基于单片机的汽车电控系统故障注入系统的制作方法

本发明涉及汽车电控系统的信号模拟，尤其涉及汽车电子产品在研发阶段进行故障信号注入的信号发生装置。

背景技术：

电子技术集成化的快速发展和广泛运用有力地推动了汽车产业的发展。汽车电子控制单元(Electronic Control Unit)，又称电控单元，用于完成在汽车实时状态下对信号的收集、分析、处理、发送等功能，是汽车的核心部件。然而，对电子技术的依赖程度越高，汽车上配置的电子产品所带来的安全问题也越发引起重视。

汽车电子控制系统可分为三大部分：传感器、控制器(ECU)和执行器，其中控制器对各传感器和开关的输入信号进行预处理、分析、判断，并根据信号处理的结果输出控制指令，保障执行器正常工作。但是，电控单元发生故障时就无法向执行器发出正确的控制指令，又或者传感器发生故障导致向电控单元发送了错误的信号，都将会产生极大的安全问题，这显然是在研发汽车电子控制产品的过程中不可避免的问题。

产品在线测试是任何研发过程中都必不可少的一环，是保证产品质量过关和发挥性能的关键。汽车电控系统的研发测试最初是以手动测试为主，但人工操作测试设备的缺点也十分明显：一方面，测试中包含大量繁复而琐碎的操作，测试人员的工作量比较大且要求较高，因而费时费力；另一方面，手动测试难以模拟系统长时间运行后的状态，因而会错漏许多故障信息。自动测试系统(ATS，Automatic Test System)的出现虽然提高了测试的效率，但也存在许多缺点，例如测试程序复杂、系统通用性差、测试可靠性低等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了克服手动注入故障信号的操作繁琐以及全类型故障注入电路设计复杂等缺点，提供一种基于单片机的汽车电控系统故障注入系统，该系统可以实现直流电压和直流电流信号的自动注入，以及断路、短路故障的自动注入。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于单片机的汽车电控系统故障注入系统，是一种通过步进电机带动与之机械连接的机械式电位器来实现高上限电压和大上限电流变化，并且与上位机进行数据通信，实现全自动的电压变化、电流变化、短路、断路等故障注入，该系统主要由上位机、单片机、步进电机、电位器、A/D转换模块，以及电压和电流信号发生电路组成，其中：上位机和单片机之间采用串口通信；单片机通过步进电机驱动芯片控制步进电机的正反向转动；电位器是电压和电流信号发生电路中的可变电阻元件；A/D转换模块与电压和电流信号发生电路中的输出端连接；单片机和A/D转换模块连接，采集到的电压和电流信号通过串口通信传到上位机界面实时显示。

所述的机械连接是由啮合相连的小齿轮、大齿轮组成，其中小齿轮安装在步进电机输出轴上，大齿轮安装在电位器输入轴上。

所述的小齿轮和大齿轮为一对塑料齿轮，其中：小齿轮与大齿轮齿数比为1:2.5～1:4。

所述的单片机中的控制程序采用反馈控制，具体是：单片机将上位机输入的目标电压值和电流值与检测到的电压和电流信号进行比较，若目标电压值或电流值大于检测值，则控制步进电机正转；否则控制步进电机反转。

所述的反馈控制中，具体的控制策略采用比例控制，u(t)＝P·(V1-V2(t)),其中u(t)是t时刻输出的步进电机转动步数，V2(t)是t时刻检测值，V1是输入的目标值，P是比例系统；1秒内检测多次，直到两者电压差≤0.01V。

所述的电压信号发生电路，由直流电源和电位器组成，电位器左端通过导线接直流电源正极，电位器右端通过导线接直流电源负极，中间端通过导线接A/D转换模块。电压变化范围可达到0～15V。当电压值为0V时，即实现了断路故障。

所述的电流信号发生电路，由直流电源、电位器和标准电阻组成；通过步进电机带动电位器转动，使电位器的阻值变化，从而改变电路中的电流大小，A/D转换模块测量1欧姆标准电阻两端的电压值来计算电路中的电流值。电流变化范围可达到10mA-5A。当电流值大于5A时，即实现了短路故障。

所述的标准电阻的阻值为1欧姆。

所述的单片机与上位机之间的通信电路，由RS232串口方式组成，通过实时通信，使上位机界面中的电压值和电流值的实时显示，通信延迟时间≤1ms。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点和积极效果：

1.通过步进电机带动电位器来实现高上限电压和大上限电流变化，并且与上位机软件进行了实时数据通信，实现了全自动故障注入，并实时检测实际注入值，操作过程简单而可靠。通过大功率机械式电位器，实现了全类型故障(电压、电流、短路、断路)注入。

