多路模擬信號輸入的開關(guān)信號采集方法的研究

張進明，孫燦，丁立平，王東生，董建設(shè)，周巍

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

多路模擬信號輸入的開關(guān)信號采集方法的研究

張進明，孫燦，丁立平，王東生，董建設(shè)，周巍

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

利用多路模擬開關(guān)進行信號采集，是車載控制器開關(guān)設(shè)計的常見方式。本文介紹多路模擬信號輸入發(fā)生變化時，控制器硬件采集電路和軟件模型設(shè)計方案，并從實際動態(tài)測試中可能出現(xiàn)的搭鐵線短路、開路等問題，分析執(zhí)行器的策略方案，優(yōu)化設(shè)計，防止控制器誤輸出。

電阻型開關(guān)；多路模擬輸入；后刮水系統(tǒng)

某車型在設(shè)計開發(fā)階段中的實車動態(tài)測試過程中，發(fā)現(xiàn)車輛正常行駛時，后刮水洗滌器在駕駛者非主動開啟的前提下自動開啟，且無法通過刮水開關(guān)關(guān)閉。經(jīng)分析，此開關(guān)輸入為多路模擬信號輸入，在多路采集閾值設(shè)計方面存在缺陷。因此針對此路試的問題，對電阻型開關(guān)的輸入及采集方式進行分析研究。

1 后刮水系統(tǒng)的設(shè)計原理

后刮水系統(tǒng)功能作為車身控制單元BCM（Body Control Module）的一部分，BCM從外部采集開關(guān)輸入信號，經(jīng)過MCU內(nèi)部硬件電路設(shè)計以及軟件邏輯判斷，控制外部電動機輸出動作。后刮水系統(tǒng)電路原理如圖1所示。

圖1 后刮水系統(tǒng)電路原理圖

后刮水控制邏輯原理為：點火開關(guān)置ON，后噴淋I擋，后刮水洗滌電動機輸出，后刮水器噴淋且刮刷；后刮水慢擋，后刮水洗滌電動機無動作，后刮水器連續(xù)刮刷；后刮水間歇擋，后刮水器洗滌電動機無動作，后刮水器間歇刮刷；后噴淋II擋，后刮水洗滌電動機輸出，后刮水器噴淋且刮刷；后刮水OFF擋，后刮水電動機停止輸出，后刮水停止刮刷；前刮水非OFF擋且后刮水OFF擋，掛R擋，后刮水器刮刷動作。

2 多路模擬開關(guān)輸入原理分析

2.1 多路模擬輸入開關(guān)的硬件設(shè)計

在整車電氣原理設(shè)計中，刮水開關(guān)為多路模擬輸入的電阻型開關(guān)。試驗車設(shè)計中，后刮水開關(guān)擋位設(shè)計分為5擋：后噴淋I擋、后刮水OFF擋、后刮水間歇擋、后刮水慢擋、后噴淋II擋。開關(guān)狀態(tài)定義如下：后噴淋I擋，搭鐵電阻4kΩ；后刮水OFF擋，搭鐵電阻3 kΩ；后刮水間歇擋，搭鐵電阻2 kΩ；后刮水慢擋，搭鐵電阻1kΩ；后噴淋II擋，搭鐵電阻0。

注：搭鐵電阻精度1℅，后刮水開關(guān)處于噴淋擋位時，后刮水動作為噴淋且刮刷。

后刮水開關(guān)硬件電路如圖2所示。

圖2 后刮水開關(guān)硬件電路圖

2.2 刮水開關(guān)輸入擋位閾值的設(shè)計

2.2.1 后刮水受控狀態(tài)的WCCA（不考慮AD采樣誤差）

外接開關(guān)的采樣電阻精度按照3%計算；內(nèi)部電路的電阻精度按照1%計算；考慮上拉電壓VCC_Ctrl范圍為4.9～5.1V；WCCA內(nèi)部不考慮AD采樣誤差。

注：WCCA（Worst Condition Circuit Analysis）最壞情況電路分析。

按照以上誤差，計算圖2中阻值范圍如表1所示。

表1 圖2中各電阻阻值數(shù)據(jù)

