智能式中央電器盒的設(shè)計(jì)與診斷

王劍峰，王遠(yuǎn)波，董海

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

智能式中央電器盒的設(shè)計(jì)與診斷

王劍峰，王遠(yuǎn)波，董海

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

本文簡(jiǎn)單介紹了智能式中央電器盒的設(shè)計(jì)思路、流程與方法，分析了設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注的系統(tǒng)原理、整體結(jié)構(gòu)、電子電路、電源分配、軟件編程、總線診斷等問題，系統(tǒng)闡述了整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

智能；集成；電源分配；功能；診斷

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-40-03

引言

智能式中央電器盒，是汽車上集成了中央配電系統(tǒng)和BCM控制系統(tǒng)的總成裝置。其中中央配電系統(tǒng)是大電流執(zhí)行機(jī)構(gòu)，BCM是小電流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩者結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的電源分配、線路保護(hù)、信號(hào)傳輸、功率驅(qū)動(dòng)、邏輯控制等功能。

傳統(tǒng)的中央電器盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，體積也較大，只作為線路保護(hù)和電路集中控制的元件，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代汽車的智能化要求。BCM控制器也是作為一個(gè)獨(dú)立模塊，參與著信息交互和邏輯控制的功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者的關(guān)聯(lián)也更加的緊密，從而有了將兩者整合為一體的需求。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能式中央電器盒主要由微控板、映射板和電器盒三部分組成。

微控板是BCM控制系統(tǒng)的核心部件，主要由單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片組成。整車供給12V或24V電源經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片生成5V電源，給MCU、芯片及信號(hào)處理電路供電；用飛思卡爾、英飛凌等半導(dǎo)體廠商的單片機(jī)進(jìn)行軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)BCM的控制邏輯時(shí)序。它可持續(xù)監(jiān)測(cè)繼電器、熔斷器的工作狀態(tài)，響應(yīng)來自CAN總線上的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，診斷各用電器回路的短路、斷路、虛接等狀態(tài)。

微控板需提前規(guī)劃BCM的電源工況條件和功能需求。電源工況條件需設(shè)定BAT、ACC、15和on檔電源，對(duì)設(shè)備工作條件進(jìn)行分類。功能需求一般來說，應(yīng)具備燈光控制功能、雨刮控制功能、傳感器信號(hào)采集功能，網(wǎng)絡(luò)功能及診斷功能。

映射板由可編程電路和可用于存放編程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器ROM組成。可編程電路一般由可編程邏輯塊CLB,輸入輸出模塊即I/O口和互聯(lián)介質(zhì)組成。映射是將設(shè)計(jì)好的邏輯門關(guān)系映射成物理元素，分割到各個(gè)編程電路中的過程。它是一個(gè)虛擬的過程，經(jīng)過一系列的算法最終轉(zhuǎn)化成物理電路，通過實(shí)際的端口來實(shí)現(xiàn)。

電器盒是集成了保險(xiǎn)、繼電器和負(fù)載電路的控制模塊，主要功能是整車的電源分配、開關(guān)線路信號(hào)控制和BCM驅(qū)動(dòng)控制。它是最直觀的可觀測(cè)到的部分，包含了大量的保險(xiǎn)盒繼電器、二極管、穩(wěn)壓管等，并通過插接件進(jìn)行整車輸入輸出的交換。接插件一般是與盒體注塑成一個(gè)整體，便于節(jié)省空間和模塊化。接插件的形式比較多，目前主流的是泰科的MCP系列產(chǎn)品，可根據(jù)不同的線路要求選擇具有防錯(cuò)功能的插接器。

三者之間通過PCB板、端子或者銅條采用嵌入式結(jié)構(gòu)連接就組成了智能式中央電器盒的主體結(jié)構(gòu)。殼體選用硬質(zhì)阻燃PAB材料，它有良好的絕緣性和耐老化性，價(jià)格相對(duì)便宜，在國(guó)內(nèi)主機(jī)廠普遍采用。

2、模塊設(shè)計(jì)

模塊設(shè)計(jì)是具體的將智能式中央電器板的三大主體部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。微控板是要通過無數(shù)電路集成來實(shí)現(xiàn)所需的具體功能，也是設(shè)計(jì)工作的核心和難點(diǎn)。映射板涉及到軟件編程，用軟件代碼實(shí)現(xiàn)與外電路的信息交換，是微控板和電器板之間信息交互的紐帶。電器板則由很多銅條負(fù)責(zé)電流的分配，并輸出到各用電設(shè)備。

