基于STM32的汽车燃气检测系统

摘 要 设计了一种基于STM32的汽车燃气检测系统，该系统由主控模块、检测模块和人机界面组成。主控模块与人机界面用串口进行通信，简单高效。检测模块和主控模块之间采用LIN总线通讯，保证了较低速度下的信息传输稳定性。建立了一个稳定可靠、低成本、可交互的实时监测系统。

【关键词】STM32 燃气 AD检测 LIN总线

1 引言

随着我国可持续发展战略的进一步实施和石油资源的日益紧缺，天然气汽车在环保和节能方面的作用会越来越受到重视，其发展前景广阔。国家已经颁布严格的天然气汽车技术标准。从加气站设计、储气瓶生产、改车部件制造到安装调试等，每个环节都形成了严格的技术标准。设计上考虑了严密的安全保障措施。对高压系统使用的零部件，安全系数均选用1.5～4以上。储气瓶出厂前要进行特殊检验。气瓶经常规检验后，还需充气作火烧、爆炸、坠落、枪击等试验，合格后，方能出厂使用。但是为了保证驾驶员在驾驶汽车过程中不会出现因燃气泄漏而引发的悲剧我们仍需对汽车前后舱内的天然气浓度进行实时监测。

目前探测气体的方法主要有气相色谱法、催化（生物膜）传感器以及光谱法等， 但各有其缺点。例如气相色谱法多用于检测变压器中的气体浓度， 气相色谱定期检测法作业程序十分复杂而且价格昂贵； 催化传感器的缺点是寿命短， 稳定性较差， 受环境影响较大。本系统外部环境影响较小采用MQ-2传感器作为检测工具实现燃气检测功能。

2 检测系统整体设计

根据检测的要求，可以将整个系统分为三部分如图1所示可分别为主控模块、检测模块和人机界面，主控模块和检测模块通过LIN总线进行通讯，而人机界面则通过UART与主控模块进行交流已完成整个检测过程并实现个性功能。

主控模块是控制系统的主要部分，以STM32103系列为主控芯片，STM32系列是由意法半导体公司设计的ARM Cortex-M3内核。该系列芯片具有高性能，低成本与低功耗的特点，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。外接8M和32K晶振，拥有LIN和UART两种通讯方式。主控模块是LIN的主模块，用以控制两个从模块的工作和交流，同时也会实现对监测数据的测量，当达到阀值时会进行报错处理。此外，主控模块拥有三种工作模式，可以实现节能效率两不误。主控模块与上位机的交流是人们能控制监测系统地主要方式，在主控模块中现有8种指令解读方式并预留数据位以方便新系统地扩展。

检测模块有两个分别在前舱和后舱各一个，检测模块作为LIN的从模块同样以STM32103系列为主芯片，外接8M晶振提供系统时钟。检测模块主要控制检测头温度以及检测燃气浓度。两个检测头在主模块的控制下交替工作。

人机界面是在WINDOWS环境下实现的基于QT的界面编写主要是实现查询错误信息以及设定时间等功能。让人们可以更好地控制此燃气检测程序并为后续的检修燃气罐提供依据。

3 硬件设计

针对气体检测系统的功能要求，主控模块除了最基本的电源，晶振，JTAG，UART端口外，LIN芯片电路（TJA1020）与STM32的UART1端口相连通过STM32自带的LIN功能实现基本的通讯。同时报警电路设置有一个蜂鸣器和四个报警灯完成。芯片端口提供的电压只有3.3V因此需要接一个同相驱动器实现报警灯的高亮。

检测模块需要连接一个MQ-2气体传感器，传感器与检测电路的功能实现如图2所示：气体传感器的检测端口的电阻随着气体浓度的增加而减小，可以通过主芯片的AD端口进行检测。STM32有12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

气体传感器的阻值不仅随气体浓度的变化而变化，同样还受温度的影响。为了准确地判断气体浓度的变化需要去除温度这个影响因素，即将气体传感器的温度控制在一定的范围内，在检测传感器电阻前需要对其进行预热，加热电压为5V。在检测电路靠近传感器部分设置一个热敏电阻同时串联一个10k电阻通过AD检测其电压值的变化而判断出当前温度。为了保证测量数据的准确性和调节控制功能执行的有效性，在实现温度数据采集时可以采用多点检测方式。

4 检测系统软件设计

前面提到主控模块有三种工作模式，分别为正常工作模式，节能模式和断电模式。

工作模式的启动方式有两种一种是上电启动，一种是从省电模式唤醒。两种模式都是同样的流程，首先开机自检并等待传感器加热到指定温度，然后需要测量前后舱的初始浓度以作为判断基准，此基准优先度低于预设的判断基准以防在设备启动前已经发生漏气情况。预设基准值为天然气浓度6500ppm时的值，但不同条件下漏气的浓度不一，仍需要测量基准值为判断标准，基准浓度升高30%为危险值，当测量浓度达到任何一个判断标准时都会报警。

