晁綿順，黃俊革

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海 201418)

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基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測儀設(shè)計

晁綿順，黃俊革

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海 201418)

針對大多數(shù)車輛在急速剎車過程中，因劇烈摩擦使剎車片的溫度急速升高，可能會使剎車片熱衰竭，進而導(dǎo)致剎車系統(tǒng)失靈或輪胎燃火起爆等問題，提出了一種基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀以嵌入式STM32為控制核心，以紅外熱電堆測溫模塊的方法，采用車輛成熟的CAN總線技術(shù)完成主機和從機通信。該系統(tǒng)不僅可以及時、準(zhǔn)確的采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時還可以顯示、存儲數(shù)據(jù)以及啟動溫度報警。

STM32;剎車系統(tǒng)；溫度監(jiān)控；CAN總線

0 引言

車輛行駛過程中剎車安全性成為不可忽視的重要問題之一[1]。而溫度是影響剎車片性能的一個重要因素，直接制約著剎車片的制動性、耐磨性等性能[2-3]。當(dāng)剎車片工作溫度超過300℃后，摩擦系數(shù)μ表現(xiàn)非穩(wěn)定的大幅度下降，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，主要原因是非金屬剎車片里的有機化合物高溫下分解，產(chǎn)生氣體和液體析出；而金屬類剎車片的金相組織在高溫條件下發(fā)生變化[4]。

當(dāng)前對家庭車輛以及大型車輛剎車片的磨損程度都有相應(yīng)的監(jiān)控和報警系統(tǒng)[5]，但是對于剎車片溫度的監(jiān)測相對比較少，文獻[6]中提出采用以MAX6577為溫度傳感芯片的汽車剎車片實時溫控系統(tǒng)，而MAX6577溫度測量范圍只有-40～125 ℃，由于剎車片的溫度最高可達600℃以上[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MAX6577的測量范圍。文獻[7]中采用了以接觸式K型熱電偶溫度傳感器的單片機剎車片溫控統(tǒng)由于熱電偶傳感器對安裝位置有嚴(yán)格的要求，補償導(dǎo)線類型選擇和使用也有嚴(yán)格要求[8]，另外該溫控系統(tǒng)需要額外布線。

針對上述存在的問題，設(shè)計了基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測儀，采用非接觸式的高溫紅外電堆為測溫模塊，其優(yōu)點為：(1)紅外熱電堆測量范圍寬，可達-70～1 030 ℃；(2)紅外熱電堆采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝，對安裝位置無嚴(yán)格要求，并且不用考慮現(xiàn)場補償導(dǎo)線的問題；(3)STM32微控制器內(nèi)嵌CAN控制器和標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信協(xié)議，方便與車輛的CAN總線實現(xiàn)通信，無須大范圍額外布線，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體方案設(shè)計

1.1 STM32主控制器模塊

主控芯片采用基于ARM Cortex-M3的32-bit STM32F103ZET6，其主要特點：主頻72 MHz，處理數(shù)據(jù)速度快，并且內(nèi)含大容量的512 kB Flash,可以重復(fù)擦寫至少上萬次，并且?guī)в?個bxCAN控制器和29-bit的CAN 2.0B Active通信協(xié)議，極大方便與車輛現(xiàn)有的CAN總線集成，2個I2C總線，其完全支持SMbus/PMbus總線，8個16位功能強大的定時器，這些定時器使STM332具有定時、信號頻率測量、信號PWM測量、PWM輸出等。STM32F103增強型系列工作電壓只有3.3 V，在同類其他32位微控制器中功耗最低，其所有外設(shè)處于工作狀態(tài)時功耗只有36 mA，待機時下降到僅2 μA。

1.2 測溫模塊

該溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用非接觸式MLX90616紅外熱電堆溫度傳感器。測量范圍-70～1 030 ℃，分辨率0.02 ℃，MLX90616采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝，其工作原理：首先將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號處理器(DSP)，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運算處理后輸出測量結(jié)果并保存在MLX90616內(nèi)部RAM中，可以通過SMBus或PWM 方式供STM32的CPU單元讀取，SMbus與MLX90616電路連接如圖2所示，由于STM32的I2C總線完全支持SMbus總線方式(與SMbus總線兼容的I2C總線如圖3所示)，這里特別注意的是SMbus總線的數(shù)據(jù)傳輸率只有100 Kbit/s，因此必須采用I2C總線100 Kbit/s標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率,而不是常用的400 Kbit/s模式。對于PWM模式，STM32的6個通用定時器和高級定時器都可以方便地調(diào)節(jié)頻率和占空比，容易將通用端口配置為PWM輸出模式。

