基于不確定性、寬邊界的汽車開關信號處理系統(tǒng)設計及應用

譚小剛 石也 周斌 楊冰 江興

摘要：設計了確定性、窄邊界的汽車開關信號處理系統(tǒng)，并應用于序列汽車開關信號處理，因其存在信號處理單一、邊界窄的局限性，進而提出了不確定性、寬邊界的汽車開關信號處理系統(tǒng)模型，并通過設計對應處理電路及策略，可靠解決了序列化、寬邊界汽車開關信號的可配置化問題，豐富了車輛體驗，縮短了車型開發(fā)周期，也提高了售后維護管理效率，對汽車的智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展具有促進應用價值。

關鍵詞：不確定性;寬邊界;開關信號處理;智能網(wǎng)聯(lián)

中圖分類號：u463.7+ 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0098-07

譚小剛

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學院，學士學位，擔任中國汽車工程學會會員、FSC高級裁判、二手車鑒定評估師、汽車電子工程師等職務?，F(xiàn)主要研究方向：智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術、汽車電子硬件設計，已發(fā)表論文6篇，曾獲得專有技術二項，獲授權實用新型專利七項，發(fā)明專利三項;曾獲東風汽車公司科技進步二等獎1項，中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會金獎1項等榮譽。

引言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的日趨發(fā)展，越來越豐富的開關式汽車傳感器被普及使用，同時各大汽車廠商對汽車電子部件，尤其是汽車電子信號處理系統(tǒng)的可配置化甚至個性化需求越來越多。通過某一確定型號的汽車電子產(chǎn)品匹配某一確定車型的BOM配比方式理論上可以逐一解決上述問題，但是實際操作中這種一一配對關系存在物料管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐大、維護管理困難、用戶體驗不可配置、車輛功能升級周期長及車型競爭力下降等系列問題日漸突出，所以設計一種可處理不確定性、寬邊界汽車開關信號的系統(tǒng)，不僅是各汽車OEM的期望，也是汽車消費的個性化需要。

1確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)模型

通常，某一車型的某一功能是受某一確定狀態(tài)觸發(fā)的。比如：

1、若確定汽車儀表上的發(fā)動機故障報警燈為低電平控制有效，那對于處理發(fā)動機故障開關信號的ECU或者儀表等汽車電子部件，只需針對低電平開關信號進行采集處理，進而在儀表上顯示或點亮發(fā)動機故障報警燈圖案。

2、若確定汽車儀表上的車門未關指示燈為高電平控制有效，那對于處理車門開關信號的車身控制器或者門模塊等汽車電子部件，只需針對高電平開關信號進行采集處理，進而在儀表上顯示或點亮車門未關指示燈圖案。

3、若確定汽車儀表上的ABS故障指示燈為懸空狀態(tài)（輸出阻抗無窮大）控制有效，那么對于處理ABS信號的ABS控制器或者汽車儀表等汽車電子部件，只需針對懸空狀態(tài)對應高阻抗信號進行采集處理，進而在儀表上顯示或點亮ABS故障指示燈圖案。

分析以上三種情況可知，處理對應的高電平、低電平或懸空狀態(tài)的汽車開關信號，需設計對應的開關信號處理系統(tǒng)，即電路需一一對應匹配，系統(tǒng)框圖見圖1。

1.1低電平開關信號處理

目前市面MCU芯片多采用CMOS-F藝，其要求輸入低電平須≤0.3Vcc（Vcc為MCU供電電源電壓），輸入高電平須≥0.7Vcc。通常汽車級MCU芯片有1.2V、3.3V和5V三種供電系統(tǒng)，按最大供電電源電壓5V系統(tǒng)計算，輸入低電平須u1≤1.5V。設計低電平開關信號處理電路如下：

