一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置的制作方法

1.本实用新型涉及车辆工程教学培训技术领域，具体涉及一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置。


背景技术：

2.随着我国社会发展的进步，汽车逐渐成为我们日常使用的工具，国内汽车行业的发展离不开对于车辆技术领域人才的培养，且伴随人工智能技术的发展，对于车辆技术领域的教学提出了更高要求的标准。
3.目前市场上主流的嵌入式教学评估板多数基于51单片机或者stm32单片机，然而这些主控芯片多数为非车规级单片机，存在以下缺点和不足：
4.首先，非车规级嵌入式评估板对emc电磁兼容性能、使用温度、生产工艺、安全性能、可靠性没有统一的标准，且不能够在复杂的电磁环境下正常工作，抗干扰能力较弱，不太适合汽车学院汽车电子相关专业的教学培训，不容易形成严谨的专业技能和专业素养，更适合普通民众和业余爱好者；
5.其次，市场上的教学评估装置多为简单的控制和采集模块，较少有车规级大功率（>150w）或大电流（>20a）的电机驱动和控制评估装置，并且能够同时兼容有刷电机和无刷电机的评估装置少之又少；
6.再者，普通的51或者stm32主控芯片不利于汽车电子的二次开发，非车规级主控的软硬件架构和开发平台不够稳定安全，性能也不够全面。
7.因此解决上述问题是我们亟需的。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型目的在于提供一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置通过车规级嵌入式控制基础板连接车规级无刷电机驱动板和车规级有刷电机驱动板等元器件的结合，以解决现有大学和高职院校中普遍缺少车规级教学评估装置，不兼并有刷电机和无刷电机的评估，且使用温度、安全性和可靠性等标准不统一的问题，能有效提高汽车电子相关专业人士的研究开发速度和教学培训效果。
9.本实用新型通过下述技术方案实现：
10.一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置，包括车规级嵌入式控制基础板、车规级无刷电机驱动板、车规级有刷电机驱动板、继电器控制模块和da输出模块，所述车轨级嵌入式控制基础板连接所述车规级无刷电机驱动板和车规级有刷电机驱动板，所述车规级无刷电机驱动板连接有无刷电机，所述车规级有刷电机驱动板连接有有刷电机，所述继电器控制模块连接有电源，继电器用于调节电源输入至车规级嵌入式控制基础板，所述da输出模块连接有电机控制器，所述车规级嵌入式控制基础板控制所述有刷电机和无刷电机，所述车规级无刷电机驱动板驱动无刷电机，所述车规级有刷电机驱动板驱动有刷电机，所述da输出模块连接所述车规级嵌入式控制基础板用于对所述驱动电机控制器
（mcu）进行扭矩开度控制。
11.在本方案中，所述车规级嵌入式控制基础板具备有刷电机和无刷电机控制接口，与其连接的车规级无刷电机驱动板采用车规级三相桥驱动芯片tle7183，与其连接的车规级有刷电机驱动板选用车规级h桥驱动芯片tle7182，上述电机的操作温度为
‑
40℃到 150℃；采用大功率车规级mos管，符合aec
‑
q101汽车行业标准，所述继电器控制采用常开触点接大负载满足交流250v/10a或者直流30v/10a，光耦隔离保护，驱动能力强的功能，所述da输出模块能够通过单片机控制，将数字量转化为模拟信号输出，模块采用车规级da输出芯片和元器件，符合aec
‑
q100汽车行业标准，可实现2路模拟信号的精确采集，12位分辨率，操作温度为
–
40℃到 125℃，实现踏板与上述各类电机的驱动的控制，其中，各个器件规格较统一，使用温度范围统一，且能同时实现对无刷电机和有刷电机的控制便于汽车电子相关专业人士的研究使用和教师教学培训。
12.进一步地，所述变速箱内设有变速器，所述车规级嵌入式控制基础板还连接有ad采样模块和频率采集模块，所述ad采样模块采集所述变速箱档位，所述频率采集模块(9)采集所述变速器输出端转速信息。
