陳 斌，李軍偉，張世龍，張廣世，李 凱，岳 涵

（1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.天潤智能控制系統(tǒng)集成有限公司，山東 文登 264413）

0 引言

電控懸架又稱電子控制空氣懸架（簡稱ECAS）是汽車懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，相比于傳統(tǒng)懸架，電控懸架能夠按照車身當前的高度、輪胎的轉(zhuǎn)向角度及速率、踏板的制動等參數(shù)，由懸架的ECU 控制懸架的執(zhí)行機構(gòu)，改變空氣懸架的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及通過性[1-2]。隨著其電控化的程度越來越高，目前很多高檔的乘用車、商用車都廣泛采用電子控制空氣懸架[3-5]。為了使用戶能夠更方便、舒適的調(diào)節(jié)空氣懸架，本文設計一種基于藍牙的遠程控制電控懸架的控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)使用飛思卡爾的MC9S08DZ60 單片機作為主控芯片，HC-05 模塊作為藍牙收發(fā)模塊，此外，還有電源模塊、CAN 通信模塊。

藍牙遠程調(diào)試控制器通過藍牙鏈路接收來自手機APP/ 車載藍牙的指令信息，然后內(nèi)部的HC-05 藍牙模塊將指令信息通過SCI 發(fā)送給單片機，單片機接收指令后，解析指令，提取關鍵信息打包成CAN 報文，通過CAN 總線發(fā)送給電控懸架ECU，電控懸架ECU 根據(jù)接收到的CAN 報文執(zhí)行相應的動作。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 MC9S08DZ60單片機最小系統(tǒng)硬件設計

為了降低系統(tǒng)的功耗和成本，選用8 位低價位、高性價比的MC9S08DZ60 芯片作為控制芯片，該芯片具有最高達40 MHz 的CPU 工作頻率，內(nèi)含32 個中斷/復位源，4 K 的片內(nèi)RAM，60 KB 的片內(nèi)在線可編程Flash 存儲器[6]。單片機內(nèi)部還搭載MSCAN（CAN 通信模塊）、SCI（串口通信模塊）、TPM（定時器模塊）等功能，滿足該系統(tǒng)的需求。電路圖如圖2 所示。

圖2 DZ60 最小系統(tǒng)

DZ60 最小系統(tǒng)是指單片機能夠穩(wěn)定工作最簡潔的電路。該電路由DZ60 單片機、晶振電路和下載調(diào)試接口電路組成。晶振電路給單片機提供穩(wěn)定的時鐘源，下載調(diào)試電路通過仿真器與PC 相連，方便開發(fā)過程為主控芯片下載、擦除程序。

2.2 HC-05藍牙模塊設計

HC-05 是CSR 主流藍牙芯片，它是一款功能齊全、能耗低、價格便宜的藍牙串口模塊，是基于藍牙規(guī)范 V2.0 帶有增強速率的數(shù)傳模塊，該串口模塊工作電壓為3.3 V，可設置的波特率范圍高達4 800～1 382 400 bit/s，藍牙的工作頻率為 2.4 GHz，可實現(xiàn)10 m 距離通信，實際應用中根據(jù)場地不同會有所增加[7-11]。

HC-05 模塊在藍牙遠程調(diào)試控制器中直接與主控芯片進行連接，它是作為藍牙APP 與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通信橋梁，不僅負責數(shù)據(jù)的接收，也充當數(shù)據(jù)發(fā)送的角色。作為接收端時，負責接收用戶通過APP 發(fā)送的指令；作為發(fā)送端時，負責將電控懸架各種狀態(tài)信息反饋給APP。HC-05 模塊與主控芯片進行連接時，主要是將HC-05 模塊的串口發(fā)送端和接收端與單片機的串口接收端和發(fā)送端分別連接，其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 HC-05 電路原理圖

