尹永福

（煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院車輛運用工程系，山東煙臺 265500）

隨著社會經(jīng)濟和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場對汽車舒適性、安全性等性能的要求不斷提高，空調(diào)作為影響車輛駕乘舒適性的一項重要構(gòu)成，成為汽車制造商和市場消費者的關(guān)注重點，而汽車空調(diào)則以空調(diào)控制器作為核心，因此對在汽車上普遍應(yīng)用的空調(diào)控制器質(zhì)量提出了更高的要求，在出廠前需對空調(diào)控制器基本功能進行檢測，傳統(tǒng)以人工為主的檢測方式存在流程復(fù)雜、效率低、可靠性低等不足，促使汽車空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)成為研究熱點之一，改進和完善檢測系統(tǒng)的檢測效果成為提升汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的有效手段。為有效滿足汽車駕乘人員不斷提高舒適度的需求，文中完成了一種空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)設(shè)計方案的構(gòu)建，以期有效提高空調(diào)控制器的控制效果。

1 汽車空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1 設(shè)計需求分析

在節(jié)能環(huán)保的大背景下，對汽車行業(yè)發(fā)展提出了更高的要求，新能源汽車逐漸成為行業(yè)發(fā)展的主流方向，作為汽車基礎(chǔ)配置之一的車載空調(diào)系統(tǒng)可使車內(nèi)人員的乘坐舒適度得到顯著提高，但電動汽車空調(diào)同傳統(tǒng)空調(diào)間存在一定的差異，這就為汽車空調(diào)的檢測與維修帶來了新的挑戰(zhàn)。功能較復(fù)雜的電子式汽車空調(diào)控制器在整個生產(chǎn)制造過程中，為保證最終出廠產(chǎn)品的零故障、高品質(zhì)，通常必須經(jīng)過多次功能檢測才可出廠投入使用[1]?？照{(diào)控制器功能的檢測大多使用工控機完成，此種方式具有明顯的控制復(fù)雜度高及成本高的不足，尤其是在同一生產(chǎn)線上的多道生產(chǎn)工序均需使用檢測設(shè)備的情況下，檢測費用會帶來較大的經(jīng)濟負擔。通過使用科學(xué)高效的空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)，可確?？刂破髻|(zhì)量，進而有效提高空調(diào)的耐用性，同時簡化后續(xù)的檢測維護工作，幫助工人準確找出故障原因。為此，該文完成了一種操作較為簡便的基于單片機的檢測系統(tǒng)的設(shè)計，在實際檢測過程中，結(jié)合運用串口和LIN 總線完成同空調(diào)控制器間的有效通信過程，空調(diào)控制器以檢測系統(tǒng)發(fā)出的命令為依據(jù)，運行測試代碼并執(zhí)行相應(yīng)的輸出，檢測系統(tǒng)據(jù)此完成對其功能的判斷，提高檢測質(zhì)量效率的同時降低了檢測成本，對于部分現(xiàn)階段難以實現(xiàn)全程自動檢測的復(fù)雜項目，系統(tǒng)會提示操作人員結(jié)合運用人工檢測方法完成。通過該系統(tǒng)可使漏檢、錯檢問題得以有效避免[2]。

1.2 設(shè)計原理

該文采用主從式設(shè)計方式對檢測系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)控制器的功能檢測以及參數(shù)配置，主機即上位機對應(yīng)檢測系統(tǒng)，從機則對應(yīng)控制器，上位機的單片機I/O 口和從機的單片機I/O 口相連，從而實現(xiàn)串行通信功能。從機根據(jù)接收到的來自上位機的發(fā)送命令執(zhí)行相應(yīng)的動作，再向上位機傳送相應(yīng)的信號和通信內(nèi)容，由上位機完成對空調(diào)控制器對應(yīng)功能優(yōu)劣的判斷[3]。在實際檢測過程中，需將一段控制啟動運行時間的測試代碼嵌入到空調(diào)控制器中，僅在控制器接入到檢測系統(tǒng)的情況下啟動，避免對正常工作下的空調(diào)控制器產(chǎn)生影響。并且在控制器線路板上的單片機中預(yù)留2 個通信接口（即I/O 口）。圖1為檢測系統(tǒng)的原理示意圖，系統(tǒng)檢測到啟動按鍵被觸發(fā)后，先將檢測系統(tǒng)檢測端子通過驅(qū)動氣動夾具連接空調(diào)控制器線束端子，并將夾具上的頂針接到上述預(yù)留的I/O 口，完成檢測系統(tǒng)同空調(diào)控制器間通信接口的連接。檢測時空調(diào)控制器由檢測系統(tǒng)供電后，在系統(tǒng)持續(xù)輸出的200 ms 的低電平的作用下，若檢測到空調(diào)控制器數(shù)據(jù)接收端口在此段時間內(nèi)的低電平持續(xù)超過100 ms，則運行檢測程序，由LED 顯示模塊負責(zé)對系統(tǒng)的測試步驟和最終測試結(jié)果進行顯示，檢測到問題或故障后通過蜂鳴器發(fā)出報警信息，考慮到檢測系統(tǒng)難以自動檢測控制器中的背光燈和功能燈，通過添加OK 和NG 按鍵，結(jié)合運用人工方式完成檢測過程[4-5]。

