CN202551110U - 基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统 - Google Patents

Abstract

基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统。该系统包括：ARM处理模块、网络接口驱动模块和监控系统模块。ARM处理模块是用ARM对汽车开关导通后接收到的转换电压信号进行处理、控制。网络接口驱动模块是将ARM处理模块作为远程DMA主机，通过以太网控制器连入Internet来与多台PC机高速传输数据。因以太网总线的传输速度高达100Mbp/s，解决了控制器处理速度快，但PC机传输速度慢而导致滞后的瓶颈问题；监控系统模块采用LABVIEW，特点是用图形化编程语言在流程图中创建源程序并且支持TCP、UDP等网络协议。该系统能够提高汽车开关检测的效率和准确度，并能进行远程传输通信。

Description

基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统

技术领域

本实用新型涉及汽车检测技术领域，特别是对汽车开关的功能进行系统测量，目的在于提高汽车开关功能检测的速度和准确度，并对其进行远程传输通信。

背景技术

传统的汽车开关功能主要是采用机械式试验台或者模电灯泡试验台来进行检测。不同开关的结构不同、档位不同、触点连线也不同。若采用传统的机械式试验台，不同开关必须有相应的运动机构与之相配套，更换产品时机构的调整困难，检测动作不准确，即使同一种组合开关中不同的开关检测也存在着同样的问题，其最大缺点是无法在线测出组合开关各档位的触点压降。因此，这种传统的检测方法无法满足组合开关性能试验的要求。模电灯泡试验台是通过一些简单的模电电路，最终通过灯泡的亮与不亮来显示开关档位的正常与否。这种试验台的电路简单，易受干扰，随着电路的老化信号可能显示错误。并且由于灯泡的使用寿命有限，需要经常更换灯泡和其他装置。随着汽车开关的发展尤其是组合开关的快速发展，档位越来越集中并增多，这种简单的测试手段已经无法满足汽车开关快速发展的需要。

现代的汽车开关功能检测系统主要是采用上下位机的思想。通过开关夹具的接插件固定导通开关，用单片机做下位机的控制器来接收转换过后的开关电压信号，然后通过RS232总线传输到上位PC机上。在上位机上用Visual C++或者C++builder这些语言来编写一个用户界面来监控开关的档位情况。这种技术比之前的机械式试验台和模电灯泡试验台有非常大的改进，能够准确检测各种不同数目引脚的开关。但是它也存在一些问题：由于单片机的存储容量有限以及集成度不高，因此由其组成的信号采集电路需要的外围电路更多，实时性不够强。另外，通过RS232总线与上位PC机传输数据的速度慢，并且当信号传输速率达到900Kbps时会出现信号传输延迟和信号失真等不稳定的情况。上位PC机用VC++或者C++builder编写的监控系统操作不够便捷，人机交互性不是很好。

近年来，随着微电子技术、计算机技术、虚拟仪器技术的迅速发展，嵌入式技术已经广泛地渗透到测控系统、仪器仪表领域当中。随着嵌入式的广泛应用和发展，基于Internet为标志的嵌入式系统成为一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。

本实用新型采用的就是基于嵌入式测控系统的思想，采用嵌入式Internet技术和虚拟仪器技术来构建一个嵌入式新型汽车开关功能检测系统。

发明内容

本实用新型目的是解决下位机与上位PC机之间数据的高速传输以及远程通信问题，提供一种基于嵌入式Internet技术的新型汽车开关功能检测系统。本实用新型将嵌入式技术和虚拟仪器技术相结合，并采用嵌入式Internet技术实现下位机和上位PC机的通信，最后在PC机上用LabVIEW编写的监控系统进行数据的显示和存储以及进行远程通信。

基于嵌入式Internet技术的新型汽车开关功能检测系统就是采用嵌入式Internet技术，用ARM做下位机的控制器来对采集到的开关转换电压信号进行处理控制，然后通过以太网控制器从以太网总线上把数据传输到上位PC机上。在上位PC机上采用应用最广泛的虚拟仪器开发环境LabVIEW来编写监控系统。其交互性好，操作便捷且可以进行远程通信以用来及时地进行数据共享。由于以太网总线的额传输速度可以达到100Mbps，因此采用嵌入式Internet技术能够大大提高下位机与上位PC机的传输速度，且可以把传输到的数据通过以太网进行局域和远程通信，能够大大提高开关功能检测的效率。

本实用新型提供的基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统，由ARM处理模块、网络接口驱动模块和监控系统模块三部分组成(如图1所示)；

ARM处理模块通过数据总线连接到以太网控制器对应的引脚上与网络接口驱动模块双向连接，网络接口驱动模块通过以太网总线与监控系统模块双向连接。

所述的ARM处理模块由下位机完成，包括ARM处理器、继电器模块、光电耦合模块和开关电源；主要用于完成对接收到的开关电压转换信号进行处理、控制以及响应中断等，以实现与PC机的高速通信。

ARM处理器是用来把导通后产生的电流信号通过继电器控制的负载转换成电压信号后，经过光电耦合器和其他处理后传送给ARM进行AD转换和控制。由于以太网通信采用的Lwip协议需要实时操作系统uCOS II的支持，需要把它的代码烧录到ARM处理器的存储器上来加载uCOS II操作系统。

