AD转换测量得到VAD的值，则通过下面的关系可求得按键对应的阻值：

图4 方向盘按键电阻标准值标定

2.4 方向盘背光灯的检测原理

背光灯即发光二极管，背光灯的个数通常等于按键的个数，即每个按键下面对应一个背光灯，如图2中所示连接在PORT4的LED。方向盘按键中，多个发光二极管通常是并联连接，当所有背光灯开启时，即全部二极管导通的状态。检测背光灯好坏时采用检测背光电流的方法，即在PORT4和PORT3之间加上电压，点亮所有背光灯，测量此时的电流，可以判断LED背光灯珠的坏通与坏断。

检测装置在检测完方向盘上的所有按键后，进入自动检测背光状态，同时在触摸屏上界面上设有人工检测按钮。当拔出方向盘与检测装置的连接线检测到没有电流时，自动清除触摸屏按键上的指示图标，进入下一个方向盘检测。

3 软件设计

3.1 软件流程图

方向盘检测装置的软件分为串口触摸屏软件和STM32下位机软件两部分，通过串口进行通信。串口触摸屏软件采用图形化编程，主要用于人机交互和显示。下位机软件流程图如图5所示。

3.2 数据处理

为进一步提高转换精度和稳定性，检测装置采用了三种数据处理技术。

3.2.1 去除干扰数据

AD转换需要的时间很短，STM32的转换精度比较高，因此转换结果不断的跳变，稳定性差，采用软件方法消除干扰信号和转换本身带来的粗大误差，即连续进行二十次采样和转换后，对结果进行排序，去掉最高和最低各5个数据，对保留的十次转换结果数据取平均值作为一次测量的电阻值。

图5 方向盘检测装置软件流程图

3.2.2 采样电阻选取

通常MCU的AD端口允许输入的电压范围由端口的耐压即电源供电电压决定。STM32的IO端口最高电压是3.3V，AD端口输入模拟信号不能高于3.3V。为适应多种型号的方向盘，每个AD通道可能测量的电阻值范围差别可能很大。

采样电阻的选取要考虑电阻的量级，电阻大，电流则小，有利于省电，但太大的电阻会导致信号阻抗变大，AD采样时需要相应加大采样时间。如果要降低功耗，可以用300kΩ、100kΩ电阻进行分压，否则可以用30kΩ、10kΩ电阻进行分压。

3.2.3 AD转换电路的改进

方向盘在同一个输出端的电阻值是不同电阻串联或并联的结果，最大电阻值和最小电阻值有可能相差比较大，如图3中PORT2或PORT5端口，所选取的参考电阻不能同时满足大电阻和小电阻两种情况的测量要求，因此对AD电路进行改进，采用两路AD转换分别对大阻值和小阻值的电阻进行转换，所以在这样的输出端采取如图6所示的测量电路。

根据被测按键电阻值大小不同，自动选择用不同的AD通道，当电阻值比较小时由AD1进行转换，得到Rx和Rref2串联的结果，减去Rref2为方向盘按键的电阻值；当测量电阻比较大时由AD2进行转换，此时参考电阻值为Rref1和Rref2的串联值，可直接得到Rx的值。

图6 改进的AD转换测量电路

4 结 论

方向盘检测装置已经在实际生产中使用，人机界面友好，检测时由手形图标按固定的顺序指示下一个要检测的按键，结果显示出检测的通道、实测阻值、标准阻值及偏差百分比，如在合格范围内，在按键位置显示并且蜂鸣器响一声，继续检测下一个按键直至所有按键检测完成，屏幕显示表示合格。如检测到超差、短路或断路等的按键，相应按键位置显示并且蜂鸣器一直响进行报警，同时屏幕上显示，表示此方向盘不合格，不必继续检测其他按键。拔下方向盘后恢复到初始状态，装置可自行检测出是否插上和拔下方向盘。

采用声光同时指示的方式使操作人员即使不通过眼睛观察识别，也可以根据声音了解检测结果，避免错检、漏检等问题。如在装置中利用视觉检测显示屏上的结果，并和PLC通讯，利用简单的三轴机器手按压方向盘，可以实现完全自动检测。