基于STM32的汽车电子设备电气负荷测试系统的设计

汪洋+武明虎

摘 要： 汽车上电气系统环境异常复杂，电子设备的性能好坏关系到汽车驾驶的安全，出厂前必须经过严格的测试。通过研究ISO16750?2标准及各大生产商的要求，为各种汽车电子设备的测试工作设计了一套电气负荷测试系统，设计的系统以STM32为主控制器，集成DDS模块，可以提供过电压、叠加交流电压、电压緩升缓降、启动特性以及反向电压等测试项目。系统具有测试类项目多、精度高、抗干扰能力强和拓展方便等特点。

关键词： STM32； ISO16750?2； DDS； 电气负荷

中图分类号： TN02?34； U467.4 文献标识码： A 文章编号： 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

汽车工业的快速发展带动了与之相关众多行业的发展，随着汽车电子的发展，汽车上的电气化和信息化程度越来越高，汽车上的电子设备也越来越多，汽车上的电子设备供电系统由发电机和蓄电池构成，由于各个设备自身固有的特性，设备在工作时会影响供电系统中其他电子设备的供电质量，如线路上电压变化，电子设备的故障问题都会影响其他汽车电子设备的正常供电，轻则导致设备工作不正常，重则会出现安全问题。

如何考查汽车电子设备在正常条件或可预见的非正常条件下的工作能力，汽车行业和世界各大汽车生产商对此制定了严格的标准，国际标准ISO16750?2中对汽车电子设备的各种非正常条件规定了严酷等级，我国发布的GB/T 28046.2也对此做了详细的要求。本文在认真研究ISO16750?2标准和调研多个汽车电子设备生产商的实际需求后，设计了一套电子设备电气负荷测试系统。本测试系统是依据ISO16750?2标准设计的，并兼容GB/T 28046.2标准，可以提供过电压测试、叠加交流电压、供应电压缓升缓降测试、电压中断测试、启动特性测试以及反向电压测试等十余项测试项目，这些测试项目都是让电子设备工作在可预见的非正常条件下，测试电子设备的功能是否正常，区分其严酷等级。

1 ISO16750?2标准分析

本测试系统在认真研究ISO16750?2标准后[1]，根据标准中的每一项测试标准，在详细分析要求后，提出相应的设计方案，最后对所有的设计方案综合考虑，设计出本测试系统。在介绍本系统的设计方案之前，需要简要介绍ISO16750?2标准的内容，并认真剖析其中的难点和关键点。下面将对ISO16750?2标准中典型的12 V/24 V系统的电气负载测试实验进行详细分析，随后介绍本文提出的设计方案。

最新发布的《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》即ISO16750?2标准中描述了安装在车辆上电子设备可能遇到的电气环境，并且规定了试验和要求，主要的测试项目分为直流供电电压测试、过电压测试、叠加交流电压测试、供电电压缓升缓降测试、电压中断测试、启动特性测试和反向电压测试等。

1.1 直流供电电压测试

直流供电测试是简单的测试项目，该测试项的目的是检验测试设备在最高和最低供电电压范围内的功能，测试过程是调节待测电子设备的工作电压在最大值和最小值之间变化时，测试电子设备的功能是否正常，标准中没有说明电压的变化规律，实际测试中可以在给定的范围内按梯度选定电压值，分别测试该供电电压下的电子设备功能是否正常，表1给出了12 V/24 V系统的测试电压最小值和最大值。endprint

1.2 过电压测试

过电压测试项目分为指定温度下测试和常温下测试。在指定温度下的测试是为了模拟发电机调节器失效引起的发电机输出电压上升到高于正常电压，电子设备的承受能力，测试过程是对于12 V系统，向待测电子设备电源输入端输入18 V的电压，并持续（60±0.1） min；对于24 V系统，则输入36 V，持續（60±0.1） min，随后恢复正常供电测试其功能是否正常。在室温下的测试是为了模拟辅助启动过程，测试过程是向12 V系统的待测电子设备电源输入端输入24 V的电压，并持续（60±0.1） min，同样也是随后恢复正常供电，测试其功能是否正常；对于24 V的电子设备，标准上没有要求。