電阻R1上拉至5V，低電平開關信號無效時，因二極管DL1反向，輸入呈高阻態(tài)，U1處電壓幅值一5V，經(jīng)電阻R2限流、電容C1濾波后輸入到MCU的I/O引腳，MCU采集到≥0.7Vcc的高電平，由此判斷低電平開關信號未被觸發(fā);低電平開關信號有效時，U1處電壓幅值≤1.5V，MCU可采集到≤0.3Vcc的低電平，由此判斷低電平開關信號被觸發(fā)，進而發(fā)出相應動作指令。

其中，二極管DL1的引入是為應對外部開關量信號可能短路到汽車電源，因二極管的單向導通性，MCU與外部開關信號處理系統(tǒng)被隔離而處于安全狀態(tài)，但同時由于二極管DL1的引入，這種處理模式下須要求低電平有效汽車開關信號其有效狀態(tài)對應的幅值≤0.8V，就算DL1采用成本較高的鍺二極管，也只能控制低電平有效汽車開關信號其有效狀態(tài)對應的幅值≤1.0V，這也是整車對低電平有效汽車開關信號幅值的常見定義，這種窄邊界的有效開關信號無疑對各電器部件阻抗及車輛接地都是考驗，控制不當則易發(fā)生誤判。

1.2高電平開關信號處理

正常情況下，高電平汽車開關信號有效狀態(tài)的電壓幅值即為車輛蓄電池電壓或點火電壓，對于12V電氣系統(tǒng)，其電壓范圍為10.8V-16V;對于24V電氣系統(tǒng)，其電壓范圍為18V-32V，顯然均遠大于MCU芯片電壓承受范圍。故設計高電平開關信號處理電路如下：

因二極管DL2單向導通，開關信號可能夾帶的負脈沖等感性干擾信號被“剔除”，再通過合理配置電阻R3、電阻R4及電阻R5的阻值，使三極管T1處于開關狀態(tài)。當高電平開關信號無效時，三極管T1處于關斷狀態(tài)，U2處電壓=5V，經(jīng)電阻R6限流、電容C2濾波后輸人到MCU的I/O引腳，MCU采集到大于等于0.7Vcc的高電平，由此判斷為高電平開關信號未被觸發(fā)。當高電平開關信號有效時，三極管T1處于導通狀態(tài)，U2處電平基本等同于地，MCU采集到≤0.3Vcc的低電平，由此判斷為高電平開關信號被觸發(fā)，進而發(fā)出相應動作指令。

1.3懸空狀態(tài)開關信號處理

所謂懸空狀態(tài)有效開關信號，即有效狀態(tài)為懸空狀態(tài)，無效狀態(tài)為高電平或低電平狀態(tài)。

對比分析低電平開關信號處理電路和高電平開關信號處理電路，可知上述兩種電路其實均已涉及懸空狀態(tài)開關信號處理，差異在于只對有效狀態(tài)的高電平或低電平開關信號處理。相反的，若能確定懸空狀態(tài)開關信號處理電路的無效狀態(tài)，同樣可用上述低電平開關信號處理電路或高電平開關信號處理電路處理懸空狀態(tài)開關信號。

1.4確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理

以上三種汽車開關信號對應的兩種處理電路均是直接輸出至單片機的MCU的I/O引腳，針對汽車開關信號較少的電子處理或控制單元，選擇一款性價比合理的汽車級MCU是容易滿足以上應用場景的。

但是對于單核構架的“一拖N”系統(tǒng)，若還需對汽車開關信號序列處理，汽車開關信號序列以各占一個MCU的I/O引腳的方式處理就會極大占用MCU資源，甚至會影響單核構架下系統(tǒng)主體功能的實現(xiàn)，顯然這種方式不可取。故針對性設計處理電路見圖4。