开关电源主要用于为ARM处理模块和ARM提供驱动电压；继电器模块可以用于切换电阻负载，也用于控制检测系统的工作与否，只有继电器导通后，系统才能正常工作；光电耦合模块用于对检测到的开关信号进行光电隔离的抗干扰设计。

开关电源正极经开关夹具通过电源转换芯片后连接到ARM处理器的电源引脚，开关电源负极直接接地并连接到ARM处理器的接地端。继电器的正极和负极端分别连接到开关电源的正极端和接地端。继电器的信号输入端连接到ARM处理器的通用I/O端口处，由ARM编程控制通过八重达林顿管驱动。负载电阻和光电耦合模块并联在继电器的正负极两端，分别用于对电流信号进行电压转换和数字信号进行光电隔离。其中负载电阻受继电器模块的控制，用于根据不同的开关情况进行电阻切换。经过继电器模块和光电耦合模块处理后的信号输入到ARM处理器的数据输入引脚。

当开始检测时，按下一个开关后，主回路导通，产生电流信号，经过负载后变成模拟或数字电压信号。模拟信号如开关的电压降用16路差分信号来检测然后传输给ARM，数字信号经过光电耦合隔离后传输给ARM处理器。

网络接口驱动模块主要包括通过以太网控制器连接上位机和下位机的ARM处理模块，采用以太网总线传输数据的通信。下位机的ARM处理模块通过以太网控制器和上位机通过以太网总线高速传输数据，软件设计上采用瑞士计算机科学院开发的LwIP协议栈来实现；下位机的ARM处理器先把ARM输出的数据信号传输到以太网控制器的缓冲区中，然后运用LwIP协议来控制数据通过以太网总线传输到上位机的网卡中，最后通过PCI总线在应用层的应用程序上显示。LwIP协议主要是针对嵌入式系统进行设计的，能够在保持TCP/IP协议主要功能的基础上尽量减少对RAM的使用。

监控系统模块在上位机上通过LabVIEW软件编程实现，包括对网卡接收到的数据进行数据处理分析、图形化显示和远程通信。它是嵌入式车用开关功能检测系统中重要的一部分。该模块首先对从网线上传输到网卡中的数据进行提取并进行变量初始化，然后根据数据信号应用的不同分成两路传输，一路传输到上位机界面上进行数据显示和存储；另一路数据写入网卡传输缓冲区中通过互联网进行远程通信。由于监控系统和下位机通过以太网总线传输，在发送数据之前根据LwIP协议的数据传输格式进行数据转化与打包，在显示数据之前根据数据传输帧格式判断数据，进行数据解包与处理。

本实用新型的优点和积极效果：

1.本检测系统采用ARM做下位机的控制器来对导通后产生的开关信号进行采集处理和控制，利用继电器控制负载电阻的切换，大大提高了数据处理速度，具有测量灵活、扰干扰性强、实时性强等优点。

2.本检测系统采用嵌入式Internet技术，与传统的串口传输相比，具有传输速度快、远程通信、可靠性高等优点，与笔记本相连，还可实现便携式检测。

3.在上位PC机上利用图形化编程软件LabVIEW开发监控系统。结合了LabVIEW强大的系统开发能力，效率高，操作便捷和人机界面良好等特点，大大地减少了监控系统软件开发的工作量和开发周期。

附图说明

图1是基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统结构示意图。

图2是ARM处理模块电路设计图。

图3是网络接口驱动的数据传输流程图。

图4是监控系统主程序框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的基于嵌入式Internet技术的新型汽车开关功能检测系统主要由三部分组成，分别为ARM处理模块、网络接口驱动模块和监控系统模块三部分，下面分别详述如下：

1.测量原理

由于该开关功能检测系统是针对不同种类的开关进行检测，有的开关接插件能达到20多个，所以我们采用32路数字信号输入和32路数字信号输出的方式来检测。电压降等模拟信号采用16路差分信号的方式检测。不同接插件数目的开关只需更换对应的开关夹具。当开始检测时，按下一个开关后，由开关电源，ARM处理器，继电器模块和光电耦合等组成的主回路导通，产生电流信号，经过继电器模块控制切换的负载后变成数字电压信号。模拟信号采用16路差分信号的方式检测并传输给ARM，数字信号经过光电耦合隔离后传输给ARM处理器。经过ARM处理器内部的AD转换和其他处理后，把信号编码成能够在以太网总线中传输的符合LwIP协议的代码并驱动以太网控制器从以太网总线上把数据传输到PC机上。PC机上用LABVIEW编写开关功能检测的监控系统，来实时地显示开关功能检测的情况和状态，以便操作人员更好地进行处理和记录。

