汪洋+武明虎

摘 要： 汽車上電氣系統(tǒng)環(huán)境異常復(fù)雜，電子設(shè)備的性能好壞關(guān)系到汽車駕駛的安全，出廠前必須經(jīng)過嚴格的測試。通過研究ISO16750?2標(biāo)準及各大生產(chǎn)商的要求，為各種汽車電子設(shè)備的測試工作設(shè)計了一套電氣負荷測試系統(tǒng)，設(shè)計的系統(tǒng)以STM32為主控制器，集成DDS模塊，可以提供過電壓、疊加交流電壓、電壓緩升緩降、啟動特性以及反向電壓等測試項目。系統(tǒng)具有測試類項目多、精度高、抗干擾能力強和拓展方便等特點。

關(guān)鍵詞： STM32； ISO16750?2； DDS； 電氣負荷

中圖分類號： TN02?34； U467.4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0144?06

Design of STM32?based electrical load test system of automobile electronic equipment

WANG Yang， WU Minghu

（Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： The environment of automobile electrical system is extremely complex， and the performance of automobile electronic equipments relates to the driving safety of motorists. Therefore， the electronic equipments must be rigorously tested before leaving their factories. By studying ISO16750?2 standard and requirements of the major manufacturers， an electrical load test system was designed for a variety of automobile electronic equipments′ testing. The designed system integrated with DDS module and taken STM32 as its main controller can provide several test items such as overvoltage， alternating voltage superimposition， slow descent and boost voltage， starting voltage， and reverse voltage. This system has features of multi?project test， high precision， strong anti?interference capability and convenient expansion.

Keywords： STM32； ISO16750?2； DDS； electrical load

0 引 言

汽車工業(yè)的快速發(fā)展帶動了與之相關(guān)眾多行業(yè)的發(fā)展，隨著汽車電子的發(fā)展，汽車上的電氣化和信息化程度越來越高，汽車上的電子設(shè)備也越來越多，汽車上的電子設(shè)備供電系統(tǒng)由發(fā)電機和蓄電池構(gòu)成，由于各個設(shè)備自身固有的特性，設(shè)備在工作時會影響供電系統(tǒng)中其他電子設(shè)備的供電質(zhì)量，如線路上電壓變化，電子設(shè)備的故障問題都會影響其他汽車電子設(shè)備的正常供電，輕則導(dǎo)致設(shè)備工作不正常，重則會出現(xiàn)安全問題。

如何考查汽車電子設(shè)備在正常條件或可預(yù)見的非正常條件下的工作能力，汽車行業(yè)和世界各大汽車生產(chǎn)商對此制定了嚴格的標(biāo)準，國際標(biāo)準ISO16750?2中對汽車電子設(shè)備的各種非正常條件規(guī)定了嚴酷等級，我國發(fā)布的GB/T 28046.2也對此做了詳細的要求。本文在認真研究ISO16750?2標(biāo)準和調(diào)研多個汽車電子設(shè)備生產(chǎn)商的實際需求后，設(shè)計了一套電子設(shè)備電氣負荷測試系統(tǒng)。本測試系統(tǒng)是依據(jù)ISO16750?2標(biāo)準設(shè)計的，并兼容GB/T 28046.2標(biāo)準，可以提供過電壓測試、疊加交流電壓、供應(yīng)電壓緩升緩降測試、電壓中斷測試、啟動特性測試以及反向電壓測試等十余項測試項目，這些測試項目都是讓電子設(shè)備工作在可預(yù)見的非正常條件下，測試電子設(shè)備的功能是否正常，區(qū)分其嚴酷等級。

1 ISO16750?2標(biāo)準分析

本測試系統(tǒng)在認真研究ISO16750?2標(biāo)準后[1]，根據(jù)標(biāo)準中的每一項測試標(biāo)準，在詳細分析要求后，提出相應(yīng)的設(shè)計方案，最后對所有的設(shè)計方案綜合考慮，設(shè)計出本測試系統(tǒng)。在介紹本系統(tǒng)的設(shè)計方案之前，需要簡要介紹ISO16750?2標(biāo)準的內(nèi)容，并認真剖析其中的難點和關(guān)鍵點。下面將對ISO16750?2標(biāo)準中典型的12 V/24 V系統(tǒng)的電氣負載測試實驗進行詳細分析，隨后介紹本文提出的設(shè)計方案。