以8位并行讀取/串行輸入移位寄存器為主體，當異步并行讀取引腳（SH/ILD）輸入為低時，從D0到D7口輸入的并行數(shù)據(jù)被讀取進寄存器內，而當異步并行讀取引腳為高時，讀取的數(shù)據(jù)將在每個時鐘脈沖的上升沿從SER引腳串行進入寄存器并將現(xiàn)有數(shù)據(jù)右移一位（Q0n=Dn，Q 1n=QOn-1，Q2n=Qln-1，Q3n=Q3n-1，以此類推）。其中，在MISO～升沿到來前，PCK或者CE必須置高，以防止數(shù)據(jù)在MISO的狀態(tài)尚未穩(wěn)定時發(fā)生移位，同時因時鐘輸入是一個“門控與”結構，CLK（時鐘脈沖）和CE（時鐘允許）共同有效時，時鐘輸入。只有在CE（時鐘允許）為低時，CLK（時鐘脈沖）才有效。

利用上述特性，可在末級得到互補的串行輸出（QH和！QH）后再輸出至MCU的輸入捕捉引腳。因此只要把QH輸出綁定到下一級的SER引腳，同時各懸空狀態(tài)或低電平開關或高電平開關信號對應輸入至各Dn引腳，即可實現(xiàn)汽車開關信號序列的批量處理，同時達到整個系統(tǒng)資源配置均衡、性價比較優(yōu)的目的。試驗驗證及實際應用也表明，設計的以上信號處理系統(tǒng)可通過《GB/T28046.2-2011道路車輛電器及電子設備的環(huán)境條件和試驗第2部分：電氣負荷》中的電壓緩降、過電壓、反向電壓及短路保護試驗要求，而且對于有效開關狀態(tài)確定且窄邊界的汽車開關信號處理可靠，故已被大量應用于汽車儀表、汽車車身控制器及相關汽車電子控制單元。但無論是對單一的汽車開關信號，還是對汽車開關信號序列，上述信號處理系統(tǒng)模型都是基于有效開關狀態(tài)確定的前提下設計并使用的。

2不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)模型

對于車型越來越多、車輛配置日漸豐富及汽車整車廠要求汽車電子零部件配套周期盡可能短，同時零件型號盡可能少以便維護的多層背景，確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)模型顯然已難應對。

比如：車型開發(fā)初期，汽車整車廠引入的排氣制動開關為低電平控制有效，車型開發(fā)過程中因成本或質量表現(xiàn)甚至用戶體驗等原因，擬再引入低電平控制有效的排氣制動開關，但為便于汽車廠物料系統(tǒng)維護，要求對應信號處理的電子部件的型號不再新增。這種情況下，對于汽車OEM來講，客戶期望模型如下：

2.1懸空狀態(tài)、低電平和高電平開關信號處理

在不改變硬件前提下，兼容性處理懸空狀態(tài)、低電平和高電平開關信號，單一的低電平或高電平開關信號處理電路顯然已不滿足這種要求，故另設計電路如下：

電阻RIO上拉至車輛點火電源，并與電阻Rll、R12構成分壓電路，開關信號經(jīng)分壓輸出至u3端，經(jīng)電阻R13限流、電容C6濾波后輸出至芯片的AD類引腳。因涉及懸空、低電平和高電平三種開關狀態(tài)處理，同時兼顧系統(tǒng)安全可靠，以24V電氣系統(tǒng)（工作電壓范圍：18V-32V）的車輛為例，計算如下：

結合公式（7）和公式（9），同時為滿足低功耗且器件配料便于采購和管理的要求，在標稱電阻范圍內考慮選配各器件規(guī)格如下表1：

其中，電阻R10、R11、R12、R13均采用0603封裝，同時可對應計算各條件下采樣值如下表2所示：

通過表2，可以發(fā)現(xiàn)，雖以上器件組合的電路可將低電平邊界擴大16.5V，但是U3mina與u3maxa間隔太近，以致于存在可能分不清高電平是有效還是無效，雖車輛實際工況中出現(xiàn)上述極端情況可能性較小，但是相關試驗標準驗證過程中不可避免，如何上述問題呢？

