包佳東，韓 強(qiáng)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

汽車(chē)搖窗電機(jī)是1個(gè)永磁、兩極直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有減速裝置[1]，一般由渦輪蝸桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，其測(cè)試性能繁多，包括機(jī)械特性、起動(dòng)性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動(dòng)、轉(zhuǎn)速同步性、耐久性等，因此進(jìn)行各類(lèi)性能測(cè)試時(shí)需要涉及角度、扭矩、轉(zhuǎn)速、電流及電壓等測(cè)試數(shù)據(jù)，且在測(cè)試過(guò)程中需要對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。因此如何保證測(cè)試過(guò)程中的測(cè)控信號(hào)的正確性和同步性尤為重要。

CAN總線(xiàn)能夠進(jìn)行分布式控制，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。通過(guò)PC與多個(gè)MCU形成分布式控制，并基于CAN總線(xiàn)報(bào)文收發(fā)、各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了搖窗電機(jī)綜合測(cè)試方案，以系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)同步采集和實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐ㄓ嵖刂品桨福贫诉m宜的CAN總線(xiàn)應(yīng)用層通訊協(xié)議，提高了搖窗電機(jī)測(cè)試的可操作性和可靠性，得以實(shí)現(xiàn)PC對(duì)多臺(tái)搖窗電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1 系統(tǒng)測(cè)控方案

搖窗電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)采用分布式控制，通過(guò)CAN總線(xiàn)，PC對(duì)多個(gè)搖窗電機(jī)測(cè)試控制機(jī)箱進(jìn)行集中管理和控制。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)1臺(tái)搖窗電機(jī)測(cè)試，其系統(tǒng)組成如圖1所示，由PC，恒溫箱、嵌入式測(cè)控單元、搖窗電機(jī)電源、搖窗電機(jī)、各類(lèi)傳感器、負(fù)載電機(jī)、負(fù)載驅(qū)動(dòng)器、正反轉(zhuǎn)控制模塊等組成，通過(guò)在CAN總線(xiàn)上并聯(lián)相同的嵌入式系統(tǒng)建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 搖窗電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.1 Window lifter motor testing system block diagram

測(cè)試過(guò)程中，需要檢測(cè)電流、電壓、角度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，如圖所示的傳感器主要有霍爾電流傳感器、絕對(duì)式光電編碼器、扭矩傳感器、霍爾非接觸式開(kāi)關(guān)等。

搖窗電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)以STM32F103 ZET6作為主控芯片，該芯片為基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能微控制器[3]。外接電路分別由A/D 模塊、DI模塊、DO 模塊、SSI采集模塊、RS232和CAN通訊模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、外部存儲(chǔ)模塊等組成。其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of CAN bus node

A/D模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電機(jī)電流、電壓數(shù)據(jù)采集。DI模塊用來(lái)接收固定位置的霍爾行程開(kāi)關(guān)信號(hào)。DO模塊用于控制正反轉(zhuǎn)控制模塊的信號(hào)通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖窗電機(jī)正反轉(zhuǎn)的隔離控制。SSI采集模塊通過(guò)將絕對(duì)編碼器（角度傳感器）的串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。RS232模塊負(fù)責(zé)與負(fù)載驅(qū)動(dòng)器通訊，繼而控制負(fù)載大小。高速計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩傳感器周期性電平信號(hào)的高速響應(yīng)來(lái)采集扭矩值。外部存儲(chǔ)模塊用以存儲(chǔ)操作參數(shù)。

PC通過(guò)CAN接口卡連在CAN總線(xiàn)上，CAN接口卡采用研華的PCI-1680U。PCI-1680U能通過(guò)自動(dòng)重發(fā)功能實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)仲裁和差錯(cuò)檢測(cè)功能，極大地降低了數(shù)據(jù)丟失幾率，保證了系統(tǒng)可靠性。然而，由于在實(shí)際測(cè)試中，有些測(cè)試項(xiàng)目需要穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性，在保證CAN高速通信速率上，需要CAN模塊并聯(lián)120 Ω的終端電阻來(lái)作為阻抗匹配，以減少回波反射[4]，如圖3所示。

圖3 CAN總線(xiàn)分布控制示意圖Fig.3 CAN bus distributed control diagrammatic sketch

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，使各個(gè)搖窗電機(jī)測(cè)試單元能夠獨(dú)立地進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)搖窗電機(jī)耐久試驗(yàn)占用時(shí)間長(zhǎng)。因此，該測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)有若干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耐久試驗(yàn)的時(shí)候，剩下空閑節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行諸如機(jī)械特性、起動(dòng)性能、齒間隙等試驗(yàn)。

