基于stm32的车辆调试自动控制系统设计

胡可狄，于亚利，李帅，李志峰，王昆

（北京航天新立科技有限公司，北京，100048）

0 引言

车辆调试是对车辆性能指标的检测和保证，是确保质量的重要一环。特种车辆尤其要求高稳定性和高可靠性，因此调试流程完整且严谨[1]。调试中涉及起车、熄车、液压取力、调节转速等工步，这些固定操作流程需一人操作的同时，另一人发出命令并监视，不仅占用人力，而且操作繁琐，降低了工作效率。

本文设计的车辆调试自动控制系统，包括控制部分、执行部分、监测部分等，将车辆驾驶室内的起车、熄车等操作通过自动控制系统转变为对控制终端的执行，通过操作控制终端实现对车辆动作的控制，同时实时监控车辆状态，确保车辆的性能达标。

1 系统方案选择

为了简化车辆调试过程，保证车辆调试质量，提高车辆调试效率，设计了基于stm32的车辆调试自动控制系统。车辆调试自动控制系统利用stm32实现对电机、舵机的控制，从而完成起车、熄车、液压取力、转动油门踏板等操作，其中对单片机的指令是通过终端控制面板上的按钮传递的。

单片机，由于其集成度高、体积小、可靠性好，而且控制能力强、指令丰富，能满足各种工业控制要求，是控制系统常用控制器[2-3]，车辆调试自动控制系统利用stm32实现控制指令的传递。

由于操作环境复杂恶劣，考虑到通信的稳定性和可靠性、反应的及时性、动作的准确性，以及操作过程的需求，对方案中舵机控制方式和控制按钮类型、继电器类型等进行选择。

（1）舵机控制方式选择

舵机，俗称伺服马达，是一种位置（角度）伺服驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。通过PWM控制信号或者TTL单总线通讯的方式，可以对舵机的角度进行控制。PWM控制下，舵机旋转角度由PWM控制信号中高电平占空比进行控制，且每周期均要发送高电平控制信号，才能保持稳定；相比而言，总线舵机是用数据的方式与舵机通信，通过指令包的发送和接收获取舵机当前位置和需要抵达的位置，是一种闭环的控制形式，更加精准、可靠。此外，总线舵机可以串联控制，并可控制速度和加速度，反馈位置、扭矩、温度等信息，节省资源，便于扩展以及对执行过程进行控制[4-5]。鉴于此，本设计选用单总线控制方式，实现舵机SCS2332的角度控制。

（2）控制按钮类型选择

车辆调试自动控制系统的设计需满足调试过程中测试的操作流程。起车、转动油门踏板以及熄车过程，需要执行机构操作结束后自动归位，而取力开关、取力开关保险的操作需要保持执行状态，因此起车按钮、熄车按钮选用自动复位型按钮，液压取力按钮选用自锁型按钮，转速按钮（即油门踏板控制）选用三档自动复位型按钮SCV4-YQ-05R2G四向（双向、万向）。

（3）继电器类型选择

起车、熄车、液压取力、转动油门踏板等工步下，操作按钮，通过控制器控制继电器通断状态，完成对电机施加正、反电压，因此继电器需要有两种不同的状态，且实现正负电压的切换，确定选用有两组转换的继电器。HF115F/005-2ZS4型继电器重量轻，印制板式引出端，安装、使用方便；线圈电阻小，线圈功率小，降低功耗，因此选用HF115F/005-2ZS4型继电器。

2 系统硬件电路设计

车辆调试自动控制系统包括控制部分、执行部分、监测部分等，设计控制板和带有按钮的控制终端。按钮代替车辆驾驶室内的操作手柄，通过控制按钮，实现人车分离；控制终端连接控制板，通过控制板上stm32单片机的控制，实现舵机、直流电机的加电状态控制，以完成起车、熄车、转速控制等操作。

终端控制面板为控制按钮操作板，主要用于控制按钮的操作和车辆状态监测；控制板主要包括stm32单片机最小系统、舵机控制电路、电机控制电路以及按钮控制输入电路等部分，完成与终端控制面板和电机、舵机的通信控制。

（1）终端控制面板

控制面板主要包括系统总开关、起车、熄车、液压取力、转速开关以及急停按钮，布局如图1所示。

图1 控制面板布局

车辆调试时，按下开关按钮，需要执行起车、熄车操作时，按住起车、熄车按钮；起车后需要液压取力时，按下液压取力按钮，获取动力；若发生紧急情况，可以按下急停按钮，切断控制通路，避免意外发生。由于起车、熄车按钮操作后，所控制电机需加反向电压，因此选用自动复位型按钮；液压取力按钮动作一次完成一次操作，因此选用自锁型按钮；转速开关需要实现电机正转、反转以及无动作三种状态，因此选用三档自动复位型按钮。