根據(jù)硬件電路原理圖，推導(dǎo)計算公式如下

式中：Upin——BCM從外部刮水開關(guān)輸入管腳采集電壓值（圖2中T308處電壓）；Upin_min／Upin_max／Upin_typ分別為該點處電壓最小值、最大值、典型值；Uadc_min即BCM內(nèi)部MCU采集的電壓值（圖2中T309處電壓），Uadc_min／Uadc_max／／Uadc_typ分別為該點處電壓最小值、最大值、典型值。

根據(jù)公式（1）～（6），計算硬件不同擋位電壓，其結(jié)果如表2所示。

表2 不同阻值擋位采集電壓值

當上拉電壓UCC_Ctrl=5.0V時，Uadc=（Umax-Umin）／2+Umin。Umax=0.915V，4K擋硬件誤差Uadc的最小值；Umin=0.802V，3K擋硬件誤差Uadc的最大值。

計算得出Uadc=0.858 5 V。

由此可以計算出各個擋位電壓閾值，如表3所示。

2.2.2 后刮水受控狀態(tài)的WCCA（考慮AD采樣誤差）實際測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 不同擋位電壓閾值

表4 試驗測試數(shù)據(jù)

為解決硬件采集與軟件讀取耦合問題，重新設(shè)計閾值?？紤]到MCU內(nèi)部AD采集電路輸入的耦合影響，測試結(jié)果如表5所示。

表5 重新設(shè)計閾值后試驗測試數(shù)據(jù)

考慮MCU內(nèi)部AD采集的耦合影響，重新定義4K擋Uadc閾值為Uadc-new=Uadc+ΔU／2=0.8585+0.078／2=0.8975V。

2.3 MCU采集端分析

2.3.1 AD采集通道的耦合影響

后刮水系統(tǒng)的開關(guān)輸入分析：①后刮水上拉電源為SBC輸出的5V系統(tǒng)電壓，且恒定拉高，所以，后刮水開關(guān)的采集不存在時序方面的問題，而且5V系統(tǒng)電壓比較穩(wěn)定，在BCM正常工作電壓范圍內(nèi)，不會受電源電壓變化影響，因此排除上拉源干擾；②控制器內(nèi)部AD采集方面，AD配置正確的情況下（軟件設(shè)計可以保證），模擬量采集由單片機自己控制，所以可以排除AD采集方面問題；③前、后刮水開關(guān)分別由獨立的AD通道采集，原則上相互之間不會干擾。

實際測試，當開啟其它AD采樣輸入的開關(guān)時（燈光組合開關(guān)、霧燈開關(guān)以及轉(zhuǎn)向開關(guān)等），后刮水開關(guān)輸入的電壓值會出現(xiàn)略微波動。根據(jù)章節(jié)2.2.2的分析，通過閾值的設(shè)計可以避免AD采集誤差。

2.3.2 MCU內(nèi)部的輸入端懸空或開路

為防止輸入端開路或者懸空時MCU進行誤判斷，因此需對此種情況進行分析處理。當輸入端懸空或者開路時，讀取MCU采集的輸入電壓值為2.823 2V，仿真結(jié)果如圖3所示。

由硬件計算出單片機AD口輸入閾值電壓可知：后噴淋I擋閾值為858.5mV。所以當輸入開關(guān)開路或者懸空時，AD口輸入電壓為2.8315V，引起誤判斷。此時擋位為后噴淋I擋，需從軟件對此閾值進行限制，進行開路防錯設(shè)計。因此軟件端對后噴淋I擋閾值進行上限處理，當輸入端開路或懸空時，電壓為2.8315V。