2.1 微控板的電路設(shè)計(jì)

BCM模塊中需要用到很多上拉電路或者下拉電路，通過輸入信號(hào)的采集來進(jìn)行繼電器的控制。設(shè)計(jì)要求中規(guī)定了高有效或者低有效的控制邏輯，并要滿足對(duì)電源和對(duì)地的短路保護(hù)功能、防電磁干擾的功能及高低電平的幅值轉(zhuǎn)換、閥值限定等，綜合考慮以上因素可以得出高低電平輸入端處理電路的基本結(jié)構(gòu)：

以上輸入處理電路在BCM控制模塊中是最常用的，其可判斷開關(guān)信號(hào)進(jìn)行高低電平判斷，進(jìn)而控制繼電器觸點(diǎn)端的開閉，實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流的目的。將很多類似的模塊集成在一個(gè)PCB線路板上，就構(gòu)成了集成控制模塊。另外，有些輸入可能是數(shù)字量，也有些輸入可能是模擬量，數(shù)字量可直接由單片機(jī)讀取，而對(duì)于有些模擬量輸入則必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理/數(shù)據(jù)采集接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供MCU讀取，常用的模擬信號(hào)采集電路如下圖所示：

輸入電路接受傳感器和其它裝置輸入的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓、濾波和放大，然后轉(zhuǎn)換成適合單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換器采集的輸入信號(hào)。單片機(jī)將采集的信號(hào)進(jìn)行邏輯分析和運(yùn)算處理，并將處理數(shù)據(jù)送至輸出電路，輸出電路將數(shù)字信息的功率放大，有些還要還原為模擬信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)繼電器或者傳感器等元器件的工作。

2.2 電器板的電源分配設(shè)計(jì)

電器板設(shè)計(jì)的核心的問題在于如何進(jìn)行電源分配和保險(xiǎn)、繼電器規(guī)格的選擇、電性能及電磁兼容性設(shè)計(jì)。

保險(xiǎn)的選擇方面，本著先燒保險(xiǎn)后燒線的原則，需對(duì)輸出的各用電器的實(shí)際工作電流進(jìn)行計(jì)算；選擇帶LED指示燈的保險(xiǎn)便于故障排查。

用電設(shè)備的電流強(qiáng)度為：I=P/U。所以電壓一定的情況下，電流強(qiáng)度直接與設(shè)備的功率有關(guān)?？紤]電壓降和熱損耗等因素，保險(xiǎn)容量一般選為：FA=1.25P/U。實(shí)際的設(shè)計(jì)中還需要考慮沖擊電流、保險(xiǎn)共用、30+電、B+電及IG電等。

電性能及電子兼容性設(shè)計(jì)方面，在供電電路的上游增加TVS管抑制瞬態(tài)電壓突變，在感性負(fù)載兩端并聯(lián)反向二級(jí)管，來抑制反向電流沖擊。

選擇過電流能力較強(qiáng)的T2y紫銅作為預(yù)埋的匯流條材料，綜合考量得出最優(yōu)性價(jià)比的設(shè)計(jì)方式。

電源分配方面，分配方式完全基于整車電氣的設(shè)計(jì)要求，某電器盒的電源分配局部電路如下圖：

上圖中近光燈、左右前霧燈由BCM驅(qū)動(dòng)，當(dāng)BCM收到燈光開關(guān)信號(hào)，則拉低繼電器線圈控制端，燈光開啟。IG1電通過可驅(qū)動(dòng)40A電流的繼電器控制，同理也是由BCM控制繼電器線圈。其它電路直接由保險(xiǎn)輸出。將電器盒和微控板、映射板通過PCB、匯流條壓接在一起，智能中央電器盒的主體結(jié)構(gòu)就設(shè)計(jì)完成了。圖6為典型的層疊式結(jié)構(gòu)：

圖6中PCB板分為上下兩層，上層為BCM控制模塊，下層為繼電器保險(xiǎn)插接模塊，層與層之間通過音叉端子連接。預(yù)埋了30+電和地線接線柱各一個(gè)，通過插接器實(shí)現(xiàn)輸入或輸出功能。