2.通过步进电机的小齿轮带动电位器的大齿轮，既增大了步进电机的扭矩又提高了调节电位器的精度。

3.电压信号调节范围是0-15V的样机，已知上位机间隔一毫秒读取一次，当实际电压值接近目标电压值时，可以看出电压调节的速度大约是0.01V/s，基本可以满足实验时电压信号精度的要求。需要说明的是，理论上本装置电压调节范围是0-15V，由于电位器的限制，实验时测得本装置的电压调节范围是0.1-14.9V。

4.步进电机和电位器通过一对塑料齿轮连接，因为加工能力有限，塑料齿轮加工较为方便。步进电机上套的是小齿轮，齿数为20，电位器上套的是大齿轮，齿数是56。这样设计有两个优点：一是电位器转动阻力较大，而步进电机转动力矩较小，通过小齿轮带动大齿轮，可以增大56/20＝2.8倍的扭矩；二是小齿轮转动一圈，大齿轮可以转动2.8圈，这意味着提高了步进电机调节电位器的精度。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明上位机的界面图。

图3是本发明的步进电机和电位器机械连接的示意图。

图4是本发明的单片机中控制程序的流程图。

图5是本发明的电压信号发生电路。

图6是本发明的电流信号发生电路。

具体实施方式

本发明公开了一种基于单片机的汽车电控系统故障注入装置，可以通过上位机实现故障自动注入。本装置由上位机，单片机，驱动芯片，A/D转换模块，步进电机，电位器，步进电机和电位器之间的机械连接、电压和电流信号发生电路组成。其中机械连接是通过步进电机的小齿轮带动电位器的大齿轮，既增大了步进电机的扭矩又提高了调节电位器的精度。该装置可以实现直流电压和直流电流信号的自动注入，并检测实际注入值，操作过程简单且可靠，克服了手动注入操作繁琐等缺点。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于单片机的汽车电控系统故障注入系统，如图1所示，主要由上位机，单片机，A/D转换模块，步进电机，电位器，以及电压和电流信号发生电路组成，其中：上位机和单片机之间采用串口通信，可以同时发送命令和显示数据；单片机通过步进电机驱动芯片控制步进电机的正反向转动；步进电机和电位器之间采用机械连接；电位器是电压和电流信号发生电路中的可变电阻元件；A/D转换模块与电压和电流信号发生电路中的输出端连接，可以采集电压信号和电流信号；单片机和A/D转换模块连接，采集到的电压信号和电流信号通过串口通信传到上位机界面实时显示。

所述的上位机，可以采用工控机。

所述的单片机，其内设的控制程序中采用了反馈控制，如图4所示：单片机会将上位机输入的目标电压值和电流值与检测到的电压信号和电流信号进行比较，若目标电压值或电流值大于检测值，则控制步进电机正转；否则控制步进电机反转；具体的控制策略采用比例控制，u(t)＝P·(V1-V2(t)),其中u(t)是t时刻输出的步进电机转动步数，V2(t)是t时刻检测值，V1是输入的目标值，P是比例系统；1秒内可检测多次，直到两者电压差小于0.01V。

所述的步进电机驱动芯片，可以采用达林顿驱动器ULN2003。

所述的机械连接，如图3所示，由小齿轮和大齿轮组成，小齿轮安装在步进电机输出轴上，大齿轮安装在电位器输入轴上，大小齿轮模数相同，齿数比大约是1:4。

所述的电压信号发生电路，如图5所示，由直流电源(VCC)和电位器组成，电位器左端接电源正极，右端接电源负极，中间端接A/D转换模块。通过步进电机带动电位器转动，使电位器的阻值变化，从而改变了电位器中间端的输出电压。

所述的电流信号发生电路，如图6所示，由直流电源(VCC)、电位器和1欧姆标准电阻组成。通过步进电机带动电位器转动，使电位器的阻值变化，从而改变电路中的电流大小，A/D转换模块测量1欧姆标准电阻两端的电压值来计算电路中的电流值。

本发明设计了电压信号调节范围是0-15V的样机，已知上位机间隔一毫秒读取一次，当实际电压值接近目标电压值时，可以看出电压调节的速度大约是0.01V/s，基本可以满足实验时电压信号精度的要求。需要说明的是，理论上本装置电压调节范围是0-15V，由于电位器的限制，实验时测得本装置的电压调节范围是0.1-14.9V。

步进电机和电位器通过一对塑料齿轮连接，因为加工能力有限，塑料齿轮加工较为方便。步进电机上套的是小齿轮，齿数为20，电位器上套的是大齿轮，齿数是56。这样设计有两个优点：一是电位器转动阻力较大，而步进电机转动力矩较小，通过小齿轮带动大齿轮，可以增大56/20＝2.8倍的扭矩；二是小齿轮转动一圈，大齿轮可以转动2.8圈，这意味着提高了步进电机调节电位器的精度。