汽車雙電池隔離器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張德俊 段明海

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車雙電池系統(tǒng)隔離器（BSR）出廠測(cè)試功能，設(shè)計(jì)了隔離器測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)控制控制平臺(tái)。該平臺(tái)基于MFC設(shè)計(jì)界面，采用多線程技術(shù)。通過(guò)CAN總線和USB通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能，并通過(guò)圖形化方式表現(xiàn)測(cè)試過(guò)程。下位機(jī)單片機(jī)以英飛凌XC2234芯片為核心，將采集到的繼電器技術(shù)參數(shù)通過(guò)CAN報(bào)文發(fā)送到上位機(jī)。實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的吸合電壓、斷開(kāi)電壓、延時(shí)時(shí)間等主要技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)。經(jīng)工廠實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，人機(jī)交互體驗(yàn)良好，測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，能很好滿足隔離器的測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞： 隔離器;CAN總線;參數(shù)測(cè)試;界面交互

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0137-05 中圖分類號(hào)： TM933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

雙電池隔離器設(shè)計(jì)用于雙電池系統(tǒng)，用以保護(hù)車輛電池充電放電。 雙電瓶隔離器有2種基本的操控特性： 輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，優(yōu)先采用主電瓶啟動(dòng)。如果主電池電壓低于輔助電池電壓，電瓶隔離器將接通輔電瓶以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。主電瓶滿電電壓達(dá)到13～13.5 V時(shí)，電瓶隔離器會(huì)接通2個(gè)電瓶給副電瓶充電。如果主電瓶從接通的電瓶系統(tǒng)中取電致使系統(tǒng)電壓降至低于12.4～12.9 V時(shí)，雙電池分離器將斷開(kāi)2個(gè)電瓶間的通聯(lián)，可以保護(hù)另一個(gè)電瓶的電不被耗盡。在控制電路中整合了延遲功能，可避免電瓶隔離器對(duì)瞬間的電壓波動(dòng)做出響應(yīng)。該隔離器廣泛應(yīng)用于汽車供電系統(tǒng)中。測(cè)試系統(tǒng)模擬實(shí)際工況，上位機(jī)測(cè)試軟件控制程控電源的輸出，在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)根據(jù)繼電器的型號(hào)，電壓有一個(gè)相應(yīng)范圍上升階段和下降階段。電壓上升階段由下位機(jī)采集硬件檢測(cè)到繼電器吸合，捕捉對(duì)應(yīng)的吸合電壓。轉(zhuǎn)而進(jìn)入電壓下降階段，同理捕捉斷開(kāi)電壓。測(cè)試完畢后顯示出吸合電壓（Pick Up Voltage）、斷開(kāi)電壓（Drop Out Voltage）和時(shí)間延遲（Time Delay）等結(jié)果，并通過(guò)和設(shè)定的吸合電壓范圍、斷開(kāi)電壓范圍比較來(lái)判斷產(chǎn)品是否合格。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。上位機(jī)軟件、程控電源、BSR測(cè)試對(duì)象、下位機(jī)等組成一個(gè)完整的雙電池系統(tǒng)分離器測(cè)試系統(tǒng)。上位機(jī)與程控電源采用USB通信（支持SCPI命令），下位機(jī)與BSR之間采用CAN通信。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)合理排布在測(cè)試臺(tái)架上。

1.1 程控電源

可編程任意電源就是某些功能或參數(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程控制的電源。例如，當(dāng)超過(guò)最大輸出電壓的時(shí)候?yàn)楹懔鬏敵觯?dāng)超過(guò)最大輸出電流的時(shí)候，電源就變成了穩(wěn)壓源等等?！翱删幊獭奔匆庵鸽娫磧?nèi)部主要功能通過(guò)上位機(jī)設(shè)定狀態(tài)字實(shí)現(xiàn)可控，大部分的電源是通過(guò)串口連接的?？赏ㄟ^(guò)通訊規(guī)約，設(shè)定“最大電流、最大電壓、最大功率、實(shí)際電壓”等等。可編程任意電源的主要指標(biāo)是編程時(shí)間、編程精度、編程分辨率等等。在普通模式下，電壓通過(guò)導(dǎo)線直接加載在負(fù)載上，從而保持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。由于負(fù)載電流會(huì)在連接導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降，因而實(shí)際負(fù)載電壓應(yīng)等于電源輸出電壓減去該壓降。