HC-05 模塊可以直接通過串口來進行控制并且串口電壓要求為3.3 V，如果直接用單片機自帶的串口（輸出5 V）與藍牙模塊串口連接可能會因為電壓過高燒毀芯片，因此，需要加一個轉(zhuǎn)化電路（如圖3 下半部分電路所示），圖中NLSX4373 芯片是一款雙電源雙向自動感應轉(zhuǎn)換器，VCC 的I/O 和VL 的I/O 端口分別分別接入5.0 V 和3.3 V 電源輸入，可實現(xiàn)5.0 V 與3.3 V 之間相互轉(zhuǎn)換。HC-05 模塊電路圖對應的引腳說明如表1 所示。

表1 HC-05模塊引腳說明

2.3 電源模塊設計

考慮到該控制器應用于車輛上，車載蓄電池的電壓一般為12 V 或24 V，而單片機芯片供電電壓要求為5 V，HC-05 藍牙模塊供電電壓要求為3.3 V。因此，需要設計電壓轉(zhuǎn)換電路以滿足各模塊工作電壓的需要。具體的電源電路如圖4 所示。

圖4 電源供電電路

圖中上半部分為車載蓄電池為藍牙遠程調(diào)試控制器提供12 V/24 V 的輸入電源，通過降壓芯片將其轉(zhuǎn)化為5 V 供主控芯片及其他模塊使用。該電路選用的降壓芯片為TPS5430，該芯片支持的輸入電壓范圍為5.5～36.0 V，能夠在-40～125℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運行。此外，芯片內(nèi)部還具有過壓保護、過流限制以及熱關斷保護功能，以保證電源電路運行過程的安全性和穩(wěn)定性。

圖中下半部分為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 降壓電路，負責給藍牙模塊供電。選用的降壓芯片是LD1117,該芯片輸入端電壓最大可達16 V，能夠穩(wěn)定輸出3.3 V 電壓，輸出電壓精度可控制在1%范圍內(nèi)，可有效保證對HC-05 模塊提供穩(wěn)定的電源輸入。

2.4 CAN通信電路

CAN 收發(fā)器在CAN 通信網(wǎng)絡中起到信號轉(zhuǎn)換的作用，一方面將來自單片機FlexCAN 模塊輸出的TTL 信號轉(zhuǎn)化為差分信號傳輸?shù)紺AN 總線上，另一方面將來自CAN 總線上的差分信號轉(zhuǎn)化為FlexCAN模塊能夠接收的TTL 信號[12]。

本文選用的收發(fā)器為Infineon 公司5 V 版本的TLE6250，該芯片的通信波特率可以達到1 Mbps，并且還帶有只聽模式和低功耗待機模式，可以滿足本設計的使用需求。

共模濾波器ACT45B 是為了提高CAN 通信的穩(wěn)定而選取的元件。可以消除電路中由于線路阻抗不平衡所引起的共模干擾信號。在CAN 高、CAN 低與GND 之間分別接入20 pF 的電容，能夠很好的過濾掉CAN 總線上高頻信號的干擾，并且還可以防止電磁輻射對電路造成影響。由于阻抗匹配的需要，提高CAN 總線的驅(qū)動能力，加上2 個各為60 Ω 的終端電阻。圖5 為CAN 通信電路原理圖。

圖5 CAN 通信電路

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件流程設計首先是系統(tǒng)初始化，然后主機設備（手機APP 或車載藍牙）開始自動掃描其他藍牙設備，當掃描到藍牙遠程調(diào)試控制器時，發(fā)送配對碼進行配對，只有配對碼一致時才能實現(xiàn)連接。完成配對后，說明主機設備已經(jīng)與藍牙遠程調(diào)試控制器建立連接，下一步需要藍牙遠程調(diào)試控制器與懸架ECU 建立連接。

此時，需要APP 向藍牙遠程調(diào)試控制器發(fā)送連接指令，藍牙遠程調(diào)試控制器解析收到的連接指令，將其打包成CAN 報文，通過CAN 總線發(fā)送給懸架ECU，懸架ECU 接收CAN 報文后進行相應的連接配置，隨后通過CAN 總線返回連接狀態(tài)，藍牙遠程調(diào)試控制器讀取CAN 報文信息，并將連接狀態(tài)通過藍牙模塊返回給APP。若連接失敗則需要重新發(fā)送連接指令，連接成功后，用戶可進行下一步操作，根據(jù)需求發(fā)送相應的調(diào)節(jié)懸架的指令，懸架接收到指令后執(zhí)行相應的動作并且實時返回懸架狀態(tài)信息，用戶可通過懸架狀態(tài)信息繼續(xù)調(diào)整，直到調(diào)到合適位置為止。