（2）stm32单片机最小系统

stm32单片机最小系统，主要由stm32f103rct6单片机、复位电路、时钟电路、电源电路以及下载电路等组成。电源电路如图2所示，利用12V电源供电，通过电源模块VRB1205YMD-6WR3，获得5V电压，然后经过线性稳压器AMS1117-3.3获得3.3V电压，为单片机及其外围电路、集成芯片供电。在电路电源电压转换过程中，并联合适容值的贴片电容和电解电容，以达到稳压和滤除杂波的效果。

图2 单片机电源电路

单片机最小系统如图3所示，复位电路由复位芯片MAX809组成，上电时产生复位信号，使单片机处于复位状态，使单片机的程序从头执行，避免单片机程序跑飞。时钟电路由晶振和电容器组成，单片机通过连接32.768kHz晶振和8.0MHz晶振获得时钟源。通电时，外部晶振产生特定频率的振荡，输出频率稳定的时钟信号，驱动单片机工作。

图3 单片机最小系统图

（3）舵机控制电路

舵机选用飞特SCS2332总线舵机，综合考虑工作环境及通信距离，选用单总线控制方式。由于单片机和舵机工作电压不同，设计电平转换电路，利用SN74LVC1G126和SN74LVC1G125驱动，将信号转换到舵机可识别范围，如图4所示。

图4 电平转换电路

单片机串口USART3发出舵机控制信号，经过4针插座，传递到电平转换电路，完成电平变换后传递给舵机，舵机完成操作后反馈信息给单片机，实现闭环控制。控制电路如图5所示。

图5 控制线引出电路接口

（4）电机控制电路

起车、熄车等过程通过控制直流电机完成。工作过程需要实现电机正反转切换，因此需要借助继电器实现直流电机所加电压的正负极换向。此外，为了隔离电气连接上的干扰传导，添加光耦TLP240A隔离，避免极端情况对内部电路的损坏。电路连接如图6所示。

图6 电机控制电路

按下起车、熄车按钮时，光耦输出电压，控制继电器吸合，直流电机接通+12V电压，转动，完成起车操作；按钮恢复后，光耦输入低电平，输出断开，继电器线圈断电，开关断开，直流电机接通-12V。

（5）程序下载电路

JTAG接口是一种特殊的4个引脚接口连到单片机芯片上，利用JTAG进行程序下载。4个引脚如表1所示。

表1 JTAG接口引脚

3 系统软件模块设计

C语言易于编写和移植，模块化的结构便于功能扩展。车辆调试自动控制系统利用C语言进行模块功能的编程，程序流程如图7所示。

图7 电机控制流程图

3.1 舵机通信控制模块

单片机发出控制指令信号，控制舵机动作。通信方式为串行异步方式，一帧数据分为 1 位起始位，8 位数据位和 1 位停止位，无奇偶校验位，模块通信参数设置主要程序为：

3.2 舵机指令

（1）舵机指令包格式为：

字头 ID号 数据长度 指令 参数 校验和

（2）字头固定为：0xFF 0xFF

（3）校验方式为：指令中处校验和外所有字节相加后取反的十六进制值。

（4）SCS内存表：通过查找SCS内存控制表，确定各个参数的地址，如ID地址为0x05，目标位置高位地址为0x2A，目标位置低位地址为0x2B，运行速度高低位地址分别为0x2E、0x2F等。

（5）位置控制指令：SCS2332型舵机旋转角度为270°，电子分辨率达270°/1024，通过控制位置参数在0-1024间变化，实现舵机的准确定位。

4 系统调试

4.1 硬件装配

首先参照原理图对PCB板进行测试，确保连线准确；对元器件进行测试，确保性能和功能的完整性。然后借助SMT流水线进行元器件焊接，完成硬件装配，装配后的示意图如图8所示。

图8 硬件装配示意图

4.2 硬件调试

硬件调试，是电子生产制作的必要流程。测量电路板的电源部分，保证没有短路的情况，然后进行上电，通过下载线连接到电脑，通过JTAG接口进行程序的下载。然后依次拨动各个按钮开关，改变按钮状态，观察连接电机、舵机的动作，和程序设定及需求一致，完成调试。

5 结束语

跟随智能工业的发展，车辆调试自动控制系统更加高效和安全。基于stm32单片机设计的车辆调试自动控制系统，设计功能完全实现，能很好的应用于车辆调试过程，操作便利，效率提高，达到预期效果。但该系统在数据存储和数据库建立方面的探索还需深入，以实现更全面和智能的系统。