圖1 檢測系統(tǒng)原理示意圖

1.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計

傳統(tǒng)空調(diào)控制器的測試方法需測試員將命令發(fā)送給空調(diào)控制器（使用測試臺架完成），壓縮機和外界溫度使用風(fēng)機和旋鈕電位器進行模擬，以空調(diào)運行狀態(tài)作為判斷依據(jù)，得出測試結(jié)果。該文設(shè)計的空調(diào)控制器自動化檢測系統(tǒng)裝置集合了參數(shù)設(shè)置、信號檢測、數(shù)據(jù)通信、獲取和展示產(chǎn)品判斷結(jié)果等多項功能，實現(xiàn)了對空調(diào)傳感器參數(shù)的自主設(shè)置以及數(shù)據(jù)信號的自動分析處理過程[6-7]。該空調(diào)控制器功能檢測系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1）實現(xiàn)了自動化的檢測過程，使用上位機實現(xiàn)了對控制器的自動化檢測和控制，無需在各系統(tǒng)中對參數(shù)進行設(shè)置，將檢測人員從大量的工作中解脫出來，并有效避免了人為誤操作問題的產(chǎn)生，提高了檢測質(zhì)量和效率，有效節(jié)約了人力物力的成本。在執(zhí)行檢測過程中嚴格按照相關(guān)規(guī)范或規(guī)定進行，從而得到更加客觀準確的檢測結(jié)果。2）實現(xiàn)了對空調(diào)裝置檢測結(jié)果的數(shù)字化管理和使用，在數(shù)據(jù)庫中保存檢測結(jié)果以供后續(xù)查詢、分析、打印數(shù)據(jù)時使用。3）采用自動檢測方式使產(chǎn)品的功能驗證與測試時間得以明顯縮短，加快產(chǎn)品出廠的進程[8-9]。

該文檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示，主要由檢測模塊、通信模塊和上位機構(gòu)成，數(shù)字電位器檢測模塊的主控芯片選用了性價比較高的微處理器STM32F103（意法半導(dǎo)體公司），包含豐富的IO口，能夠完成對空調(diào)控制器的多路使能信號實時準確接收，將傳統(tǒng)手動調(diào)整的旋鈕電位器采用數(shù)字電位器代替，顯著提高檢測過程的自動化水平；通信模塊主要負責(zé)完成同PC 上位機的串口通信過程，具體選用了CH340G 芯片，并整合了串口電路；上位機內(nèi)置眾多控件，上位機軟件使用可從網(wǎng)上直接下載的C# 語言進行編寫，顯著降低了編程難度，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)和使用成本。PC 機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)任務(wù)后，向應(yīng)用網(wǎng)關(guān)發(fā)送讀取控制參數(shù)的命令，并由其完成命令到LIN 診斷協(xié)議的轉(zhuǎn)換，再向LIN 總線傳送，將相應(yīng)的控制參數(shù)向診斷禎中傳送，完成診斷后傳送至PC 機，從而完成對控制器性能參數(shù)的檢測過程。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控芯片設(shè)計

主控芯片選用了微處理器STM32F103，具有高性能、高性價比、拓展性較好等優(yōu)勢，主要由相應(yīng)功能的電路（包括復(fù)位、晶振、去耦、降壓等）、數(shù)字電位器和IO 接口構(gòu)成，數(shù)字電位器負責(zé)對控制器相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，IO 接口主要負責(zé)接收信號。STM32F103 芯片中包含48 個引腳，除了滿足最小系統(tǒng)的電路使用需求以外，還能夠完成對ECU 使能信號及時準確地接收，可有效滿足空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)的使用需求[10]。