在一些輸出為低電壓、大電流的場(chǎng)合，電源的輸出連接導(dǎo)線上形成的壓降已不能忽略。如電源設(shè)定輸出為3.3 V/1 A，假設(shè)輸出線的電阻是0.3 Ω，就會(huì)在導(dǎo)線上形成0.3 V的壓降，那么實(shí)際到達(dá)的電壓變?yōu)?.0 V，這足以導(dǎo)致輸出到隔離器的電壓不精確。類似于萬(wàn)用表測(cè)電阻時(shí)的四線測(cè)量法，研究需要對(duì)導(dǎo)線壓降進(jìn)行補(bǔ)償。為此，可使用SENSE端子直接測(cè)量負(fù)載兩端電壓。由于SENSE導(dǎo)線中的電流很小，因而產(chǎn)生的電壓降可以忽略，即電源設(shè)備感應(yīng)的電壓實(shí)際上就是真正的負(fù)載電壓，這樣電源設(shè)備將提高自己的輸出，使其等于導(dǎo)線壓降和所需負(fù)載電壓之和，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)線壓降的補(bǔ)償，使負(fù)載真正獲得所設(shè)定電壓值。有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）DH1766系列直流電源可提供優(yōu)異的輸出精度及置信度，在特定應(yīng)用場(chǎng)合可替代電壓表、電流表和基礎(chǔ)供電電源的組合，一臺(tái)電源完成全部測(cè)試;并且擁有超低的紋波噪聲，紋波有效值低于1 mV，峰值小于6 mV。

（2）DH1766系列直流電源具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間小于50 uS，可為動(dòng)態(tài)負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)負(fù)載快速變化引起輸出跌落或過(guò)沖時(shí)，DH1766系列電源可快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，滿足動(dòng)態(tài)負(fù)載的正常測(cè)試。

1.2 雙電池隔離器

本文測(cè)試對(duì)象為一種新型雙電池隔離器，其輸出端分別與主電池和輔助電池的正極連接，雙電池隔離器包括微控制器以及分別與微控制器連接的信號(hào)輸出電路、電壓監(jiān)測(cè)電路以及機(jī)械開(kāi)關(guān)電路，機(jī)械開(kāi)關(guān)電路分別與主電池和輔助電池的正極連接。使得駕駛員能夠獲得更多關(guān)于汽車電池的信息，讓整個(gè)電池管理系統(tǒng)更易于管理與控制。

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集與處理，通信模塊的接收與發(fā)送是基于英飛凌公司XC2234控制器設(shè)計(jì)的。XC2234是一款16/32位單芯片微控制器，該控制器片上有MultiCAN接口，帶有2個(gè)可同步的A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供多達(dá)16個(gè)通道，16路捕獲/比較通道。完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

2.1 A/D采集電路與狀態(tài)檢測(cè)電路

A/D采集電路如同圖2所示，模擬最大輸入設(shè)計(jì)電壓為36 V，精密電阻分壓R46/R70=6.2，R70=1 K，R46=6.2 K。模擬量電壓經(jīng)分壓和跟隨電路輸入到12位A/D，A/D模擬電壓輸入范圍0～5 V，狀態(tài)檢測(cè)電路如圖3所示，同時(shí)采集繼電器狀態(tài)量高位為12 V，單片機(jī)不能直接檢測(cè)，故用肖特基二極管BAT54S鉗位在0～5 V。

MCU將采集的信號(hào)通過(guò)CAN總線傳入上位機(jī)。狀態(tài)檢測(cè)電路如圖4所示。實(shí)時(shí)采集繼電器輸入端（Point a）和輸出端（Point b）的電壓繼電器狀態(tài)捕捉：繼電器設(shè)計(jì)有狀態(tài)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)上升沿，繼電器吸合;測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)下降沿，繼電器斷開(kāi)。下位機(jī)捕捉2種測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的輸入點(diǎn)的電壓、即為動(dòng)作電壓，上升沿對(duì)應(yīng)吸合電壓，下降沿對(duì)應(yīng)斷開(kāi)電壓。下位機(jī)采集與處理的數(shù)據(jù)打包通過(guò)CAN總線，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。