工作模式是在两个检测头之间不停的循环检测当检测到未连接或者错误时都会报警。当发生泄漏故障时报警器会报警，并将发生故障的时间与错误信息保存到FLASH中等待上位机的查询，该数据在断电后由电池供电不会消除只能人为擦除。

STM32有三种低功耗模式：

（1）睡眠模式（Cortex™-M3内核停止，所有外设包括Cortex-M3核心的外设，如NVIC、系统时钟（SysTick）等仍在运行） 。

（2）停止模式（所有的时钟都已停止）。

（3）待机模式（1.8V电源关闭）。

如果上电后不需要在工作模式下工作，可以通过按键使系统进入节能模式（PWR），同时LIN芯片NSLP脚置地使LIN进入睡眠模式。在此模式下功耗将大大减小，同时可以通过WAKE-UP端口唤醒重新进入工作模式。

当断电后系统在自带电池的作用下只有实时时钟（RTC）工作，并保存后备寄存器（BKP）和FLASH中的数据。RTC由外部32k低速晶振提供时钟，根据上位机提供的初始时间计算当前时间用以记录泄漏事故发生的时间。但是由于晶振提供的时钟不是十分准确，所以需要对其进行一定的校准。

5 LIN通讯

LIN 总线协议的开发主要是作为高速总线（例如 CAN 总线）的辅助总线，其传输速率为 2.4Kbps～20Kbps，用在汽车内部不需要高速传输数据的控制场合，例如车灯控制、车窗控制、座椅调节和风挡雨刷调节等[4]。

LIN是基于通用SCI（UART）的硬件接口，几乎所有的IC都带有SCI（UART）接口。由于其低成本和开发方便，LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位[5]。LIN 的单总线方式可大大减少线束，降低车内布线的复杂性，这也是其应用的潜力所在。

LIN 收发器的控制电路模块为一个数字电路，其主要的功能为控制收发器的工作模式，使收发器能够在不同的工作模式之间转换。LIN 收发器有四个工作模式，正常工作模式、睡眠模式之外、准备模式和低斜率模式。各模式之间的转换如图3所示。

收发器通电之后默认的工作模式是睡眠模式。在四种工作模式下，睡眠模式的耗电量最低，此时收发器处于关闭状态，并且 LIN 总线端保持 12V 高电平，消耗的电流非常小。

准备模式为一个过渡工作模式。处于睡眠模式下的收发器如果 TXD 端没有数据发送并且被唤醒信号 NWAKE 信号（低电平有效）唤醒，收发器进入准备模式，可以根据接下来 TXD 端的数据电平的不同进入正常工作模式或者低斜率模式。

正常工作模式是 LIN 总线收发器的常规工作模式。在此模式下，收发器可以完成数据发送，数据接收等工作。

低斜率模式为 LIN 收发器在低发送速率下（速度低于10Kbps）的工作模式。在此模式下，收发器数据信号电平的上升和下降时间被拉长，其电平过渡时间为正常工作模式下的两倍。这样能够在低传输速率下降低电磁干扰。

本系统中用到的是低斜率模式和睡眠模式，TXD始终置低，当主控模块进入节能模式时LIN的NSLP脚置低使LIN进入睡眠模式。睡眠模式有三种唤醒方式，除了图中的NSLP置高和NWAKE接地外还有总线唤醒（0x80），在本系统中，从机无唤醒主机功能，只能主机单方面唤醒从机。

当温度过高时会使电路工作性能下降并有可能造成晶体管击穿损坏芯片，LIN芯片中集成有过温保护电路，用以保护芯片，而且因为传感器和电源部分都有发热，电路设计时LIN芯片需要远离这两部分。

6 结论

该汽车燃气检测系统基于ARM芯片和LIN总线设计，在汽车日益发展得今天是必然的趋势，而小型化单片机设备的开发是微智能化设备的产物。该系统提供完善的判断条件并能很好地与上位机进行交互，充分体现了人性化、智能化的特点。并且在车载电子的稳定性方面下了很大功夫，尽量去除不利因素，为人身安全和产品安全提供保障。LIN总线指令模式与上位机交流指令都预留了很大空间，为以后功能拓展与兼容提供基础。

参考文献

[1]蒋亚龙，蔡霆力，祝玉泉.可调谐半导体激光吸收光谱甲烷浓度监测系统[J].电子测量与仪器学报，2011.

[2]ST公司.STM32User’s Manual[S].//ST Microelectronisc.2007（07）.

[3]王战备.多点温度循检与自动调节系统设计[J].国外电子测量技术，2011（03）.

[4]王虹，梁杰申.基于MC9S12DG128B的LIN主/从节点设计与通信[J]. 组合机床与自动化加工技术，2011（01）.

[5]沈斌，彭程.基于LIN总线的汽车按摩椅控制系统研究[J].信息化纵横，2009（10）.

[6]佟为明，孙凡金，赵志衡.LIN总线技术[J]. 低电压器，2004（02）.

作者单位

华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室 湖北省武汉市 430074