1.3 叠加交流电压测试

在汽车正常运行时，蓄电池和发电机是并联的，它们同时向汽车上各种电子设备供电，在该过程中发电机的主要作用在于向蓄电池充电，其输出带有交流纹波分量，并且大功率的音频设备在工作时也会给并联的设备带来交流电压分量，这些叠加的电压波形在大多数情况下为正弦波，叠加交流电压试验是模拟待测电子设备在该供电环境下对供电电路中的纹波电压的承受能力。ISO16750?2中叠加交流测试的主要参数如表2所示。

测试过程是直流供电电压中的叠加正弦交流电压信号，如图1所示，正弦信号的幅值按表2中的不同严酷等级选择不同的幅值，正弦电压信号的频率从50 Hz线性增加到20 kHz，然后线性减小到50 Hz，持续时间为120 s，如图2所示，此过程为一个周期，持续5个周期，在此过程中测试待测电子设备的功能，区分出严酷等级。

1.4 供电电压的缓降和缓升测试

本项目的测试目的是模拟蓄电池逐渐放电和充电过程。测试过程是将待测电子设备的供电电压以（0.5±0.1） V/min速率由降到0 V，然后从0 V升到如图3所示，同时测试待测电子设备的功能，区分其严酷等级。

1.5 供电电压中断测试

供电电压中断测试分为两个子项目，每个子项目的测试目的不同。

1.5.1 供电电压的瞬间下降

本测试子项目是模拟汽车正常供电系统中某个常规熔断器元件熔化时对该待测电子设备造成的影响。测试过程将试验脉冲（见图4和图5）同时加到待测电子设备的电源输入端，上升和下降时间≤10 ms。

1.5.2 电压骤降的复位性能

本测试子项目是检验对不同的电压骤降时待测电子设备的复位性能，适用于具有复位功能的设备（例如，装有一个或多个微控制器的设备）。测试过程按图6在待测电子设备的电源端施加试验电压脉冲，检查待测电子设备的复位性能。供电电压以5%的速率从降到0.95保持5 s，再上升到至少保持10 s并进行功能试验。然后将电压降至0.9保持5 s再上升到如此反复。按图6所示，以的5%梯度继续进行直到降到0 V，然后再将电压升到在不同的电压供电时间段内测试待测电子设备的性能，区分其严酷等级。

1.6 启动特性测试

本测试项目是模拟汽车在启动时电子设备在该供电环境下的性能。在一般情况下，汽车启动过程是由蓄电池向启动电机供电，启动电机发动汽车引擎，由于启动电机具有时间短、电流大和发动机机件阻力较大的特点，加上蓄电池的物理特性，会造成供电电压在很短的时间内明显下降，启动过程中，汽车供电系统中电压变化较复杂，电压变化的波形如图7所示，各个参数值如表3所示[2]。

1.7 反向电压测试

测试目的是检测当使用辅助起动装置时待测电子设备对蓄电池反向连接的抵御能力，测试过程时选择适合的反向电压施加到待测电子设备电源端子上，持续一段时间，恢复正常供电，测试待测电子设备的性能。

2 系统方案实现

在分析ISO16750?2标准的各项测试要求和参数后，根据测试项目的内容设计本电气负荷测试系统。本系统的工作流程是主控制器接收到上位机的控制指令，通过控制内部器件，最终在输出端输出几种测试项目中要求的几种电压。系统主要由主控制器、程控电源、DDS模块、功率放大模块和继电器模块组成，本文设计的测试系统配合相对应的上位机软件和信号采集装置即可完成对汽车电子设备的电气负荷测试，图8是系统的框图，其中虚线框是本文设计的部分，后文将详细叙述几个模块的设计方案。