2.2 電源電路

電源電路如圖5所示，在電源輸入端加了一個(gè)二極管，如若電源正負(fù)極接反，就可以使得電路不會(huì)導(dǎo)通，從而保護(hù)后級(jí)電路。由于本系統(tǒng)中傳感器最低驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，因此選用了電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576-5，固定輸出5 V電壓。給主芯片和和CAN收發(fā)器等IC供電。

2.3 CAN通信電路

CAN通訊節(jié)點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻、防靜電（Electro-Static Discharge， ESD）保護(hù)電路組成。微控制器Infineon XC2234集成了MultiCAN模塊 CAN總線收發(fā)模塊選用英飛凌公司TLE6250GV33，該器件可為總線和 CAN 控制器分別提供差分發(fā)射能力和差分接收能力，信號(hào)傳輸速率高達(dá) 1 兆位每秒 （Mbps）。 CAN通信電路如圖6所示。圖6中，CAN0-TxD和CAN0-RxD分別對(duì)應(yīng)CAN控制器的發(fā)送與接收。在CANL和CANH接入阻值為120 Ω的終端保護(hù)電阻即為圖6中R17，并增強(qiáng)CAN總線通訊的可靠性與抗干擾能力。

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)有線傳輸時(shí)，主控制器等待CAN進(jìn)入中斷。進(jìn)入中斷后，通過(guò)CAN收發(fā)器CAN高和CAN低進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。采集的數(shù)據(jù)以CAN報(bào)文的形式發(fā)送到上位機(jī)，報(bào)文格式見(jiàn)表1。下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的Stop/Start后，下位機(jī)回復(fù)相應(yīng)Stop/Star。如果接收到Start命令后則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文，數(shù)據(jù)幀類型采用標(biāo)準(zhǔn)幀，幀ID為11位二進(jìn)制。不同ID代表不同的參數(shù)。CAN通信的流程圖如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集電路軟件設(shè)計(jì)

采集端軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)可分述如下：

（1）配置好驅(qū)動(dòng)底層電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

（2）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波處理，消除因脈沖干擾引起的采樣偏差。

（3）將濾波處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，然后通過(guò)CAN將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

A/D轉(zhuǎn)換請(qǐng)求模式采用掃描的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)模式，掃描請(qǐng)求源可以處理多路的轉(zhuǎn)換信號(hào)，本次設(shè)計(jì)用到CH0和CH1兩個(gè)通道。利用ADC0_vStartParReq ChNum（）開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的通道，ADC0_vSetLoadEvent（）產(chǎn)生加載事件。2個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在對(duì)應(yīng)結(jié)果寄存器。但在模擬量采集時(shí)，信號(hào)存在誤差與干擾，軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須去除這些因素，即軟件濾波處理。構(gòu)造數(shù)組，依次采集5個(gè)A/D值存入數(shù)組，采用中值濾波函數(shù)，去掉最大和最小值后求得A/D值的平均值，有CAN報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。其設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是基于MFC開(kāi)發(fā)的，MFC是微軟公司推出的類庫(kù)，以C++類的形式封裝。這些類庫(kù)封裝了豐富的Windows應(yīng)用程序編程接口（API）、ODBC數(shù)據(jù)訪問(wèn)的功能。因此選用MFC作為GUI界面的界面工具。

4.1 用戶測(cè)試界面交互設(shè)計(jì)

如圖9所示。友好的人機(jī)交互界面可以使操作人員對(duì)不同的產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行方便配置，在測(cè)試中動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)研發(fā)得到的功能設(shè)計(jì)可闡釋解析如下。

（1）界面圖像顯示功能：輸入端（Point a）和輸出端（Point b）的電壓，和繼電器測(cè)試點(diǎn)電壓圖像實(shí)時(shí)顯示功能，操作人員觀察電壓走勢(shì)就可大致判斷隔離器合格性。