13.在本方案中，所述ad采样模块可将模拟量的电信号转化为数字量，用于对于档位位置的采集，并将其传输至车规级嵌入式控制基础板，所述频率采集模块实现对现有变速器输出轴转速的测量。
14.优选地，所述车规级嵌入式控制基础板还连接有无线定位模块和网络传输模块。
15.本方案中，所述无线定位模块和网络传输模块可用于对整车状态监测、定位和远程控制。
16.进一步地，所述车规级嵌入式控制基础板还连接有蓝牙无线传输模块，蓝牙无线传输模块可用于整车数据的无线传输。
17.优选地，所述车规级嵌入式控制基础板还连接有串口通信模块，所述串口通信模块采用rs232转ttl用于整车数据有线传输。
18.优选地，所述车规级嵌入式控制基础板连接有显示模块、温度传感器模块和湿度传感器模块，所述显示模块显示所述车规级嵌入式控制基础板传输的关键数据。
19.在本方案中，所述温度传感器模块可用于车辆变速器温度监控，所述湿度传感器模块可用于对整车湿度信息采集，所述显示模块选用oled显示模块，其可用于对关键数据的实时显示。
20.优选地，所述车规级嵌入式控制基础板连接有eeprom存储模块，其可用于在掉电后对数据进行储存。
21.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
22.1、本实用新型一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置，车规级嵌入式控制基础板具备有刷电机和无刷电机控制接口，与其连接的车规级无刷电机驱动板采用车规级三相桥驱动芯片tle7183，与其连接的车规级有刷电机驱动板选用车规级h桥驱动芯片，电机的操作温度为
‑
40℃到 150℃；采用大功率车规级mos管，符合aec
‑
q101汽车行业标准，继电器控制采用常开触点接大负载满足交流250v/10a或者直流30v/10a，光耦隔离保护，驱动能力强的功能，da输出模块能够通过单片机控制，将数字量转化为模拟信号输出，模块采用车规级da输出芯片和元器件，符合aec
‑
q100汽车行业标准，可实现2路模拟信号的
精确采集，12位分辨率，操作温度为
–
40℃到 125℃，实现踏板与上述各类电机的驱动的控制，其中，各个器件规格较统一，使用温度范围统一，且能同时实现对无刷电机和有刷电机的控制便于汽车电子相关专业人士的研究使用和教师教学培训；
23.2、ad采样模块可将模拟量的电信号转化为数字量，用于对于档位位置的采集，并将其传输至车规级嵌入式控制基础板，频率采集模块实现对现有的同步器内的结合套和结合齿圈转速的测量，无线定位模块和网络传输模块可用于对整车状态监测、定位和远程控制，温度传感器模块可用于车辆变速器温度监控，湿度传感器模块可用于对整车湿度信息采集，显示模块选用oled显示模块，其可用于对关键数据的实时显示。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
25.图1为本实用新型实施例中车规级嵌入式控制系统教学评估装置结构框图；
26.图2为本实用新型实施例中电动汽车的变速控制示意图。
27.附图标记及对应的零部件名称：
28.1、车规级嵌入式控制基础板；2、车规级无刷电机驱动板；3、车规级有刷电机驱动板；4、蓝牙无线传输模块；5、无线定位模块和网络传输模块；6、串口通信模块；7、ad采样模块；8、da输出模块；9、频率采集模块；10、继电器控制模块；11、温度传感器模块；12、湿度传感器模块；13、eeprom存储模块；14、显示模块。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
30.在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
31.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
实施例