本测试系统的主控制器采用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应用Cortex?M3内核的控制。主控制器通过串口连接上位机，接收上位机软件发送的控制命令，并按照设计的协议对命令进行解析，根据命令控制内部模块输出不同的电压信号。前面分析的ISO16750?2标准可以将所有的电压信号分为直流、直流叠加交流两类。本系统由STM32根据指令控制程控电源输出直流电压信号，而直流叠加交流电压信号是由STM32控制DDS模块输出正弦交流信号，经功率放大器放大后，经过隔离变压器与直流叠加后输出。继电器模块是控制输出电压信号的类型，由主控制器根据指令控制继电器的关断和导通，从而可以输出各种要求的电压，下面将重点介绍主要模块的设计方案。

2.1 DDS模块设计

直接数字合成技术（DDS）是近年来随着数字集成电路和计算机的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术[3?4]，由相位累加器、波形存储器、DAC和低通滤波器组成，工作原理是预先将波形数据存储在波形存储器中，在频率控制字的控制下，通过相位累加器从存储器中读出波形数据，经过DAC转换器和低通滤波器输出最终的波形信号，DDS合成的信号具有高精度频率和相位分辨率、结构简单、集成度高等优点，DDS原理图如图9所示。

DDS模块采用AD9854芯片作为频率发生器，AD9854是ADI公司生产的DDS芯片，内部集成了300 MHz的时钟源，48 b频率累加器，48 b相位累加器，正余弦波形表，高速高性能D/A转换器以及调制和控制电路，可以产生一个频谱较纯，幅相频均可编程的正弦信号，借助于48位的相位累加器和最高300 MHz的工作频率，其输出波形频率的最小分辨率可以达到0.001 Hz。该芯片有单频信号产生、二进制 FSK调制、二进制FSK调制、CHIRP信号产生、BPSK 信号调制等五种基本工作模式。endprint

AD9854的控制端口与STM32的GPIO控制端口相连接，由STM32输出控制字，控制AD9854输出50 Hz～20 kHz正弦波，正弦波的频率和幅值都可以由STM32的控制字直接控制，DDS模块的部分电路图如图10所示。

2.2 功率放大模块

由于DDS模块最终输出的正弦波的幅值小，功率不足以驱动待测电子设备，所以需要对输出的正弦信号进行功率放大。叠加交流测试中要求叠加的正弦交流信号的频率变化范围为50 Hz～20 kHz，因此设计的功率放大模块的频率动态范围也必须在这个区间内，才能满足功率放大模块的要求[5]。本系统设计的功率放大模块采用二级放大，高压大功率输出设计，输出功率为100 W以上，以满足绝大多数的汽车电子设备功率需求，带载能力强，在输出前加隔离变压器后，输出的正弦波形几乎不受待测电子设备的影响。功率放大模块采用三极管对管2N5551，2N5401作为输入级放大；电压放大级使用两对音频信号管MPSA42，MPSA92并联放大，作用是增加这一级的电流输出能力和保持较好的线性度；高耐压大功率的音频对管MJE15034，MJE15035作为二级放大，输出级采用东芝的功率管TTA1943，TTC5200作为输出放大。最后输出的功率满足设计要求，功率放大模块的结构框图如图11所示。

2.3 程控电源

本测试系统采用艾德克斯公司生产的高精度程控电源IT6333A作为直流电压源，IT6333A可以提供三路全隔离电源输出，其中CH1和CH2可以输出0～60 V/3 A，CH3可以输出0～5 V/3 A的电压，具有低噪音，每路1 mV/1 mA的高分辨率和精度，内置USB/RS 232 通信接口方便以编程方式输出电压值。本系统通过STM32的串口可以很方便地控制程控电源输出需要的直流电压值。

