汽车电子控制课程实验平台的开发与应用

邢恩辉 赵子杰 王浩然 任桂周 王锐

摘  要：随着电子控制技术的不断发展，汽车向着电子化、智能化、网络化快速演进。为了满足汽车电子控制课程实践教学需要，设计开发了基于DSP的实验平台，包含I/O信号和PWM信号输出实验、LCD显示实验、车用传感器电容器与蓄电池充放电实验以及步进电机驱动电路设计和驱动实验等，该实验平台已成功运用到实际教学当中，并取得较好的教学效果。

关键词：实验平台  DSP  汽车电子控制  教学实验

中图分类号：G642.423                       文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（a）-0238-04

Abstract： With the continuous development of automobile electronic control technology， automobile is developing rapidly towards electronic， intelligent and network. In order to meet the practical teaching needs of automobile electronic control course， the experimental platform based on DSP was designed， including I/O signal and PWM signal output experiment， LCD display experiment， vehicle sensor detection experiment， super capacitor and battery charge and discharge experiment， stepper motor drive circuit design and drive experiment， etc. The experiment platform has been successfully applied to actual teaching， and achieved good teaching effects.

Key Words： Experimental platform; DSP; Automotive electronic control; Teaching experiment

随着微电子技术的迅速发展，汽车电子控制技术也随之不断进步，从最初的汽油喷射控制、行车速度控制等技术到现如今电子控制技术已经应用到汽车的各个系统当中，而且汽车电子控制技术的应用领域仍在继续扩展，电子控制技术的应用使得汽车更为安全舒适[1]。当下汽车的电子化程度高低已经成为衡量汽车水平的重要标志之一，且随着物联网技术以及5G通讯的发展完善，汽车将愈发电子化，信息化，智能化，甚至在未来汽车可能发展成为一个大型的智能电子消费产品。

开设《汽车电子控制技术》课程也是为了更好地适应汽车行业发展的需要，更好地满足企业人才所需，而仅仅依靠课堂教学的理论知识并不全面，我校作为“卓越工程师”计划实施高校之一，开设相应的实验课程，提高学生的实践创新能力，弥补传统工程人才培养下动手能力不足的缺点，更好地适应当前社会的发展需要[2-4]。依靠实验教学加深课堂理论的理解，增强学生的综合素质，提高学校教学质量，所以搭建一个符合教学需求的可靠的综合教学实验平台就显得不可或缺[5]。

1  汽车电子控制实验平台

本文结合《汽车电子控制技术》课程，基于DSP控制设计开发了汽车电子控制综合实验平台，如图1所示。该综合实验平台由DSP核心控制板、仿真器、示波器、12V锂离子蓄电池和超级电容器模块、电流传感器、电压传感器、转速传感器、数字万用表、LED或LCD显示装置、步进电机及其供电电源等硬件部分，以及CCS以及Matlab等软件部分组成。该综合实验平台与《汽车电子控制技术》课程相辅相成，有助于提高学生的动手实践能力，帮助学生加深课程所学理论知识的理解，提高教学质量。

1.1 DSP核心控制板

随着数字信号处理（DSP）技术的日渐成熟，其优势逐渐显现，其具有计算速度较快，且其灵活准确、抗干扰能力强、尺寸较小、性能稳定等优点，目前已在多个领域中逐渐取代传统的模拟信号处理器进行应用 [6]。

本实验平台选用的TMS320F2812数字信号处理器是32位定点DSP控制器，其频率高达150MHz，集成128kB闪存，可用于开发以及现场软件升级时再編程 [7]。其事件管理器包括脉冲宽度调制（PWM）产生器、可编程通用计时器以及捕捉译码器接口等，该芯片适用于多种应用场合，功能丰富强大，这些特点确保了实验所需的硬件条件。

1.2 超级电容器

超级电容器是一种环保且实用的能量存储装置，其具有使用寿命长;功率密度高;充电速度快;受环境温度影响小;以及污染较小等优点。虽然目前超级电容还存在一些不足，如价格成本也较高，但随着技术发展的完善，制造成本的降低，其应用将会更为广泛。目前超级电容主要应用于电动汽车、混合动力汽车、城市轨道交通以及军事等领域[8-9]。

本实验选用MaxWell 16V 58F超级电容器，实物图如图2所示，其性能稳定，具有较好的安全性，可以确保实验操作的安全可行，避免实验事故的发生。

1.3 蓄电池

使用电池储能仍是目前最常见的储能技术之一，且随着新能源汽车尤其是电动汽车的发展应用，电池在汽车上的作用也显得愈发重要，电池性能已然成为衡量电动汽车的重要指标之一。当下常见的电池类型主要有：锂离子电池、镍氢电池以及铅酸电池等。综合比对来看，锂离子电池的综合性能较强，但其再循环能力相对较弱，镍氢电池安全性能较好，而铅酸电池的循环能力较强[10]。考虑到本实验平台的使用强度大，电池充放电频率高，故选用循环能力较强的铅酸电池以及综合能力较强的锂离子电池作为实验器材进行使用。

1.4 步进电机

步进电机是一种控制类电机，又被称为脉冲电机，其受电脉冲控制转动，其结构简单、价格相对较低、维修方便，且具有定位精度高、动态力矩大、优秀的启停和反转响应、调速范围较大等优点[11]。而且步进电机可以通过相应驱动器实现开环控制，无需反馈信号，其操作控制相对简单，所以本实验平台选用步进电机，便于学生进行实验操作。

1.5 其他部分

该综合实验平台除上述硬件器材外还使用到数字万用表、示波器、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、电压传感器、电流传感器、转速传感器以及LED或LCD显示装置等硬件装置;以及Matlab和CCS等仿真软件部分。