后噴淋I擋閾值為858 mV～2.8 V，而實際值超過2.8V，即為無效擋位，刮水系統(tǒng)無輸出。

圖3 EWB仿真電路圖

2.3.3 MCU內(nèi)部輸入端搭鐵線開路時對輸入影響

根據(jù)MCU內(nèi)部采集電路分析，若采集開關(guān)輸入端電壓發(fā)生變化，亦可能導(dǎo)致刮水開關(guān)擋位切換至不同擋位。圖4為應(yīng)用EWB（Electronics Workbench電子工作平臺）軟件對MCU內(nèi)部采集電路的仿真電路圖。圖4中Input點為MCU實際采集的開關(guān)輸入的電壓值，且根據(jù)此數(shù)值來判斷后刮水開關(guān)擋位；Switch-Test開關(guān)為模擬開關(guān)，正常情況下Switch-Test開關(guān)應(yīng)完好搭鐵。

圖4 EWB仿真電路圖

模擬搭鐵線開路：模擬Switch-Test處開路時，可以測到Input處電壓值為8.3150V（仿真結(jié)果圖4所示），該值大于上拉電源5 V。如果通過軟件設(shè)計限制MCU采集到電壓上限為5V，當超過5V時，軟件讀取到的數(shù)值就是5V。如果擋位限制于無效擋位，為防止線路搭鐵開路時擋位誤判斷，且不考慮軟件上限處理時就是實際值8.3150 V。若不對后噴淋I擋做上限閾值處理，此時會引起誤觸發(fā)后噴淋I擋開啟。

2.3.4 MCU內(nèi)部輸入端搭鐵線虛接時對輸入影響

根據(jù)章節(jié)2.3.3分析可知，若此搭鐵線虛接，可通過撥動Switch-Test開關(guān)，調(diào)節(jié)R-Test的阻值大小，模擬不同虛接情況，具體如表6所示。

表6 試驗測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過以上分析，重新設(shè)計擋位及閾值如表7所示。

表7 重新設(shè)計不同擋位電壓閾值

3 總結(jié)分析

經(jīng)過分析后刮水系統(tǒng)控制邏輯的輸入、輸出以及模型，得出以下幾點總結(jié)。

1）硬件電路：改善硬件電路方案無法避免因線路虛接或者開路引起的誤判斷風險，但可以通過軟件模型降低風險。

2）件模型：針對MCU內(nèi)部其它AD采集通道的耦合影響，將閾值由858.5 mV修訂為897.5 mV，降低誤判斷風險；針對內(nèi)部輸入端開路，對后噴淋I擋上限閾值修訂為2.8V；針對內(nèi)部采集端搭鐵線開路，限定軟件采集閾值上限為5V，增設(shè)無效擋判斷，避免因AD耦合產(chǎn)生的誤差，降低擋位誤判斷的概率。

3）針對模擬輸入電路，插件虛接肯定會導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，但通過整改插件設(shè)計及連接方式，可避免此類問題。

4 改進建議

設(shè)計電阻型模擬開關(guān)輸入采集電路時，應(yīng)能全面分析實際中可能出現(xiàn)的問題，從硬件設(shè)計進行安全保護措施，并通過軟件設(shè)計避免AD采樣耦合影響、輸入端開路／短路等問題，當發(fā)生實際開路、短路時，能夠及時中斷輸出，做好輸出保護設(shè)計。

［1］董建設(shè)，權(quán)香妮．汽車刮水控制系統(tǒng)的建模與實現(xiàn)［J］．汽車電器，2016（5）：36-43．

［2］童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版社，2004：598-606．

［3］王錫吉，王蓬．最壞情況電路分析（WCCA）［J］．電子產(chǎn)可靠性與環(huán)境試驗，2002，（2）：1-5.

（編輯 心翔）

Research On Signal Acquisition Method of Multi-Input Analog Switch

ZHANG Jin-ming，SUN Can，DING Li-ping，WANG Dong-sheng，DONG Jian-she，ZHOU Wei

（BAIC Motor Technology Centre，Beijing 101300，China）

Signal acquisition by multi-input analog switch is a common method in design of vehicle module switch.This article focuses on the module hardware and software design methods as the analog switch multi-input changes.Potential problems such as ground short circuit and open circuit during testing is considered，also，the design method is analyzed and optimized to avoid incorrect module output.

resistance type switch；multi-input analog switch；rear wiper

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0034－04

2016-06-23；

2016-10-17