包佳東，韓 強(qiáng)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

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

CAN總線能夠進(jìn)行分布式控制，并且實(shí)時監(jiān)控串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，糾錯能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。通過PC與多個MCU形成分布式控制，并基于CAN總線報文收發(fā)、各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，設(shè)計了搖窗電機(jī)綜合測試方案，以系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)設(shè)計了滿足數(shù)據(jù)同步采集和實(shí)時傳輸?shù)耐ㄓ嵖刂品桨?，制定了適宜的CAN總線應(yīng)用層通訊協(xié)議，提高了搖窗電機(jī)測試的可操作性和可靠性，得以實(shí)現(xiàn)PC對多臺搖窗電機(jī)進(jìn)行測試。

1 系統(tǒng)測控方案

搖窗電機(jī)綜合測試系統(tǒng)采用分布式控制，通過CAN總線，PC對多個搖窗電機(jī)測試控制機(jī)箱進(jìn)行集中管理和控制。每個嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)1臺搖窗電機(jī)測試，其系統(tǒng)組成如圖1所示，由PC，恒溫箱、嵌入式測控單元、搖窗電機(jī)電源、搖窗電機(jī)、各類傳感器、負(fù)載電機(jī)、負(fù)載驅(qū)動器、正反轉(zhuǎn)控制模塊等組成，通過在CAN總線上并聯(lián)相同的嵌入式系統(tǒng)建立多個節(jié)點(diǎn)。

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

測試過程中，需要檢測電流、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、絕對式光電編碼器、扭矩傳感器、霍爾非接觸式開關(guān)等。

搖窗電機(jī)綜合測試系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)以STM32F103 ZET6作為主控芯片，該芯片為基于ARM 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、高速計數(shù)模塊、外部存儲模塊等組成。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)對測試電機(jī)電流、電壓數(shù)據(jù)采集。DI模塊用來接收固定位置的霍爾行程開關(guān)信號。DO模塊用于控制正反轉(zhuǎn)控制模塊的信號通斷，實(shí)現(xiàn)對搖窗電機(jī)正反轉(zhuǎn)的隔離控制。SSI采集模塊通過將絕對編碼器（角度傳感器）的串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。RS232模塊負(fù)責(zé)與負(fù)載驅(qū)動器通訊，繼而控制負(fù)載大小。高速計數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)對扭矩傳感器周期性電平信號的高速響應(yīng)來采集扭矩值。外部存儲模塊用以存儲操作參數(shù)。

PC通過CAN接口卡連在CAN總線上，CAN接口卡采用研華的PCI-1680U。PCI-1680U能通過自動重發(fā)功能實(shí)現(xiàn)總線仲裁和差錯檢測功能，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)際測試中，有些測試項(xiàng)目需要穩(wěn)定的實(shí)時性，在保證CAN高速通信速率上，需要CAN模塊并聯(lián)120 Ω的終端電阻來作為阻抗匹配，以減少回波反射[4]，如圖3所示。

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

通過以上設(shè)計，使各個搖窗電機(jī)測試單元能夠獨(dú)立地進(jìn)行測試試驗(yàn)，一般來說搖窗電機(jī)耐久試驗(yàn)占用時間長。因此，該測試系統(tǒng)當(dāng)有若干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耐久試驗(yàn)的時候，剩下空閑節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行諸如機(jī)械特性、起動性能、齒間隙等試驗(yàn)。

2 測控同步性

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

某搖窗電機(jī)測試系統(tǒng)需要對6臺搖窗電機(jī)進(jìn)行同步測試，采樣率最高達(dá)50 Hz，由于每次采樣需要2幀數(shù)據(jù)，即每個節(jié)點(diǎn)每秒需要傳輸100幀數(shù)據(jù)。2幀允許的時間間隔可以通過式（1）計算得到，經(jīng)過計算理論上2幀允許時間約為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)。