最新發(fā)布的《道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗第2部分：電氣負荷》即ISO16750?2標(biāo)準中描述了安裝在車輛上電子設(shè)備可能遇到的電氣環(huán)境，并且規(guī)定了試驗和要求，主要的測試項目分為直流供電電壓測試、過電壓測試、疊加交流電壓測試、供電電壓緩升緩降測試、電壓中斷測試、啟動特性測試和反向電壓測試等。

1.1 直流供電電壓測試

直流供電測試是簡單的測試項目，該測試項的目的是檢驗測試設(shè)備在最高和最低供電電壓范圍內(nèi)的功能，測試過程是調(diào)節(jié)待測電子設(shè)備的工作電壓在最大值和最小值之間變化時，測試電子設(shè)備的功能是否正常，標(biāo)準中沒有說明電壓的變化規(guī)律，實際測試中可以在給定的范圍內(nèi)按梯度選定電壓值，分別測試該供電電壓下的電子設(shè)備功能是否正常，表1給出了12 V/24 V系統(tǒng)的測試電壓最小值和最大值。endprint

1.2 過電壓測試

過電壓測試項目分為指定溫度下測試和常溫下測試。在指定溫度下的測試是為了模擬發(fā)電機調(diào)節(jié)器失效引起的發(fā)電機輸出電壓上升到高于正常電壓，電子設(shè)備的承受能力，測試過程是對于12 V系統(tǒng)，向待測電子設(shè)備電源輸入端輸入18 V的電壓，并持續(xù)（60±0.1） min；對于24 V系統(tǒng)，則輸入36 V，持續(xù)（60±0.1） min，隨后恢復(fù)正常供電測試其功能是否正常。在室溫下的測試是為了模擬輔助啟動過程，測試過程是向12 V系統(tǒng)的待測電子設(shè)備電源輸入端輸入24 V的電壓，并持續(xù)（60±0.1） min，同樣也是隨后恢復(fù)正常供電，測試其功能是否正常；對于24 V的電子設(shè)備，標(biāo)準上沒有要求。

1.3 疊加交流電壓測試

在汽車正常運行時，蓄電池和發(fā)電機是并聯(lián)的，它們同時向汽車上各種電子設(shè)備供電，在該過程中發(fā)電機的主要作用在于向蓄電池充電，其輸出帶有交流紋波分量，并且大功率的音頻設(shè)備在工作時也會給并聯(lián)的設(shè)備帶來交流電壓分量，這些疊加的電壓波形在大多數(shù)情況下為正弦波，疊加交流電壓試驗是模擬待測電子設(shè)備在該供電環(huán)境下對供電電路中的紋波電壓的承受能力。ISO16750?2中疊加交流測試的主要參數(shù)如表2所示。

測試過程是直流供電電壓中的疊加正弦交流電壓信號，如圖1所示，正弦信號的幅值按表2中的不同嚴酷等級選擇不同的幅值，正弦電壓信號的頻率從50 Hz線性增加到20 kHz，然后線性減小到50 Hz，持續(xù)時間為120 s，如圖2所示，此過程為一個周期，持續(xù)5個周期，在此過程中測試待測電子設(shè)備的功能，區(qū)分出嚴酷等級。

1.4 供電電壓的緩降和緩升測試

本項目的測試目的是模擬蓄電池逐漸放電和充電過程。測試過程是將待測電子設(shè)備的供電電壓以（0.5±0.1） V/min速率由降到0 V，然后從0 V升到如圖3所示，同時測試待測電子設(shè)備的功能，區(qū)分其嚴酷等級。