2 測(cè)控同步性

每個(gè)搖窗電機(jī)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，有2路霍爾開(kāi)關(guān)信號(hào)，電壓、電流16 b數(shù)字信號(hào)，扭矩16 b數(shù)字信號(hào)，角度18 b數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)速16 b數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域至多8 B，需要通過(guò)發(fā)送2幀才能傳遞完整的數(shù)據(jù)信息。

某搖窗電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)6臺(tái)搖窗電機(jī)進(jìn)行同步測(cè)試，采樣率最高達(dá)50 Hz，由于每次采樣需要2幀數(shù)據(jù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒需要傳輸100幀數(shù)據(jù)。2幀允許的時(shí)間間隔可以通過(guò)式（1）計(jì)算得到，經(jīng)過(guò)計(jì)算理論上2幀允許時(shí)間約為1.6 ms。

式中：f為數(shù)據(jù)采集率；n為采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目；m為每次的采樣幀數(shù)。

對(duì)于長(zhǎng)20 m，截面積0.25～0.34 mm2的導(dǎo)線(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得知波特率能到達(dá)1 Mb/s[5]。為保證數(shù)據(jù)傳輸正確性，且PCI-1680U通信卡給出的波特率選項(xiàng)為 1 Mb/s，800，500 K，250，125，100 kb/s等，取最高理論速率25%，故而擬定傳輸波特率fb=250 kb/s。

根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位域組成，即幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)域可以為0，數(shù)據(jù)幀的組成[6]如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的組成Fig.4 Standard data frame composition

根據(jù)式（2），可計(jì)算出1幀的數(shù)據(jù)總位數(shù)大小，即

式中：N為數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度。當(dāng)N=8時(shí)，1幀的數(shù)據(jù)總位數(shù)為108 b，且由于數(shù)據(jù)幀彼此之間有3個(gè)隱性位，并在考慮位填充和存在錯(cuò)誤幀的情況下，位填充最多21 b，錯(cuò)誤幀最多12 b。傳輸1幀所需的最大時(shí)間為[7]

通過(guò)上述計(jì)算可知，2幀傳輸需要的最大時(shí)間間隔為576 μs，小于允許時(shí)間間隔1.6 ms，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。由于CAN總線(xiàn)通信按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁，即仲裁場(chǎng)ID越小的節(jié)點(diǎn)，越優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的只能在總線(xiàn)空閑的情況下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，當(dāng)個(gè)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)主站數(shù)據(jù)的時(shí)候，所占用的時(shí)間不得超過(guò)發(fā)送最大時(shí)間的2倍即1.2 ms。

3 系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議

CAN總線(xiàn)規(guī)范僅定義了模型的最下面2層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[8]。故搖窗電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中需要為此制定對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議。

對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的要求如下：①實(shí)現(xiàn)一主多從的多節(jié)點(diǎn)分布式控制；②指令控制及參數(shù)設(shè)置；③讀取被測(cè)參數(shù)信息；④測(cè)試模式選擇；⑤節(jié)點(diǎn)故障監(jiān)控。其中，整個(gè)搖窗電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要1個(gè)固定的地址，而為了代碼操作的高效，分別將ID2—ID7置位來(lái)對(duì)應(yīng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，從站通過(guò)ID1的清零和置位用于區(qū)分對(duì)主站寫(xiě)回應(yīng)幀、讀回應(yīng)幀，并以通過(guò)ID0的清零和置位來(lái)區(qū)分節(jié)點(diǎn)讀回應(yīng)幀的第1幀和第2幀，ID標(biāo)識(shí)分配見(jiàn)表1。

表1 ID標(biāo)識(shí)符分配Tab.1 Distribution of ID identification symbol

主站發(fā)送數(shù)據(jù)域的協(xié)議格式為：起始符+功能碼+寄存器/測(cè)試模式+參數(shù)+結(jié)束符。由表2可知，起始符為0xFF，結(jié)束符為0xEE。第2字節(jié)（功能碼）分為讀、寫(xiě)和系統(tǒng)復(fù)位3種模式，分別為0x03，0x06，0x09。第3字節(jié)為寄存器/測(cè)試模式，寄存器對(duì)應(yīng)DO和RS232模塊，范圍在0x01—0x02；測(cè)試模式對(duì)應(yīng)機(jī)械特性、起動(dòng)性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動(dòng)、轉(zhuǎn)速同步性、耐久性等試驗(yàn)，范圍在0x03—0x09。第4字節(jié)操作碼對(duì)寄存器/測(cè)試模式使能、操作、禁止等3種功能。第5～7字節(jié)用于操作參數(shù)配置。