可用區(qū)間分段判斷處理，比如：Uign≤24V時，設定Uamax=24V，對應計算各條件下采樣值如下表3所示：

表3 Uign≤24V時對應的各采樣值

顯然，U3mina與u3'maxa之間的間隔足夠區(qū)分高電平是有效還是無效，同理，Uign≥24V時，設定Uamax=32V，對應計算各條件下采樣值如下表4所示：

顯然，U3mina與u3'maxa之間的間隔也足夠區(qū)分高電平是有效還是無效，所以上述方法用于不確定性、寬邊界的汽車開關信號處理，還必須輔以如下Ignition電壓采集電路：

Ignition經(jīng)電阻R14、R15分壓，然后經(jīng)R16限流、C7濾波后輸出至MCU的AD引腳，其中，為防止Ignition電壓超標燒損MCU的AD引腳，故需用到DL3進行鉗位，當然，為保證系統(tǒng)采樣精度，電阻R14、R15采用1%精度電阻。

2.2不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理

對比確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理，上述系統(tǒng)處理不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列同樣面臨大量占用MCU資源問題，故針對性設計處理電路如下：

以多通道選通開關為主體，其中，A、B、C是3位二進制地址輸入端，3位二進制的八種組合可用于選擇8路通道;INH是地址輸入禁止端，其為低電平時，地址輸入端有效，OUT端接通選擇的通道，而OUT端與芯片的AD類引腳相連，從而實現(xiàn)以一個AD引腳掃描式采集8路開關信號。利用上述特性，即可實現(xiàn)寬邊界汽車開關信號序列的批量處理，同時可支持汽車生產(chǎn)裝配前有效開關信號定義的不確定性及售后有效開關信號定義的變更。

比如：汽車生產(chǎn)裝配前，排氣制動開關信號有效狀態(tài)不確定，汽車下線時該批次汽車的排氣制動開關信號確定為高電平或低電平有效，汽車出廠后，改裝廠或用戶因個性化需要可能改排氣制動開關信號為懸空有效，涉及這種多變情況，需對上述汽車開關信號序列處理系統(tǒng)作如下標定處理，實施流程圖如下：

其中，對系統(tǒng)的標定，目前主要有在線配置和平臺遠程無線標定兩種方式，而隨著5G技術的發(fā)展及應用，后續(xù)的汽車電子控制系統(tǒng)均可采取平臺遠程無線標定這種方式進行，這可為汽車OEM、整車廠及用戶提供極大的便利，某種程度上也優(yōu)化了汽車產(chǎn)業(yè)鏈結構。

3應用成效

不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)已通過了《GB/T 28046.2-201 1道路車輛電器及電子設備的環(huán)境條件和試驗第2部分：電氣負荷》、《GB/T 21437.3-2012道路車輛由傳導和耦合引起的電騷》、《ISO 11452-4-2011道路車輛窄帶輻射電磁能量的電子干擾組件試驗方法第4部分線束激勵方法》及《GB 18655-2010車輛、船和內燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》等相關標準試驗驗證。在實際應用中，與確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)對比如下表所示：

對比可發(fā)現(xiàn)，不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)雖占MCU引腳資源稍多，但完全不足以改變已有MCU方案，而其在開關信號確定性要求、邊界要求及變更實施方法等方面存在明顯的優(yōu)越性。故該系統(tǒng)及方法已在部分車身控制器、門模塊、ECU及TFT系列儀表等汽車電子產(chǎn)品上應用，產(chǎn)品經(jīng)批量配套某知名品牌商用車并跟蹤其市場表現(xiàn)，穩(wěn)定可靠。

4結束語

確定性、窄邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)和不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)既可單獨使用，也可根據(jù)車輛定義復合使用，但隨著5G移動通訊技術日趨成熟及智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展需要，不確定性、寬邊界的汽車開關信號序列處理系統(tǒng)及方法勢必被推廣應用，將對豐富車輛配置、售后維護及車輛管理帶來了較大便利，也可降低車型的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。