2.2 微處理器的選擇及通信接口設(shè)計

該文采用PIC 單片機（型號為16F1947）作為微處理器，該單片機包含豐富的硬件資源，包括flash 程序存儲器、豐富的I/O 口（共54 個）、1 路D/A 通道以及17 路A/D 通道等，能夠為自動化檢測系統(tǒng)提供有力支撐。為節(jié)省控制器單片機的串口資源，由單片機的2 個I/O 口負責(zé)完成檢測系統(tǒng)同空調(diào)控制器間的串行通信過程，2 個I/O 口分別作為數(shù)據(jù)接收端口和數(shù)據(jù)發(fā)送端口。由于對溫度參數(shù)的設(shè)置、檢測模塊的控制等功能均需PC 上位機完成，在控制器數(shù)據(jù)接收端口設(shè)置了弱上拉部件，以確保通信口的低電平信號能夠被上電后的空調(diào)控制器及時準確地檢測到，進而及時開啟檢測程序。圖3 為所采用的串行通信信號定義方式，通信端口的高、低電平均持續(xù)2 ms 時的信號對應(yīng)數(shù)字“1”，高、低電平均持續(xù)1 ms時的信號對應(yīng)數(shù)字“0”[11-12]。

圖3 串口通訊信號定義

2.3 電壓信號與PWM信號的檢測

空調(diào)控制器輸出幅值為5 V，控制器輸出的電壓信號包含0 V 和+12 V 兩種狀態(tài)，這些電壓信號主要負責(zé)對壓縮機、模式/混合/內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門電機的運動進行驅(qū)動，電壓信號需先通過分壓回路轉(zhuǎn)換為單片機可檢測的信號；混合以及溫度風(fēng)門反饋端在+5 V電壓下工作，由空調(diào)控制器輸出，只需調(diào)整相應(yīng)電阻的阻值大小即可完成對該部分電壓信號的檢測。PWM 信號（頻率為400 Hz，占空比變化范圍為0%～100%）負責(zé)對鼓風(fēng)機進行驅(qū)動，通過單片機捕獲單元的使用完成對PWM 信號的檢測，包括對信號頻率和周期的測定[13]。

2.4 電壓信號的輸出

根據(jù)幅值變化范圍，空調(diào)控制器接收到由檢測系統(tǒng)輸入的電壓信號主要包括0～+5 V（主要由溫度風(fēng)門和模式風(fēng)門2 部分位置反饋電壓構(gòu)成）和0～+12 V（主要由鼓風(fēng)機負端反饋電壓構(gòu)成）兩種電壓信號，考慮到檢測系統(tǒng)所使用的單片機的D/A 轉(zhuǎn)換口僅有一個，因此使用74HC4051（一種模擬開關(guān)芯片）對D/A 輸出通道進行擴展，以實現(xiàn)3 路電壓輸出的有效獲取。單片機D/A 口的電壓輸出最大值為5 V，通過比例放大電路獲取到12 V 電壓?？照{(diào)控制器的電源開關(guān)通過檢測系統(tǒng)驅(qū)動2 個繼電器線圈完成，并使用氣動換向閥線圈控制氣動夾具[14]。

2.5 數(shù)字電位器設(shè)計

傳統(tǒng)人工檢測裝置在檢測過程中，將空調(diào)控制器所接的溫敏電阻通過使用旋鈕電位器調(diào)整電阻進行模擬，該文系統(tǒng)裝置采用數(shù)字電位器負責(zé)完成參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)了自動化檢測功能，數(shù)字電位器芯片選用了滿量程為10 kΩ的x9c103，在0～10 kΩ間滑動共100 級，由3～5 V 電壓供電，滑動變阻器的低端對應(yīng)電位器VL 端口、高端對應(yīng)VH 端口，允許輸入-5～5 V的電壓，電位器VW 端的滑動過程通過x9c103 的輸入端口（即INC、U/D、CS）的升降沿組合高低電平實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 上位機程序

在PC 端安裝上位機測試系統(tǒng)軟件，同檢測模塊進行通信（通過串口）、向其發(fā)送查詢和控制命令，檢測模塊根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)操作，結(jié)合控制器的運行狀態(tài)得出最終測試結(jié)果。該文從常用的上位機開發(fā)軟件中選用了易于操作且經(jīng)濟適用的C#開發(fā)語言，并采用Visual Studio 作為開發(fā)環(huán)境，上位機軟件使用.NET 的窗體應(yīng)用程序完成設(shè)計，借助Visual Studio 提供的大量可供選擇的控件，開發(fā)人員僅需掌握這些控件的基本功能，即可便捷高效地應(yīng)用到系統(tǒng)開發(fā)過程中。combobox、TextBox、Label、Button、groupbox 等控件是Winform 應(yīng)用程序的主要常見控件，多線程編程通過Thread 實現(xiàn)，控制器同單片機間使用Serial Port 控件完成串口通信過程；使用功能強大的Serial Port 控件提供的串口數(shù)據(jù)收發(fā)方法，有效提高通信的速度、實時性及準確性。測試軟件包括3 個功能模塊：1）溫度模塊，負責(zé)將溫度指令發(fā)送至檢測模塊；2）串口模塊，提供串口名稱、波特率參數(shù)等串口配置，為用戶提供多種串口選擇；3）結(jié)果模塊，結(jié)合溫度模塊的參數(shù)設(shè)置及空調(diào)ECU 返回的執(zhí)行情況完成對產(chǎn)品功能的判斷[15]。