圖2 SMbus與MLX90616(TO-39封裝)電路連接圖

圖3 兼容SMbus的I2C總線

1.3 CAN總線接口電路模塊設(shè)計

STM32F103ZET6內(nèi)嵌2個bxCAN控制器，具體定義為PB8-CAN-RX、PB9-CAN-TX,它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特率最高可達1 Mbit/s,包含3個發(fā)送郵箱，2個3級深度接受先進先出緩沖區(qū)(FIFO),14個可變位寬的過濾器組，支持時間觸發(fā)通信模式。

CAN總線驅(qū)動器采用TJA1050型號的CAN收發(fā)器，它的RXD和TXD引腳分別連接到STM32的PB8和PB9，它的CANH和CANL引腳外接到排陣上，并且在CANH和CANL之間連接一個120 Ω的終端電阻，這里加終端電阻的目的是防止高頻信號傳輸時，信號波長相對傳輸線較短，信號在傳輸線終端形成反射波，干擾原信號。TJA1050以及雙(主機和從機)CAN通信連接原理圖如圖4所示。

圖4 TJA1050以及雙(主機和從機)CAN通信連接原理圖

1.4 STM32驅(qū)動LCD顯示模塊設(shè)計

LCD液晶顯示模塊的外部接口一般采用并行方式，其并行接口線的讀寫時序常見以下兩種模式：8080通信接口時序模式和6800通信接口時序模式，這里系統(tǒng)采用8080時序模式。 8080通信接口時序可以由STM32使用普通I/O口進行模擬，這也是大多數(shù)單片機常用的方式，但是這樣效率較低，STM32提供了另外一種特別的控制方法—使用FSMC(靜態(tài)存儲控制器)接口，F(xiàn)SMC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 STM32的FSMC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

FSMC可用于STM32控制NOR FLASH、PSRAM和NAND FLASH存儲芯片，這里溫度監(jiān)測系統(tǒng)使用FSMC的NORPSRAM模式模擬8080時序來控制LCD。FSMC控制NOR FLASH使用到的信號線FSMC_CLK時鐘、FSMC_A[25：0]地址總線、FSMC_D[15：0]雙向數(shù)據(jù)總線、FSMC_NE[x]片選、FSMC_NOE輸出使能、FSMC_NEW寫使能、FSMC_NWAIT NOR閃存要求等待的信號。這里8080的CSX功能類似于FSMC_NE[x]，WRX類似于NWR,RDX類似于NOE，D[15:0]類似于FSMC_D[15:0],通過比較上述4類相對應(yīng)的信號線可發(fā)現(xiàn)：FSMC寫NOR時序(圖6所示)與的8080接口寫命令時序(圖7所示)十分相似。

圖6 FSMC寫NOR時序圖(模擬8080時序)

圖7 8080通信接口寫命令時序模式

FSMC提供了所有的LCD顯示器控制信號：FSMC_D[15：0]提供LCD所需的數(shù)據(jù)總線FEMC_NOE連接LCD的RD腳，F(xiàn)EMC_NEW連接LCD的RW腳。FEMC_Ax:用在LCD顯示RAM和寄存器之間進行選擇的地址線，即該線用于選擇LCD的RS腳，該線可用地址線的任意一根線，范圍：FSMC_A[25:0]。