1.5 供電電壓中斷測試

供電電壓中斷測試分為兩個子項目，每個子項目的測試目的不同。

1.5.1 供電電壓的瞬間下降

本測試子項目是模擬汽車正常供電系統(tǒng)中某個常規(guī)熔斷器元件熔化時對該待測電子設(shè)備造成的影響。測試過程將試驗脈沖（見圖4和圖5）同時加到待測電子設(shè)備的電源輸入端，上升和下降時間≤10 ms。

1.5.2 電壓驟降的復(fù)位性能

本測試子項目是檢驗對不同的電壓驟降時待測電子設(shè)備的復(fù)位性能，適用于具有復(fù)位功能的設(shè)備（例如，裝有一個或多個微控制器的設(shè)備）。測試過程按圖6在待測電子設(shè)備的電源端施加試驗電壓脈沖，檢查待測電子設(shè)備的復(fù)位性能。供電電壓以5%的速率從降到0.95保持5 s，再上升到至少保持10 s并進行功能試驗。然后將電壓降至0.9保持5 s再上升到如此反復(fù)。按圖6所示，以的5%梯度繼續(xù)進行直到降到0 V，然后再將電壓升到在不同的電壓供電時間段內(nèi)測試待測電子設(shè)備的性能，區(qū)分其嚴酷等級。

1.6 啟動特性測試

本測試項目是模擬汽車在啟動時電子設(shè)備在該供電環(huán)境下的性能。在一般情況下，汽車啟動過程是由蓄電池向啟動電機供電，啟動電機發(fā)動汽車引擎，由于啟動電機具有時間短、電流大和發(fā)動機機件阻力較大的特點，加上蓄電池的物理特性，會造成供電電壓在很短的時間內(nèi)明顯下降，啟動過程中，汽車供電系統(tǒng)中電壓變化較復(fù)雜，電壓變化的波形如圖7所示，各個參數(shù)值如表3所示[2]。

1.7 反向電壓測試

測試目的是檢測當(dāng)使用輔助起動裝置時待測電子設(shè)備對蓄電池反向連接的抵御能力，測試過程時選擇適合的反向電壓施加到待測電子設(shè)備電源端子上，持續(xù)一段時間，恢復(fù)正常供電，測試待測電子設(shè)備的性能。

2 系統(tǒng)方案實現(xiàn)

在分析ISO16750?2標(biāo)準的各項測試要求和參數(shù)后，根據(jù)測試項目的內(nèi)容設(shè)計本電氣負荷測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)的工作流程是主控制器接收到上位機的控制指令，通過控制內(nèi)部器件，最終在輸出端輸出幾種測試項目中要求的幾種電壓。系統(tǒng)主要由主控制器、程控電源、DDS模塊、功率放大模塊和繼電器模塊組成，本文設(shè)計的測試系統(tǒng)配合相對應(yīng)的上位機軟件和信號采集裝置即可完成對汽車電子設(shè)備的電氣負荷測試，圖8是系統(tǒng)的框圖，其中虛線框是本文設(shè)計的部分，后文將詳細敘述幾個模塊的設(shè)計方案。

本測試系統(tǒng)的主控制器采用ST公司的STM32微控制器，STM32系列的微控制器是基于面向微控制器應(yīng)用Cortex?M3內(nèi)核的控制。主控制器通過串口連接上位機，接收上位機軟件發(fā)送的控制命令，并按照設(shè)計的協(xié)議對命令進行解析，根據(jù)命令控制內(nèi)部模塊輸出不同的電壓信號。前面分析的ISO16750?2標(biāo)準可以將所有的電壓信號分為直流、直流疊加交流兩類。本系統(tǒng)由STM32根據(jù)指令控制程控電源輸出直流電壓信號，而直流疊加交流電壓信號是由STM32控制DDS模塊輸出正弦交流信號，經(jīng)功率放大器放大后，經(jīng)過隔離變壓器與直流疊加后輸出。繼電器模塊是控制輸出電壓信號的類型，由主控制器根據(jù)指令控制繼電器的關(guān)斷和導(dǎo)通，從而可以輸出各種要求的電壓，下面將重點介紹主要模塊的設(shè)計方案。