2.3 軟件編程

微控板還涉及到一些簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，用函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)MCU所設(shè)定的循環(huán)尋址功能。首先設(shè)定默認(rèn)基地址值，此值不能與其它控制器沖突。預(yù)先將很多物理地址存放在ROM存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制的形式存在，編程的目的就是為了更好的調(diào)用存儲(chǔ)器中的這些數(shù)據(jù)。每個(gè)功能對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的ID地址，又用FMI地址來對(duì)同一功能不同信號(hào)類型進(jìn)行區(qū)分，這樣控制器就會(huì)在各時(shí)間周期內(nèi)按這個(gè)結(jié)構(gòu)的程序進(jìn)行循環(huán)。數(shù)據(jù)以CAN報(bào)文的形式，通過CAN_H、CAN_L兩根總線與外部電路進(jìn)行通信。

3、系統(tǒng)診斷

3.1 診斷原理

在CAN網(wǎng)絡(luò)中，為了避免總線信息沖突，引入了“非破壞性逐位仲裁機(jī)制” 。每一個(gè)報(bào)文都被分派了標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)符=ID=優(yōu)先級(jí)，標(biāo)識(shí)符越小，優(yōu)先級(jí)越高。標(biāo)識(shí)符都是由0100101……等的二進(jìn)制數(shù)字組合而成。0：代表顯性位、覆蓋；1：代表隱性位、被覆蓋。轉(zhuǎn)化為直觀的概念就是3.5V 和2.5V的電壓變化，只是這種變化周期是毫秒級(jí)的。收發(fā)器會(huì)定期接收和發(fā)送具有雙向傳遞功能的CAN-BUS電信號(hào)，由主芯片檢查有效的電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。

CAN源地址=基地址+偏移地址（設(shè)定基地址為：00A0）

PGN偏移常值：保險(xiǎn)絲0x00、繼電器0x01、錯(cuò)誤信息0x02。

在CAN協(xié)議中，所有數(shù)據(jù)均以固定格式的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，在發(fā)送過程中邊發(fā)送邊檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則終止發(fā)送，并將此單元從總線上隔離，不會(huì)影響其它單元的數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)、ACK段、幀結(jié)束等七個(gè)數(shù)據(jù)段，每個(gè)數(shù)據(jù)段由不同的位字節(jié)構(gòu)成。

傳遞這個(gè)數(shù)據(jù)段的介質(zhì)就是CAN總線，它是由一條黃線和一條綠線雙絞而成的銅質(zhì)導(dǎo)線，有的還需帶屏蔽層。在導(dǎo)線最遠(yuǎn)端串聯(lián)兩個(gè)120Ω終端電阻，防止信號(hào)反射。將智能式中央電器盒及診斷接口以樹狀結(jié)構(gòu)并聯(lián)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，則一個(gè)網(wǎng)段便建立了。

3.2 診斷工具

目前使用的診斷工具為CANoe，它集診斷、仿真、分析、記錄于一體，具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，還可提供數(shù)據(jù)庫(kù)支持。CANoe有八大窗口，常用的為trace window和Bus Statistics window。前者預(yù)加載數(shù)據(jù)庫(kù)后，用于錯(cuò)誤ID信息的顯示，后者用于總線負(fù)載監(jiān)控和數(shù)據(jù)幀檢查。

4、結(jié)語

本文對(duì)智能式中央電器盒的設(shè)計(jì)與診斷作了簡(jiǎn)要介紹，剖析了它的組成形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其原理和整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

本文的目的在于使讀者對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作有所了解。智能中央電器盒實(shí)際的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)系統(tǒng)的工程，只有結(jié)合很多方面的知識(shí)，才能設(shè)計(jì)出在功能和性能上滿足主機(jī)廠需求的優(yōu)秀產(chǎn)品。

[1] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 宋雪靜.基于雙MCU的純電動(dòng)汽車整車控制器硬件設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2014（5）：35.

[4] 李海方，張獻(xiàn)軍.汽車BCM應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[J].萬方數(shù)據(jù)庫(kù)，汽車電器，2009（12）：13-16.

[5] 于良杰，馬建輝，莊汝科，車曉波.汽車BCM的軟件分析與設(shè)計(jì)[C].精選實(shí)用電子設(shè)計(jì)100例，2012.

Design And Diagnose For Intelligent Electrical Centers Box

Wang Janfeng, Wang Yuanbo, Dong Hai
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Automobile Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710100）

This article firstly introduces the design ideas、process and method,analyses the problem such as system elements、whole structure、electron circuit、power supply distribute、software programme、can bus diagnosis for the design process that should be focused on，expounds the whole design process systemally.

intelligent；integration；power supply；distribute；function；diagnose

U463.6

A

1671-7988(2015)01-40-03

王劍峰，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。