對于長20 m，截面積0.25～0.34 mm2的導(dǎo)線，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)域長度。當(dāng)N=8時，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個隱性位，并在考慮位填充和存在錯誤幀的情況下，位填充最多21 b，錯誤幀最多12 b。傳輸1幀所需的最大時間為[7]

通過上述計算可知，2幀傳輸需要的最大時間間隔為576 μs，小于允許時間間隔1.6 ms，能夠滿足實(shí)時要求。由于CAN總線通信按優(yōu)先級進(jìn)行仲裁，即仲裁場ID越小的節(jié)點(diǎn)，越優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的只能在總線空閑的情況下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證每個節(jié)點(diǎn)都能有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會，當(dāng)個節(jié)點(diǎn)回應(yīng)主站數(shù)據(jù)的時候，所占用的時間不得超過發(fā)送最大時間的2倍即1.2 ms。

3 系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議

CAN總線規(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)綜合測試系統(tǒng)在應(yīng)用過程中需要為此制定對應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議。

對應(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讀取被測參數(shù)信息；④測試模式選擇；⑤節(jié)點(diǎn)故障監(jiān)控。其中，整個搖窗電機(jī)測試系統(tǒng)有6個節(jié)點(diǎn)，因此每個節(jié)點(diǎn)都需要1個固定的地址，而為了代碼操作的高效，分別將ID2—ID7置位來對應(yīng)每個節(jié)點(diǎn)的地址，從站通過ID1的清零和置位用于區(qū)分對主站寫回應(yīng)幀、讀回應(yīng)幀，并以通過ID0的清零和置位來區(qū)分節(jié)點(diǎn)讀回應(yīng)幀的第1幀和第2幀，ID標(biāo)識分配見表1。

表1 ID標(biāo)識符分配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/測試模式，寄存器對應(yīng)DO和RS232模塊，范圍在0x01—0x02；測試模式對應(yīng)機(jī)械特性、起動性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動、轉(zhuǎn)速同步性、耐久性等試驗(yàn)，范圍在0x03—0x09。第4字節(jié)操作碼對寄存器/測試模式使能、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，需要使用RS232模塊，由于負(fù)載的設(shè)置是通過RS232模塊對負(fù)載驅(qū)動器發(fā)送協(xié)議指令來控制負(fù)載電機(jī)的驅(qū)動電流大小。PC通過檢測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，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16位short類型，以范圍-1500～1500來表達(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。

主站對從站發(fā)送0x06的寫協(xié)議，從站（ID1置位）通過數(shù)據(jù)域第1字節(jié)對消息進(jìn)行回復(fù)，分別為操作成功、功能碼錯誤、寄存器/測試模式錯誤、操作碼錯誤、配置參數(shù)錯誤、響應(yīng)失敗、禁止操作等。

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

表3 從站寫回應(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芯片開發(fā)的嵌入式子系統(tǒng)，下位機(jī)程序采用C語言進(jìn)行編程，由主程序、定時程序、AD采集程序、高速計數(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)計方面，采用模塊化設(shè)計，將應(yīng)用程序劃分多個子任務(wù)[9]，使從站節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)具有互換性，各個模塊相對獨(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)利用窗口看門狗進(jìn)行自動復(fù)位，不過初始化操作會造成數(shù)據(jù)丟失，則需要利用EPPROM對操作數(shù)據(jù)存儲和讀取[10]。主站只需發(fā)送0x03類指令，即可實(shí)現(xiàn)對從站各個模塊的控制，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，PC調(diào)用PCI-1680U通信卡提供的接口函數(shù)來進(jìn)行打開或關(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臺從站測試子系統(tǒng)，程序內(nèi)容包括：測試模式的流程控制，操作變量的編輯，參數(shù)配置文件的存儲和讀取，每臺搖窗電機(jī)測試參數(shù)的實(shí)時查看，測試參數(shù)的周期性存儲，等。圖中，進(jìn)度條用于模擬搖窗電機(jī)的升窗、降窗過程；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

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

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