2.1 DDS模塊設(shè)計

直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）是近年來隨著數(shù)字集成電路和計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)[3?4]，由相位累加器、波形存儲器、DAC和低通濾波器組成，工作原理是預(yù)先將波形數(shù)據(jù)存儲在波形存儲器中，在頻率控制字的控制下，通過相位累加器從存儲器中讀出波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換器和低通濾波器輸出最終的波形信號，DDS合成的信號具有高精度頻率和相位分辨率、結(jié)構(gòu)簡單、集成度高等優(yōu)點，DDS原理圖如圖9所示。

DDS模塊采用AD9854芯片作為頻率發(fā)生器，AD9854是ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片，內(nèi)部集成了300 MHz的時鐘源，48 b頻率累加器，48 b相位累加器，正余弦波形表，高速高性能D/A轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路，可以產(chǎn)生一個頻譜較純，幅相頻均可編程的正弦信號，借助于48位的相位累加器和最高300 MHz的工作頻率，其輸出波形頻率的最小分辨率可以達到0.001 Hz。該芯片有單頻信號產(chǎn)生、二進制 FSK調(diào)制、二進制FSK調(diào)制、CHIRP信號產(chǎn)生、BPSK 信號調(diào)制等五種基本工作模式。endprint

AD9854的控制端口與STM32的GPIO控制端口相連接，由STM32輸出控制字，控制AD9854輸出50 Hz～20 kHz正弦波，正弦波的頻率和幅值都可以由STM32的控制字直接控制，DDS模塊的部分電路圖如圖10所示。

2.2 功率放大模塊

由于DDS模塊最終輸出的正弦波的幅值小，功率不足以驅(qū)動待測電子設(shè)備，所以需要對輸出的正弦信號進行功率放大。疊加交流測試中要求疊加的正弦交流信號的頻率變化范圍為50 Hz～20 kHz，因此設(shè)計的功率放大模塊的頻率動態(tài)范圍也必須在這個區(qū)間內(nèi)，才能滿足功率放大模塊的要求[5]。本系統(tǒng)設(shè)計的功率放大模塊采用二級放大，高壓大功率輸出設(shè)計，輸出功率為100 W以上，以滿足絕大多數(shù)的汽車電子設(shè)備功率需求，帶載能力強，在輸出前加隔離變壓器后，輸出的正弦波形幾乎不受待測電子設(shè)備的影響。功率放大模塊采用三極管對管2N5551，2N5401作為輸入級放大；電壓放大級使用兩對音頻信號管MPSA42，MPSA92并聯(lián)放大，作用是增加這一級的電流輸出能力和保持較好的線性度；高耐壓大功率的音頻對管MJE15034，MJE15035作為二級放大，輸出級采用東芝的功率管TTA1943，TTC5200作為輸出放大。最后輸出的功率滿足設(shè)計要求，功率放大模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。

2.3 程控電源

本測試系統(tǒng)采用艾德克斯公司生產(chǎn)的高精度程控電源IT6333A作為直流電壓源，IT6333A可以提供三路全隔離電源輸出，其中CH1和CH2可以輸出0～60 V/3 A，CH3可以輸出0～5 V/3 A的電壓，具有低噪音，每路1 mV/1 mA的高分辨率和精度，內(nèi)置USB/RS 232 通信接口方便以編程方式輸出電壓值。本系統(tǒng)通過STM32的串口可以很方便地控制程控電源輸出需要的直流電壓值。