當調(diào)整結(jié)束，不需要進一步調(diào)整時，APP 發(fā)送斷開連接指令，藍牙遠程調(diào)試控制器與懸架ECU 斷開連接，再發(fā)送其他操作指令（連接指令除外）也將視為無效。若斷開連接后仍然需要調(diào)整懸架，此時只需要重新發(fā)送連接指令，然后再發(fā)送具體的調(diào)整指令即可。本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

4 藍牙遠程調(diào)試控制器功能測試

為了確保整個系統(tǒng)和模塊的正確性與可靠性，對設計的藍牙遠程調(diào)試控制器的功能完整性進行測試，搭建了如圖7 所示未上車前的功能測試硬件平臺，手機APP 通過藍牙與藍牙遠程調(diào)試控制器（位于圖7 中央的黑色板）連接，藍牙遠程調(diào)試控制器與懸架ECU（位于圖7 左側(cè)的綠色板）通過CAN雙絞線連接，此外還將CAN 卡（位于圖7 上方）接入CAN 總線上。圖8 為CAN 卡觀察CAN 報文收發(fā)界面。

圖8 CAN 卡觀測界面

首先對硬件電路進行測試，檢查各模塊是否連接正確，藍牙遠程調(diào)試控制器、懸架ECU 供電是否正常。

隨后對軟件代碼進行測試，手機APP 按流程圖先與藍牙遠程調(diào)試控制器完成配對，然后發(fā)送連接指令（如圖7 中手機通信框第一行所示，連接指令為55010255AAAA0D0A），此時可在CAN 卡觀察藍牙遠程調(diào)試控制器與懸架ECU 之間通信的CAN 報文（圖8 中幀ID 為550 的報文是藍牙遠程調(diào)試控制器發(fā)給懸架ECU 的報文，其第一個字節(jié)的最高位置1表明發(fā)送了建立連接的請求），再通過手機APP 界面返回值觀察藍牙遠程調(diào)試控制器返回的懸架連接狀態(tài)（圖7 中手機通信框第二行所示為懸架ECU 返回的消息—AA01020200AF 0D0A，其中第7 個數(shù)和第8個數(shù)組合代表連接狀態(tài)，01 代表連接失敗，02 代表連接成功），成功建立連接后，再逐一發(fā)送其他的操作指令，觀察CAN 卡上和手機APP 上的信息是否正確，經(jīng)測試所有指令均能成功執(zhí)行。

在完成上述平臺測試后又進行了上車測試，如圖9 所示。上車后又將所有指令再次測試，其中前后橋高度上升、下降指令的測試結(jié)果如圖10 所示。

圖9 實車測試

圖10 懸架高度指令測試

由圖10 可得，在系統(tǒng)建立連接后，手機APP 通過藍牙向懸架ECU 分別發(fā)送了10 組不同的前橋懸架高度值和后橋懸架高度值，懸架接收指令后進行動作，前后橋?qū)嶋H高度值曲線一直在設定高度值曲線附近，誤差在1～3 mm 左右，在懸架控制策略允許的精度范圍以內(nèi)。

經(jīng)過上述所有測試，所設計的藍牙遠程調(diào)試控制器能夠達到使用戶通過藍牙遠程調(diào)節(jié)電控懸架的目的。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于藍牙的電控懸架遠程調(diào)試控制器，包括硬件設計和軟件設計。無線模塊的應用使得用戶可以遠程控制電控懸架，按照不同的舒適性對懸架進行調(diào)整，可以極大的增加乘坐的舒適性。經(jīng)過測試，系統(tǒng)工作可靠，功能完善，滿足控制需求。