33.如图1所示，本实用新型一种基于车规级主控的嵌入式控制系统教学评估装置，包括作为辅助设备的变速箱、油门踏板和驱动电机控制器，还包括车规级嵌入式控制基础板1、车规级无刷电机驱动板2、车规级有刷电机驱动板3、继电器控制模块10和da输出模块8，车轨级嵌入式控制基础板连接车规级无刷电机驱动板2和车规级有刷电机驱动板3，车规级无刷电机驱动板2连接有无刷电机，车规级有刷电机驱动板3连接有有刷电机，继电器控制模块10连接有电源，继电器用于调节电源输入至车规级嵌入式控制基础板1，da输出模块8连接有驱动电机控制器，da输出模块8连接车规级嵌入式控制基础板1用于驱动电机控制器扭矩开度控制，其中嵌入式基础板采用车规级英飞凌16位xc2000系列处理器，符合aec
‑
q100汽车行业标准，主频80mhz，flash memory 832kbytes，sram 32kbytes，车规级高精度电压参考，丰富的硬件资源：73路i/o口，数字量i/o有57路，模拟量输入16路，以及2路车规级can通讯模块、串口通信、有刷电机和无刷电机控制接口，具备jtag调试和烧写功能，支持引导烧写和一键下载功能，支持uds刷写及诊断。无刷电机驱动板采用车规级三相桥驱动芯片tle7183，符合aec
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q100汽车行业标准，操作温度为
‑
40℃到 150℃；采用大功率车规级mos管，符合aec
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q101汽车行业标准，该模块内置高精度运放实现电机电流采样，具有反接保护、过压保护、欠压保护、过温警告、过流警告、短路检测等保护功能，能够实现转速闭环、电流闭环、位置闭环等控制方式，两位故障码显示，额定电压dc12v，额定工作电流20a，额定功率240w，堵转电流35a，限制保护电流55a。有刷电机驱动板采用车规级h桥驱动芯片tle7182，符合aec
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q100汽车行业标准，操作温度为
‑
40℃到 150℃，采用大功率车规级mos管，内置高精度运放实现电机电流采样，具有反接保护、过压保护、欠压保护、过温警告、过流警告、短路检测等保护功能，能够实现转速闭环、电流闭环、位置闭环等控制方式，一位故障码显示，额定电压dc12v，额定工作电流20a，额定功率240w，堵转电流35a，限制保护电流55a。da输出模块8能够通过单片机控制，将数字量转化为模拟信号输出，模块采用车规级da输出芯片和元器件，符合aec
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q100汽车行业标准，可实现2路模拟信号的精确采集，12位分辨率，操作温度为
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40℃到 125℃。两路继电器模块，模块工作电压为5v/12v，常开触点接大负载，能够满足交流250v/10a或者直流30v/10a，光耦隔离保护，驱动能力强，配有继电器开关指示灯。
34.上述各个器件规格较统一，使用温度范围统一，且能同时实现对无刷电机和有刷电机的控制便于汽车电子相关专业人士的研究使用和教师教学培训。
35.需要提及的是，估装置基础板具有5v供电模块，可为外接功能模块提供5v电源，基础板还具备led跑马灯、蜂鸣器、纽扣开关、独立按键、功能模块接口以及xc2000主控芯片包含的所有扩展口功能。
36.作为上述实施例的优选，如图1所示，变速箱内设有变速器，车规级嵌入式控制基础板1还连接有ad采样模块7和频率采集模块9，ad采样模块7调节变速箱档位，频率采集模块9采集同步器信息，其中ad采样模块7可将模拟量的电信号转化为数字量，传送给单片机进行处理，采用车规级运放和元器件，符合aec
‑
q100汽车行业标准，可实现4路模拟电压信号的精确采集，10位分辨率，操作温度为
–
40℃到 125℃。频率采集模块9主要针对编码器信号的采集，例如磁编码器、霍尔传感器、光电编码器、旋转变压器等，此模块支持3路频率量的输入，可满足1hz
‑
100khz的频率输入，可对相位相差90度的a相、b相信号进行四倍频增量
式采集，精度更高。采用滤波模块和施密特反向器设计电路，对编码器的输出信号进行滤波和整形，能通过上升沿、下降沿及信号占空比实现不同信号的判定，并具有故障诊断和保护功能，频率采集模块9实现对现有的变速器输出轴转速的测量。