表2 主站發(fā)送協(xié)議Tab.2 Host send protocol

例如，設(shè)定負(fù)載時(shí)，需要使用RS232模塊，由于負(fù)載的設(shè)置是通過(guò)RS232模塊對(duì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器發(fā)送協(xié)議指令來(lái)控制負(fù)載電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流大小。PC通過(guò)檢測(cè)的扭矩值與期望的扭矩值進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流大小，以形成反饋控制。當(dāng)設(shè)置3，5節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電流-1A時(shí)，ID配置為0x48，數(shù)據(jù)域：0xFF（起始符），0x06（功能碼），0x02（寄存器），0x02（操作碼），0xFF（參數(shù)），0x9C（參數(shù)），0x00（參數(shù)），0xEE（結(jié)束符）。第5，6字節(jié)組成有符號(hào)16位short類(lèi)型，以范圍-1500～1500來(lái)表達(dá)負(fù)載電流-15～15 A，0xFF9C表示十進(jìn)制的-100，即配置負(fù)載電機(jī)電流為-1 A，第7位保留。

主站對(duì)從站發(fā)送0x06的寫(xiě)協(xié)議，從站（ID1置位）通過(guò)數(shù)據(jù)域第1字節(jié)對(duì)消息進(jìn)行回復(fù)，分別為操作成功、功能碼錯(cuò)誤、寄存器/測(cè)試模式錯(cuò)誤、操作碼錯(cuò)誤、配置參數(shù)錯(cuò)誤、響應(yīng)失敗、禁止操作等。

主站對(duì)從站發(fā)送0x03的讀協(xié)議，從站（ID1清零）的數(shù)據(jù)域的協(xié)議格式見(jiàn)表3，回應(yīng)幀為2幀?；貞?yīng)第2幀數(shù)據(jù)域的最后2個(gè)字節(jié)，用以記錄從站系統(tǒng)的故障情況，比如未進(jìn)行測(cè)試模式配置、各類(lèi)外接傳感器的線(xiàn)路情況、節(jié)點(diǎn)故障預(yù)警等。

表3 從站寫(xiě)回應(yīng)協(xié)議Tab.3 Write response protocol from station

4 軟件與試驗(yàn)

從站節(jié)點(diǎn)是基于STM32F103ZET6芯片開(kāi)發(fā)的嵌入式子系統(tǒng)，下位機(jī)程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，由主程序、定時(shí)程序、AD采集程序、高速計(jì)數(shù)程序、SSI程序、CAN通訊程序、RS232通訊程序等組成。嵌入式軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化設(shè)計(jì)，將應(yīng)用程序劃分多個(gè)子任務(wù)[9]，使從站節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)具有互換性，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。其中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障預(yù)警，子系統(tǒng)利用窗口看門(mén)狗進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，不過(guò)初始化操作會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，則需要利用EPPROM對(duì)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取[10]。主站只需發(fā)送0x03類(lèi)指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)從站各個(gè)模塊的控制，如圖5所示。

圖 5 節(jié)點(diǎn)響應(yīng)模式Fig.5 Node response model

上位機(jī)程序采用VC++進(jìn)行編寫(xiě)，PC調(diào)用PCI-1680U通信卡提供的接口函數(shù)來(lái)進(jìn)行打開(kāi)或關(guān)閉CAN接口卡，接受數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前接收緩沖數(shù)據(jù)的幀數(shù)量等操作。圖6為搖窗電機(jī)的耐久性試驗(yàn)界面。其中包含有6臺(tái)從站測(cè)試子系統(tǒng)，程序內(nèi)容包括：測(cè)試模式的流程控制，操作變量的編輯，參數(shù)配置文件的存儲(chǔ)和讀取，每臺(tái)搖窗電機(jī)測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)查看，測(cè)試參數(shù)的周期性存儲(chǔ)，等。圖中，進(jìn)度條用于模擬搖窗電機(jī)的升窗、降窗過(guò)程；指示燈用于表示試驗(yàn)的所在狀態(tài)。

圖6 搖窗電機(jī)的耐久性試驗(yàn)界面Fig.6 Durability test interface for window lifter motor

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種以PC作為主站，從站以STM32 F103ZET6為核心的搖窗電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)。在分析了CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)后，研究了CAN總線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，并為此設(shè)計(jì)了一套可行的應(yīng)用層協(xié)議。該搖窗電機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行分布式控制，并易在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)多變的測(cè)試流程，便于PC編程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。通過(guò)PC與下位機(jī)的控制策略，能很好地保證搖窗電機(jī)的測(cè)試過(guò)程，提高了搖窗電機(jī)各類(lèi)測(cè)試的效率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，獲得可靠數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)搖窗電機(jī)同步測(cè)試，可在監(jiān)控畫(huà)面反映CAN總線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)更加人性化。

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