1.5 數(shù)據(jù)存儲SDIO接口設(shè)計

STM32的SDIO接口的有8條數(shù)據(jù)線，這與標(biāo)準(zhǔn)的SDIO有稍許區(qū)別，標(biāo)準(zhǔn)的SDIO接口包含CLK、CMD及4條DAT[3：0]數(shù)據(jù)線。STM32對SD卡讀寫操作電路有兩種連接方式：一種是不帶上拉電阻；一種是帶上拉電阻。當(dāng)采用不帶上拉電阻方式時，STM32的相應(yīng)端口應(yīng)設(shè)置為推挽輸出模式，其優(yōu)點傳輸速度快，缺點是可靠性降低；當(dāng)采用帶上拉電阻方式時，STM32的端口必須設(shè)置為開漏輸出方式，這里設(shè)置上拉電阻的目的是防止總線浮空，產(chǎn)生讀寫誤操作，其優(yōu)點：傳輸?shù)目煽啃愿呷秉c是對傳送速度有一定的限制。這里采用SD卡規(guī)范的協(xié)議——帶上拉電阻的模式，另外使用DMA來實現(xiàn)大吞吐量的數(shù)據(jù)傳送，STM32對MicroSD卡(TF-card)讀寫電路連接如圖8所示。

圖8 STM32讀寫MicroSD卡硬件電路連接圖

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

2.1 STM32主機程序設(shè)計和從機程序設(shè)計

系統(tǒng)程序以STM32固件庫3.5為開發(fā)工具，首先從主機程序設(shè)計開始，STM32控制系統(tǒng)先進行系統(tǒng)初始化操作及配置相應(yīng)的外設(shè)端口，外設(shè)端口配置包括RCC配置、GPIO陪置、NVIC配置、CAN模式配置和CAN過濾器配置。系統(tǒng)初始化和外設(shè)配置完成后，根據(jù)剎車踏板位置傳感器的信號對剎車片的溫度采集，考慮到采樣的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對溫度進行連續(xù)多次采樣，STM32控制系統(tǒng)對采集的溫度值做相應(yīng)處理，以便于通過CAN總線發(fā)送報文到從機。主機的程序流程圖如圖9所示。

從機程序設(shè)計，開始的工作同樣是初始化和外設(shè)端口配置，SysTick初始化、LCD初始化、SDIO初始化、GPIO配置、CAN模式配置、FSMC模式配置，上述準(zhǔn)備工作完成后，從機開始接受CAN總線網(wǎng)絡(luò)由主機發(fā)送的報文，然后解碼還原數(shù)據(jù)。一方面判斷溫度值是否開啟溫度超限報警，另一方面通過LCD顯示當(dāng)前剎車片的溫度值，此外還可以將溫度數(shù)據(jù)進行存儲，從機程序流程圖如圖10所示。

3 結(jié)束語

文中采用了模塊化的設(shè)計思路，利用STM32F103ZET6控制芯片和紅外熱電堆傳感器，以車輛CAN總線為通信手段，完成了剎車系統(tǒng)溫度采集模塊，溫度超限報警模塊，溫度數(shù)據(jù)的LCD顯示模塊和SD卡存儲模塊的設(shè)計。此外系統(tǒng)采用的STM32嵌入式微控制器功能強大，集成度高；紅外熱電堆傳感器測量范圍廣，現(xiàn)場安裝靈活、測量方便，檢測和補償電路通用性強。該溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于家庭車輛、大中型客車以及重載貨車，特別是在急速剎車或者在大長坡路段連續(xù)剎車的情況，有效的保障車輛行駛安全和道路交通安全。

圖9 主機程序執(zhí)行流程圖

圖10 從機程序執(zhí)行流程圖

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Brake Temperature Monitoring System of Vehicles Based on STM32

CHAO Mian-shun,HUANG Jun-ge

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China )

According to the most vehicles in the process of braking with high speed,the fabrication always led to increasing of the temperature and the failure of the brake block with heat prostration，thus leading to the brake system failure or tire initiation fire. This paper proposed a brake temperature monitoring system of vehicles based on STM32. With the embedded STM32 as the control core ,by means of the infrared thermopile temperature measurement module,the system employed the CAN bus of the vehicles to finish the communication between the host and slave machine. The system can not only collect,process and send data timely and accurately,but also display and store data,and triggers an alarm.

STM32;brake system;temperature monitoring;CAN bus

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目(1212011120196)

2014-12-15 收修改稿日期:2015-06-29

TP216

A

1002-1841(2015)09-0035-03

晁綿順(1988—)碩士研究生，主要研究方向為智能檢測與控制，嵌入式儀表技術(shù)。E-mail:835427598@qq.com 黃俊革(1966—)博士，教授，主要研究方向為信號采集與數(shù)值模擬技術(shù)，智能檢測與控制技術(shù)。 E-mail：dragondragon1111@163.com