37.作为上述实施例的优选，如图1所示，车规级嵌入式控制基础板1还连接有无线定位模块和网络传输模块5，无线定位和网络传输模块采用标准的at 固件支持功能，包括电话语音、短信、tcp&udp、tcp&udp透传、ntp、http、ftp、mqtt等，同时也支持lua语言进行二次开发。
38.作为上述实施例的优选，如图1所示，车规级嵌入式控制基础板1还连接有蓝牙无线传输模块4，蓝牙无线传输模块4可用于整车数据的无线传输，蓝牙无线传输模块4采用蓝牙4.0和低功耗蓝牙串口，待机功耗90
‑
400ua，连接距离10米，传输速率3kbytes/s，安卓、苹果通用，主从一体。
39.作为上述实施例的优选，如图1所示，车规级嵌入式控制基础板1还连接有串口通信模块6，串口通信模块6采用rs232转ttl用于整车数据有线传输，以及各类单片机的烧写。
40.作为上述实施例的优选，如图1所示，车规级嵌入式控制基础板1连接有显示模块14、温度传感器模块11和湿度传感器模块12，显示模块14显示车规级嵌入式控制基础板1传输的关键数据，其中oled液晶显示屏，iic/spi通信，分辨率为128*64，可视角度大于160
°
，低功耗0.08w，湿度测量模块可测量范围为20－90％rh 0－50℃，测量精度
±
5％rh，单线双向串行接口，分辨率8位。温度传感器模块11可测温范围为
‑
55℃到 125℃，精度
±
0.5℃，高导热性密封灌封，可测量水温，12位分辨率。
41.此外，需要说明的是，车规级嵌入式控制基础板1选用can通信连接，
42.可以理解的是，评估装置的选择提供2路独立的高速can总线，兼容can
‑
fd数据帧结构，符合sae 1939协议的can总线接口，符合iso11898 标准，具有传输时间短，干扰概率低，错误检测能力强的优点，通讯数据带宽可达1mbaud，具备iso 7637和sae j2962
‑
2标准的汽车瞬态保护、过热保护、短路保护等功能，并具有出色的esd鲁棒性和较强的emi/emc性能，默认内置120欧姆终端电阻。
43.此外，如图1所示，述车规级嵌入式控制基础板1连接有eeprom存储模块13为可擦除存储器，16k内存空间，其可用于在掉电后对数据进行储存。
44.可以理解的是，车规级嵌入式控制基础板1还连接有上位机人机交互软件，其实现上位机和下位机的通讯、显示和控制，通过上位机查看下位机的运行状态和故障、报警显示，通过上位机发送控制指令，能够对下位机进行相关功能控制，操作界面模块化，并可根据实际需求定制化开发。
45.具体以一电动汽车的变速器控制以图2为例，实施过程如下：
46.首先，整车控制器（vcu）通过can通信模块对教学基础板发出换档指令，频率采集模块9对转速大小进行采集，并由单片机的计数器单元换算成转速进行判定，如果转速低于换档需求转速，教学基础板会对电机控制器（mcu）发出扭矩控制指令，通过增加扭矩提高转速，反之，则通过降低扭矩减小转速，直到达到换档需求的转速同步条件，此时电机驱动模块会让换档电机进行动作，并通过ad采样模块7对换档位置进行采集，如果换档位置判定已经达到档位位置，则换档完成，反之则再次进行转速判定，重新进行换档操作。
47.换档过程中，其它功能模块可以对换档过程起到辅助作用，并进行实时监测，例如
蓝牙模块可以对换档数据进行无线传输，并通过oled显示模块14进行相关数据的实时显示；无线定位和网络传输模块可以对整车位置进行定位，并将关键数据通过移动网络传输到控制中心，并能够实现远程启停和参数调节；eeprom存储模块13可以对换档前后的关键数据进行存储，并可以存储故障信息，方便故障诊断和排查；温度传感器模块11可以对变速器的温度进行采集，防止过温；da输出模块8可用于电机控制器扭矩开度控制；继电器模块可控制整车某些功能部件的上电和下电；上位机人机交互界面可用于整车和变速器换档过程的数据采集、存储和趋势分析，提供友好直观的教学界面，便于理解整个换档过程各变量的曲线变化。
48.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。