3.2 單片機程序設(shè)計

對單片機程序進行設(shè)計時，集成開發(fā)環(huán)境和開發(fā)語言分別采用了keil5 和C 語言，單片機工作流程如圖4 所示。

圖4 單片機工作流程

3.3 底層軟件LIN總線診斷功能

作為一種串行通信協(xié)議，LIN（Local Interconnect Network）可有效滿足汽車分布式機械電子節(jié)點的控制需求，適用于A 類多點總線（包含單主機節(jié)點和一組從機節(jié)點），檢測系統(tǒng)使用到的LIN 診斷功能中的功能函數(shù)主要包括：1）ReadEcuIdentification 函數(shù)，用于從ECU 獲取包括軟、硬件版本等在內(nèi)的相關(guān)標識信息，讀取空調(diào)控制器軟件版本時，通過LIN 總線診斷禎發(fā)送如62 02 1A 86 FF FF FF FF 的命令，1A 表示讀取版本功能，62 表示ID 信息（下同），02 表示含有2 個有效字節(jié)，86 表示讀取的版本信息；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)收到62 04 5A 02 04 01 FF FF 的診斷反饋信息，5A對應(yīng)1A 的反饋信息，04 表示含有4 個有效字節(jié)，02、04 和01 分別表示硬件、軟件和測試版本。2）Read DataByLocalId 函數(shù)，用于獲取ECU 中的輸入/輸出控制參數(shù)，如讀取蒸發(fā)器傳感器的溫度值時，可發(fā)送62 02 21 52 FF FF FF FF 命令，21 表示讀取控制參數(shù)功能，02 表示有效字節(jié)數(shù)，52 表示傳感器代碼；反饋信 息為62 03 61 52 30 FF FF FF，61 對 應(yīng)21 的 反饋信息，03 表示有效字節(jié)數(shù)，30 表示蒸發(fā)器溫度值。3）InputOutputControlByLocalId 函數(shù)，幫助用戶設(shè)定ECU 輸入/輸出的相應(yīng)控制參數(shù)，用于設(shè)置空調(diào)控制器的輸出參量，如強制鼓風(fēng)機輸出8 級風(fēng)，發(fā)送62 03 30 55 08 FF FF FF 命令，30 表示強制功能函數(shù)，55和08 分別表示鼓風(fēng)機代碼和輸出8 級風(fēng)；反饋信息為62 03 70 55 08 FF FF FF，70對應(yīng)30的反饋信息[16]。

3.4 系統(tǒng)測試

為了測試該文檢測系統(tǒng)的有效性，以溫度參數(shù)為例，檢驗系統(tǒng)檢測結(jié)果與空調(diào)控制器實際情況是否一致，結(jié)果表明系統(tǒng)獲得的溫度檢測結(jié)果同設(shè)置參數(shù)一致，說明系統(tǒng)上位機實現(xiàn)了同空調(diào)控制器間的有效通信過程，檢測界面如圖5 所示，采用基于C# 的上位機檢測裝置顯著提高了檢測過程的自動化水平，有效彌補了人工手動逐步調(diào)控設(shè)置參數(shù)及獲取檢測結(jié)果存在的不足。

圖5 檢測界面工作圖

4 結(jié)束語

新能源電動汽車已成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢，空調(diào)系統(tǒng)在提升現(xiàn)代汽車的舒適性方面發(fā)揮著重要作用，該文根據(jù)汽車空調(diào)控制器的硬件結(jié)構(gòu)和實際功能檢測需求，設(shè)計一款空調(diào)控制器檢測系統(tǒng)，使工作人員從繁瑣重復(fù)的機械化操作中解放出來，并且嚴格按照操作工藝書執(zhí)行檢測過程，結(jié)合運用人工檢測方式有效提高了空調(diào)控制器的檢測質(zhì)

量和效率，使產(chǎn)品功能漏檢、錯檢問題得以有效避免，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低檢測成本，進而提高產(chǎn)品的市場競爭力。