2.4 繼電器模塊

本文分析的所有測試項目需要直流和直流疊加交流兩種信號類型，其中直流電壓是由程控電源提供，交流電壓是由DDS產(chǎn)生的正弦波經(jīng)功率放大模塊后提供，繼電器模塊可以控制輸出類型。系統(tǒng)選用HF115繼電器和TPIC6B595作為繼電器驅(qū)動芯片，TI公司的DMOS器件TPIC6B595除具備TTL和CMOS器件移位寄存器74HC595的邏輯功能外，其最大的特點是驅(qū)動功率大，主控制器STM32通過與TPIC6B595相連的GPIO信號線控制其輸出高低電平，從而控制繼電器導(dǎo)通或者關(guān)閉，通過不同的繼電器關(guān)閉和導(dǎo)通相組合，可以很方便地控制輸出電壓信號的類型，其繼電器的結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，繼電器控制模塊的電路圖如圖13所示。

3 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的汽車電子設(shè)備電氣負荷測試系統(tǒng)，其功能是主控制通過串口連接上位機，接收上位機發(fā)送的指令，根據(jù)通信協(xié)議控制程控電源、DDS模塊和繼電器模塊組合產(chǎn)生不同類型的電壓輸出信號，待檢測的汽車電子設(shè)備在此供電條件下測試其功能是否正常，從而檢測其嚴酷等級是否達標(biāo)。

圖12 繼電器模塊結(jié)構(gòu)圖

圖13 繼電器模塊控制電路圖

3.1 通信協(xié)議的設(shè)計

通信協(xié)議是上位機和模塊通信時必須遵循的一種規(guī)則和約定。通信協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式和信息單元的含義、連接方式等，本文設(shè)計的系統(tǒng)中，上位機與主控制器之間的通信主要依靠控制指令。

3.2 STM32程序設(shè)計

對于不同的應(yīng)用場合，任務(wù)復(fù)雜性不一樣，程序設(shè)計的思路也不一樣。對于單一任務(wù)，STM32可以實現(xiàn)很高的實時性，程序編寫也相對較簡單，而對于多任務(wù)場合，為了實現(xiàn)較高的實時性，以及使程序編寫更容易理解，可以采用實時操作系統(tǒng)。對于STM32控制器，可以移植μCOS?Ⅱ系統(tǒng)，μCOS?Ⅱ是一個基于搶占式的實時多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁的系統(tǒng)，具有高穩(wěn)定性和可靠性，除此以外，μCOS?Ⅱ的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。本文不論述如何移植，只給出程序的主函數(shù)。下面的代碼是程序的入口，主函數(shù)中包括初始化外設(shè)和初始化μCOS系統(tǒng)以及運行任務(wù)。

void main（void）

{

Init_Drive（）； //初始化外設(shè)

while（1）

{

OSInit（）； //初始化μCos系統(tǒng)

OSTaskCreate（Start_Task， （void *）0，&Start_Task_Stk[START_TASK_STK_SIZE?1]，

TART_TASK_PRIO）； //創(chuàng)建開始任務(wù)

OSStart（）； //開始運行任務(wù)

}

}

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的汽車電子設(shè)備電氣負荷測試系統(tǒng)采用的STM32微控制器在性能和開發(fā)效率上都表現(xiàn)不錯，DDS模塊在STM32的控制下可以輸出各種參數(shù)都滿足要求的正弦波，而直流源直接采用市場上成熟的產(chǎn)品IT6333A作為其中的模塊，采用此種方案既有良好的效果又能提高開發(fā)效率。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以配合不同的上位機軟件使用，可完成不同的汽車電子設(shè)備的電氣負荷測試工作，只需要上位機遵循已經(jīng)設(shè)計好的通信協(xié)議，這樣便可大大提高本系統(tǒng)的適用性，降低成本。與目前國內(nèi)同等的檢測設(shè)備相比較，本系統(tǒng)在功能、可靠性、成本等方面都有優(yōu)勢。本文設(shè)計的電氣負荷測試系統(tǒng)在東風(fēng)汽車公司已經(jīng)投入使用，根據(jù)情況來看完全滿足設(shè)計要求，具有較好的實用價值。汽車上的電子設(shè)備越來越多，電子設(shè)備的檢測也是亟待解決的問題，本系統(tǒng)正是在這種需求下設(shè)計的，可以預(yù)測此電氣負荷測試系統(tǒng)具有很好的市場經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。

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