（2）繼電器狀態(tài)示意功能：?jiǎn)蔚秵螖S模擬繼電器的開(kāi)合。直觀觀察繼電器在測(cè)試周期的狀態(tài)。在配置頁(yè)面根據(jù)不同的產(chǎn)品型號(hào)，可設(shè)置程控電源輸出電壓上升和下降的范圍。測(cè)試結(jié)果判定的吸合電壓范圍、斷開(kāi)電壓范圍和延時(shí)時(shí)間。一個(gè)測(cè)試周期結(jié)束后，繼電器的相關(guān)的測(cè)試參數(shù)（吸合電壓，斷開(kāi)電壓，延時(shí)時(shí)間），測(cè)試通過(guò)性（PASS和FAIL）在結(jié)果區(qū)顯示。

4.2 文件管理

文件管理主要是繼電器參數(shù)數(shù)據(jù)輸出功能。

每次測(cè)試的結(jié)果自動(dòng)記錄到按照日期為文件名的Excel表格，做到產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果記錄與可追溯。使用技術(shù)ODBC是基于Windows環(huán)境的一種數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的接口標(biāo)準(zhǔn)。也可以訪問(wèn)Excel表這類非數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象。

4.3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于 VS C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的用戶界面程序，由于需要處理大量的IO操作（CAN通信和USB），提高程序的運(yùn)行效率，故采用多線程編程。對(duì)此可做探討論述如下。

（1）主線程：主線程的核心功能是一些通信配置，主要包括與下位機(jī)CAN轉(zhuǎn)USB通信和與程控電源USB通信。界面相關(guān)參數(shù)的初始化。MFC的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)而工作的，消息映射是一種把消息映射到相應(yīng)的消息函數(shù)的機(jī)制。例如，處理不同按鈕消息（Config，list等）對(duì)應(yīng)不同消息響應(yīng)函數(shù)。利用TeeChart控件實(shí)現(xiàn)繪圖功能。

（2）第二線程：為了進(jìn)行CAN報(bào)文的實(shí)時(shí)接收與解析，USBCAN卡采用ZLG的USB接口CAN卡，并且提供了封裝好的CAN相關(guān)的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)，如：VCI_StartCAN（）用來(lái)啟動(dòng)USB-CAN，VCI_Receive（）用來(lái)接收CAN數(shù)據(jù)，VCI_Transmit（）用來(lái)發(fā)送CAN數(shù)據(jù)。

（3）第三線程：?jiǎn)为?dú)開(kāi)辟一個(gè)線程，控制程控電源的電壓輸出，電壓輸出的設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

首先在初始化中選擇BSR的型號(hào)。根據(jù)上、下限和步長(zhǎng)，會(huì)生成一個(gè)電壓上升數(shù)組Array_VolDataRise和電壓下降數(shù)組Array_VolDataFall，并通過(guò)數(shù)組指針Num_ArrayPoint調(diào)用，一旦檢測(cè)到按時(shí)按鈕按下，上位機(jī)通過(guò)USB通信向程控電源發(fā)送電壓輸出命令，每隔500 ms調(diào)用一次。在電壓上升階段，會(huì)持續(xù)判斷來(lái)自下位機(jī)發(fā)送的測(cè)試點(diǎn)狀態(tài)量，一旦接收到上升沿。記錄對(duì)應(yīng)的電壓值、即為吸合電壓，并立即轉(zhuǎn)向電壓下降階段，同理發(fā)送下降電壓，接收到下降沿的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電壓、即為斷開(kāi)電壓。由于

BSR有延時(shí)功能，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，記為TimeEnd1，直到繼電器完全斷開(kāi)時(shí)刻，記為TimeEnd2。則該產(chǎn)品的延時(shí)時(shí)間為：

Gauge_DelayTime=TimeEnd2-TimeEnd1

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析汽車雙電池系統(tǒng)隔離器的工況，提出了一種利用上位機(jī)控制程控電源輸出到測(cè)試對(duì)象（BSR），下位機(jī)采集相關(guān)技術(shù)參數(shù)的測(cè)試方案。與采用傳統(tǒng)手動(dòng)控制電源相比，操作更加方便，測(cè)量更加準(zhǔn)確，極大地提高了生產(chǎn)率。

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