2.ARM处理模块

包括ARM处理器、继电器模块、光电耦合模块、开关电源等，主要完成对接收到的开关电压转换信号进行处理、控制以及响应中断等，以实现与PC机的高速通信。

首先把开关插入开关夹具的接插件上固定并使开关电源通上电。当按下一个档位的开关后，汽车开关内部PCB部件的工作使得检测系统的主回路导通并在开关导通处产生一个开关电流信号。经过由继电器控制切换的负载后转换成一个相应的电压信号，之后再经过一些外围的光电耦合或者其他模块的处理后传输给微处理器ARM。ARM对接收到的开关电压信号进行编程控制处理后通过以太网控制器传输给PC机。在这里选用ARM处理器作为微处理器，因为ARM处理器具有集成度高、运算速度快和实时性强等优点，并且ARM能够加载实时操作系统uCOS II来支持用于嵌入式网络通信的LwIP协议，更适合用于下位机与PC机的网络传输。其硬件电路设计图如图2所示。

由于不同种类开关对应的负载应是不同的，这里采用继电器来控制负载的切换，用ARM对相应引脚的编程来控制八重达林顿管来驱动继电器模块切换负载到不同的电阻值。继电器模块也可用于控制检测系统的工作与否。只有继电器导通后，系统才能正常工作，这样可以防止检测系统受到突然断电造成的损害。开关的电压降也是衡量一个开关功能的另一个重要的标准。由于开关的电压降是一个模拟信号，因此需要采用16路差分信号来对开关的电压降信号进行检测控制。光电耦合器是用来对产生的开关数字信号进行光电隔离以提高其抗干扰性。电源电路是利用12V的开关电源分别经过相应的电源转换芯片转化为5V、3.3V来驱动ARM处理器和其他电路设备作用。

3.网络接口驱动模块

主要包括上位PC机和下位机之间通过以太网控制器连接，采用以太网总线传输数据的通信。硬件上采用以太网控制器来连接上下位机传输。该模块把ARM控制模块作为一个远程DMA主机并分配它一个与PC机同一个字段的IP地址，通过以太网控制器在局域网内与多台PC机连接传输数据或者连入Internet来进行远程操作与监控。由于以太网总线的传输速度可以达到100Mbp/s，解决了以前控制器处理速度快但是与PC机传输速度慢而导致滞后的瓶颈。以太网控制器内部集成有专用的数据缓冲区，当有数据到来时会先将数据存储到该缓冲区中，然后将要发送的数据包按指定的格式写入芯片输入输出缓冲区中并启动发送命令并自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输，反之它收到物理信号之后将其还原成数据，按指定的格式输入输出缓冲区中供应用程序来取用。

软件协议采用瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的、开放源代码的协议栈Light Weight(轻型)IP协议，实际上是简化版的TCP/IP协议。它主要是针对嵌入式系统进行设计的，具有显著的优点即有无操作系统均可运行，且在保持TCP/IP协议主要功能的基础上尽量减少对RAM的使用。通常来讲，只需要几百字节的动态存储器和40K左右的程序存储器就可以运行，这使LwIP协议栈非常适合在嵌入式系统中使用。网络接口驱动的整个数据传送过程如图3所示。

4.监控系统模块

监控系统是用户操作界面，可以通过它实现对试验过程的综合管理。它主要包括对网卡接收到的数据进行数据处理分析、图形化显示和存储以及远程通信。由于监控系统和下位机通过以太网总线传输，在发送数据之前根据LwIP协议的数据传输帧格式进行数据转化与打包，在显示数据之前根据数据传输帧格式判断数据，进行数据解包与处理。

传统的开发平台如BASIC，VC++等程序设计麻烦，开发周期相对比较长。该系统采用目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境LabVIEW。LabVIEW是一个功能比较完整的软件开发环境。LabVIEW软件的特点在于：它使用图形化编程语言在流程图中创建源程序，运行方便，编程简单易懂。且支持TCP、UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备，为检测系统的网络数据传输和远程控制通信提供了良好的基础条件。LabVIEW是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程语言的优点，而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。LabVIEW将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，大大简短了虚拟仪器的开发周期。监控程序的主程序框图如图4所示。

上位机软件利用应用最广发的LabVIEW软件编程开发上位PC机的实时监控系统。结合了LabVIEW强大的系统开发能力，效率高，操作便捷和人机界面良好等特点，大大地减少了监控系统软件开发的工作量和开发周期。

Claims (2)

1.一种基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统，其特征在于，该系统由ARM处理模块、网络接口驱动模块和监控系统模块三部分组成；

ARM处理模块数据总线连接到以太网控制器对应的引脚上与网络接口驱动模块双向传输，网络接口驱动模块通过以太网总线与监控系统模块双向连接。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式Internet技术的汽车开关功能检测系统，其特征在于所述的ARM处理模块由下位机完成，包括ARM处理器、继电器模块、光电耦合模块和开关电源；

开关电源正极经开关夹具通过电源转换芯片后连接到ARM处理器的电源引脚，开关电源负极直接接地并连接到ARM处理器的接地端。继电器的正极和负极端分别连接到开关电源的正极端和接地端。继电器的信号输入端连接到ARM处理器的通用I/O端口处，由ARM编程控制通过八重达林顿管驱动。负载电阻和光电耦合模块并联在继电器的正极和负极端，分别用于对电流信号进行电压转换和数字信号进行光电隔离。经过继电器模块和光电耦合模块处理后的信号输入到ARM处理器的数据输入引脚。

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