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

　　集成了防抱死制動系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)ASR(Acceleration Slip Regulation System)與車輛動力學(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性、驅(qū)動性、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，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)的在線測試，監(jiān)控ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的工作狀況，實現(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，要對穩(wěn)壓電源、輪速處理電路、電磁閥驅(qū)動電路、電磁閥總開關(guān)等進行監(jiān)測。當ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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)制動與驅(qū)動，同時存儲故障代碼，供維修時使用。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階段[4]：(1)系統(tǒng)靜態(tài)自檢；(2)汽車起步時的動態(tài)自檢；(3)汽車行駛中的定時動態(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主要實現(xiàn)輪速信號采集與處理、控制軟件存儲與運行、壓力調(diào)節(jié)器電磁閥驅(qū)動以及與其他ECU或計算機進行通信等功能。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)計方案：主MCU主要負責信號采集、計算處理，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)行機構(gòu)；輔MCU主要負責檢測主MCU運行狀況，并具備一定故障檢測和應(yīng)急處理功能，當檢測到主MCU不能正常工作或發(fā)現(xiàn)故障時，ABS/ASR/VDC及時退出控制并恢復(fù)常規(guī)制動與驅(qū)動。本文研究并設(shè)計了基于雙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對輪速輸入數(shù)據(jù)進行分析、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?？刂菩盘柋仨毥?jīng)過功率放大后才能驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。驅(qū)動電路的主要作用是把MCU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)所需要的驅(qū)動電平，而且把很小的電流放大到足夠驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。另外，由于驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作時電流大、變化快，處理不當將對電源電壓干擾很大、引起較大波動。為了減小干擾，在驅(qū)動電路和其他電路之間進行電氣隔離。驅(qū)動電路附帶有故障監(jiān)測電路，實時監(jiān)測電磁閥工作狀態(tài)，及時將故障信息反饋給MCU。電磁閥驅(qū)動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)自檢時能通過硬件故障診斷電路作出判斷和監(jiān)測。本文設(shè)計了一個分壓電路，通過測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輸出分時工作。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PA1輸出高電平時，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，+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PA1輸出為低電平時，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就進入輪速處理電路。

　　1.3 MCU故障診斷電路設(shè)計

　　為保證主MCU安全可靠運行，設(shè)計了SPI（Serial Peripheral Interface）接口通信電路，輔MCU通過通信實現(xiàn)對主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為主機模式，輔MCU為從機模式。具體的SPI通信電路如圖3所示。