2.4 继电器模块

本文分析的所有测试项目需要直流和直流叠加交流两种信号类型，其中直流电压是由程控电源提供，交流电压是由DDS产生的正弦波经功率放大模块后提供，继电器模块可以控制输出类型。系统选用HF115继电器和TPIC6B595作为继电器驱动芯片，TI公司的DMOS器件TPIC6B595除具备TTL和CMOS器件移位寄存器74HC595的逻辑功能外，其最大的特点是驱动功率大，主控制器STM32通过与TPIC6B595相连的GPIO信号线控制其输出高低电平，从而控制继电器导通或者关闭，通过不同的继电器关闭和导通相组合，可以很方便地控制输出电压信号的类型，其继电器的结构图如图12所示，继电器控制模块的电路图如图13所示。

3 软件设计

本文设计的汽车电子设备电气负荷测试系统，其功能是主控制通过串口连接上位机，接收上位机发送的指令，根据通信协议控制程控电源、DDS模块和继电器模块组合产生不同类型的电压输出信号，待檢测的汽车电子设备在此供电条件下测试其功能是否正常，从而检测其严酷等级是否达标。

图12 继电器模块结构图

图13 继电器模块控制电路图

3.1 通信协议的设计

通信协议是上位机和模块通信时必须遵循的一种规则和约定。通信协议定义了数据单元使用的格式和信息单元的含义、连接方式等，本文设计的系统中，上位机与主控制器之间的通信主要依靠控制指令。

3.2 STM32程序设计

对于不同的应用场合，任务复杂性不一样，程序设计的思路也不一样。对于单一任务，STM32可以实现很高的实时性，程序编写也相对较简单，而对于多任务场合，为了实现较高的实时性，以及使程序编写更容易理解，可以采用实时操作系统。对于STM32控制器，可以移植μCOS?Ⅱ系统，μCOS?Ⅱ是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁的系统，具有高稳定性和可靠性，除此以外，μCOS?Ⅱ的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。本文不论述如何移植，只给出程序的主函数。下面的代码是程序的入口，主函数中包括初始化外设和初始化μCOS系统以及运行任务。

void main（void）

{

Init_Drive（）； //初始化外设

while（1）

{

OSInit（）； //初始化μCos系统

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

TART_TASK_PRIO）； //创建开始任务

OSStart（）； //开始运行任务

}

}

4 结 语

本文设计的汽车电子设备电气负荷测试系统采用的STM32微控制器在性能和开发效率上都表现不错，DDS模块在STM32的控制下可以输出各种参数都满足要求的正弦波，而直流源直接采用市场上成熟的产品IT6333A作为其中的模块，采用此种方案既有良好的效果又能提高开发效率。本文设计的系统可以配合不同的上位机软件使用，可完成不同的汽车电子设备的电气负荷测试工作，只需要上位机遵循已经设计好的通信协议，这样便可大大提高本系统的适用性，降低成本。与目前国内同等的检测设备相比较，本系统在功能、可靠性、成本等方面都有优势。本文设计的电气负荷测试系统在东风汽车公司已经投入使用，根据情况来看完全满足设计要求，具有较好的实用价值。汽车上的电子设备越来越多，电子设备的检测也是亟待解决的问题，本系统正是在这种需求下设计的，可以预测此电气负荷测试系统具有很好的市场经济效益和应用前景。

参考文献

[1] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 28046.2?2011 道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验 第2部分：电气负荷[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2011.

[2] 卢兆明.道路车辆?电气和电子装备的环境条件和试验第2部分：电源环境ISO16750.2[J].环境技术，2007（2）：38?43.

[3] 胡力坚.基于DDS的任意波形发生器设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[4] 王建明.基于DDS技术的多波形信号源设计[D].南京：南京理工大学，2005.

[5] 彭卓.D类音频功率放大器的设计[D].成都：电子科技大学，2008.

[6] 林雨佳.一款高性能音频功率放大器的设计[D].沈阳：辽宁大学，2013.

[7] 余国洪.数字音频功率放大器的研究与改进设计[D].南昌：南昌大学，2012.