基于雙MCU架構(gòu)的ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　集成了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR(Acceleration Slip Regulation System)與車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)VDC(Vehicle Dynamic Control System)的ABS/ASR/VDC集成系統(tǒng)是汽車主動(dòng)安全性控制系統(tǒng)的核心裝置之一。該系統(tǒng)可顯著提高車輛的制動(dòng)性、驅(qū)動(dòng)性、轉(zhuǎn)向可操縱性和橫向穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和事故風(fēng)險(xiǎn)，增加行駛安全性和駕駛輕便性[1]。

　　為提高系統(tǒng)的可靠性，世界各大汽車整車廠或零部件廠商在推出的ABS/ASR/VDC產(chǎn)品中都配有故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過有關(guān)電氣元件狀態(tài)參數(shù)的在線測(cè)試，監(jiān)控ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的工作狀況，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自診斷。

　　ABS/ASR/VDC系統(tǒng)常見的主要故障發(fā)生在電磁閥、輪速傳感器、電源、電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）、電磁閥總開關(guān)等部位[2]。在ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)中，要對(duì)穩(wěn)壓電源、輪速處理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥總開關(guān)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉電磁閥總開關(guān)，使ABS/ASR/VDC退出工作，恢復(fù)到常規(guī)制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)，同時(shí)存儲(chǔ)故障代碼，供維修時(shí)使用。故障代碼可以通過不同的方式顯示：由儀表盤的故障警告燈閃爍故障代碼；由儀表盤上的顯示屏直接顯示故障代碼的數(shù)字和信息資料；用專用的故障檢測(cè)儀連接到診斷座上，讀取故障代碼[3]。

　　現(xiàn)代汽車上裝備的ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的故障診斷過程一般可分為三個(gè)階段[4]：(1)系統(tǒng)靜態(tài)自檢；(2)汽車起步時(shí)的動(dòng)態(tài)自檢；(3)汽車行駛中的定時(shí)動(dòng)態(tài)自檢。

1 ABS/ASR/VDC系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷電路

　　ABS/ASR/VDC系統(tǒng)ECU主要實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)采集與處理、控制軟件存儲(chǔ)與運(yùn)行、壓力調(diào)節(jié)器電磁閥驅(qū)動(dòng)以及與其他ECU或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。目前國際上幾大ABS/ASR/VDC系統(tǒng)生產(chǎn)廠商都采用了主、輔雙MCU的總體設(shè)計(jì)方案：主MCU主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、計(jì)算處理，并根據(jù)控制邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令輸出到系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；輔MCU主要負(fù)責(zé)檢測(cè)主MCU運(yùn)行狀況，并具備一定故障檢測(cè)和應(yīng)急處理功能，當(dāng)檢測(cè)到主MCU不能正常工作或發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，ABS/ASR/VDC及時(shí)退出控制并恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)。本文研究并設(shè)計(jì)了基于雙MCU架構(gòu)的ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)。

　　1.1 電磁閥故障診斷電路

　　MCU對(duì)輪速輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，經(jīng)一定的控制邏輯判斷后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)必須經(jīng)過功率放大后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是把MCU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)電平，而且把很小的電流放大到足夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，由于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)電流大、變化快，處理不當(dāng)將對(duì)電源電壓干擾很大、引起較大波動(dòng)。為了減小干擾，在驅(qū)動(dòng)電路和其他電路之間進(jìn)行電氣隔離。驅(qū)動(dòng)電路附帶有故障監(jiān)測(cè)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁閥工作狀態(tài)，及時(shí)將故障信息反饋給MCU。電磁閥驅(qū)動(dòng)及其故障診斷電路如圖1所示。

　　1.2 輪速傳感器故障診斷電路

　　磁電式輪速傳感器的靜態(tài)故障包括傳感器內(nèi)部電磁線圈的短路和斷路，系統(tǒng)自檢時(shí)能通過硬件故障診斷電路作出判斷和監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)分壓電路，通過測(cè)量傳感器電磁線圈上的分壓值反映傳感器內(nèi)阻，從而判斷有無短路、斷路故障。選擇CD4066（四通道雙向模擬開關(guān))控制分壓電路與輪速信號(hào)輸出分時(shí)工作。分壓電路的總電壓為+5 V，與電阻R、芯片CD4066、傳感器內(nèi)阻和接地相連組成一個(gè)回路。圖2所示為輪速傳感器故障診斷電路圖。

　　電路的工作原理是當(dāng)PA1輸出高電平時(shí)，引腳6、12為高電平，控制引腳8和9以及引腳10和11均導(dǎo)通，此時(shí)，+5 V電源電壓經(jīng)過RC101和CD4066內(nèi)阻、傳感器內(nèi)阻到地構(gòu)成回路，PAD01處的電壓值間接反映傳感器的內(nèi)阻，接入輔MCU的AD轉(zhuǎn)換通道，將轉(zhuǎn)換數(shù)值與短路限壓值3.05 V和斷路限壓值4.5 V分別比較即可推斷傳感器有無短路、斷路故障；當(dāng)PA1輸出為低電平時(shí)，經(jīng)過反相器，PA1輸出為高電平，輸入到引腳13、15，控制引腳1和2以及引腳3和4均導(dǎo)通，從而傳感器輸出的輪速信號(hào)就進(jìn)入輪速處理電路。

　　1.3 MCU故障診斷電路設(shè)計(jì)

　　為保證主MCU安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了SPI（Serial Peripheral Interface）接口通信電路，輔MCU通過通信實(shí)現(xiàn)對(duì)主MCU的監(jiān)控。SPI是一種高速高效率的同步串行接口，主要用于MCU與外部的接口芯片交換數(shù)據(jù)。通過分別拉高和拉低從屬選擇（SS）引腳，設(shè)定主MCU為主機(jī)模式，輔MCU為從機(jī)模式。具體的SPI通信電路如圖3所示。