2  实验项目

2.1 基于DSP开发系统的I/O信号和PWM信号输出实验

本实验为综合实验当中较为简单的一项，学生在实验指导老师的指导下学习以及熟悉各种设备和系统的工作原理和操作之后，分小组进行实验，配置TMS320F2812的I/O引腳，观察LED灯的变化效果;调试TMS320F2812的PWM程序，通过示波器观察PWM信号波形;学生可以尝试改变DSP的控制参数，观察PWM波形有何不同。

学生通过该实验学习TMS320F2812的内部结构以及指令系统，使实验者能够规范地对该型号的DSP进行简单编程，了解TMS320F2812的PWM模块的工作原理，掌握PWM信号的编程和输出方法，实验过程中体验汽车电控系统的执行器控制、监控和故障诊断的重要性和开发的基本思路，并使实验者能够规范地搭建整个实验电路，借此培养良好的工程操作素质。

2.2  LCD显示实验

通过运用CCS3.3软件，将仿真器与电脑和F2812开发板连接;连接目标板;完成准备工作后学生打开事先自行准备好的LCD显示程序;运行程序，观察LCD所显示的内容。尝试改变DSP控制参数，观察能否顺利显示所要求的内容。

通过本实验学习TI（Texas Instruments）公司提供的CCS（Code Composer Studio）集成化开发环境的使用，完成对TMS320F2812的在线调试;了解LCD12864显示的控制原理，掌握LCD12864的编程方法。

2.3 车用传感器检测实验

用示波器观察电流传感器和电压传感器输出信号模拟量变化情况。任意选择电流传感器或者电压传感器输出信号中的一个，用导线连接电路，让电源给其供电，改变输入电流或电压的大小，用示波器观测其输出信号，了解传感器输入和输出之间对应关系。打开CCS3.3软件，将仿真器与电脑和F2812开发板连接，连接目标板，打开AD采样程序，运行程序。若在程序中合适位置设置断点，就可以读取到当前的AD转换结果，同时结合示波器读取传感器电压，可以此判断AD结果是否准确合理。

通过本实验掌握汽车电子系统中重要模拟量的测量过程，了解电流传感器、电压传感器等模拟量传感器的结构和基本原理;了解TMS320F2812的AD模块的工作原理，掌握TMS320F2812控制AD采样的方法。

2.4 超级电容器与蓄电池充放电实验

按照蓄电池和超级电容器的使用要求，使用专用充电器对其进行充电，充电时用示波器分别观察蓄电池和超级电容器的充电曲线。实验升压电路如图3所示，根据电路图搭建整个实验系统，将蓄电池和超级电容器并联的混合电源接入到实验电路中，仔细检查电路连接无误后，通过DSP控制升压电路对混合电源放电，用示波器分别观察蓄电池和超级电容器的放电曲线。

通过本次实验了解蓄电池和超级电容器并联电源系统，掌握蓄电池和超级电容器的充放电方法，掌握超级电容器的充放电特性。通过实验操作，提高实验者动手能力，加深理论知识理解。

2.5 步进电机驱动电路设计和驱动实验

开展本实验前学生可分组确定步进电机驱动器的设计方案，设计完成实验原理图和布线图，并提交指导老师批示完善，确保布线合理可行。学习电路板焊接注意事项，调试焊接电路板，完成电路的最终制作;进行步进电机的驱动实验，选择合适的驱动信号来驱动步进电机，实现步进的不同转动角度、不同转动速度、不同旋转方向的控制;用示波器测量步进电机的相电流，理解和掌握电流反馈和相电流过流保护的设计方法。实验图如图4所示。

通过本次操作实验学习步进电机的驱动方法，掌握步进电机半桥和全桥驱动电路设计的基本方法和电路参数匹配的设计。

3  结语

本文结合《汽车电子控制技术》课程当中的实践应用问题，根据课程要求以及“卓越工程师”计划培养方案，搭建了汽车电子控制综合教学实验平台，围绕该实验平台可开展一系列汽车电子控制实验，如基于DSP开发系统的I/O信号和PWM信号输出实验;LCD显示实验;车用传感器检测实验;超级电容器与蓄电池充放电实验;以及步进电机驱动电路设计和驱动实验等。该实验平台目前已成功运用到实际教学当中，学生利用该实验平台完成教学实验，提高自身动手能力与知识运用能力，目前已取得较为理想的的教学效果。

参考文献

[1] 麻友良.汽车电器与电子控制系统[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] 吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3] 王冬良，李璐璐，樊德平，等.“卓越计划2.0”背景下应用型本科实践教学体系的重构[J]. 大学教育， 2020（4）： 1-5.

[4] 马凌云，谢明华，刘辉.“汽车电子控制技术”课程教学改革与实践[J].教育现代化，2019，6（42）：67-68.

[5] 潘公宇，江浩斌，刘志强，等.车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计[J].实验技术与管理，2017，34（4）：1-5.

[6] 陈是知，姜蕊辉.TMS320F2812原理与开发实践[M]. 北京：中国电力出版社， 2010.

[7] 卢慧芬，林斌，孙丹，等.DSP电机控制综合实验平台研制[J].实验技术与管理，2014，31（10）：97-102.

[8] Wang，FX，Wu，XW，Yuan，XH，et.Latest advances in supercapacitors： from new electrode materials to novel device designs [J]. CHEMICAL SOCIETY REVIEWS，  2017，46（22）： 6816-6854.

[9] 毕恺韬.模块化超级电容储能系统一体化控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[10] 单硕.增程式电动汽车新型储能系统的研究[D].烟台：烟台大学，2018.

[11] 陈祖霖，沈英，吴靖.结合STM32和FPGA的步进电机运动控制系统设计[J].福州大学学报：自然科学版， 2020，48（1）：27-33.