OBD-II系統(tǒng)的ESD防護(hù)（上）

試想您在網(wǎng)上買了東西，一直盼著包裹早日送達(dá)。您每天望眼欲穿，可快遞員遲遲不來。這時(shí)候，使用手機(jī)或計(jì)算機(jī)上的跟蹤系統(tǒng)，就可以確切知道包裹何時(shí)送達(dá)。再假設(shè)您的孩子放學(xué)后被接到托管班，您想知道孩子是否已安全到達(dá)目的地，于是在手機(jī)上跟蹤孩子所坐的車輛，太方便了。

事實(shí)上，車輛跟蹤系統(tǒng)早已成為現(xiàn)實(shí)。車輛跟蹤系統(tǒng)使用插到車載診斷 (OBD) 端口的全球定位系統(tǒng) (GPS) 跟蹤器。在車輛行駛過程中，內(nèi)置天線的 GPS 跟蹤器會(huì)將有關(guān)車輛確切位置、速度、時(shí)間以及其他相關(guān)信息的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。指定的接收器從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為可由計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)應(yīng)用程序使用的格式，以跟蹤車輛。

車載診斷 (OBD) 端口

近年來，汽車中應(yīng)用的電子技術(shù)數(shù)量激增，整車有了翻天覆地的改進(jìn)。其中一項(xiàng)重大進(jìn)步是內(nèi)置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)和控制車輛的健康功能，如發(fā)動(dòng)機(jī)排放、燃油噴射、行駛速度、防抱死制動(dòng)等。

計(jì)算機(jī)通過不同的傳感器接收信息并調(diào)整所需的參數(shù)，確保車輛的各項(xiàng)功能保持最佳狀態(tài)。例如，汽車計(jì)算機(jī)根據(jù)需要調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，將排放保持在臨界極限之內(nèi)。幾個(gè)電子控制單元 (ECU) 專門用于管理關(guān)鍵車輛功能，每個(gè)ECU都內(nèi)置有微控制器。

現(xiàn)在，每輛汽車中大約都有50個(gè)或更多的ECU。微控制器從傳感器接收數(shù)據(jù)、進(jìn)行計(jì)算，并在需要時(shí)通過通訊通道（如常見的控制器局域網(wǎng)CAN）發(fā)送命令。

汽車中的一個(gè)控制單元就是一種基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，稱為車載診斷 (OBD) 系統(tǒng)。1990年，美國聯(lián)邦清潔空氣法修正案（Federal Clean Air Act Amendments）要求所有在1996年或之后生產(chǎn)的新車輛都要內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)化的OBD系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱為OBD-II系統(tǒng)，可生成診斷故障代碼 (DTC)。

當(dāng)儀表板上顯示故障警告時(shí)，維護(hù)工程師可將OBD-II掃描工具插入OBD-II端口來獲取故障代碼。可通過數(shù)據(jù)鏈路連接器 (DLC) 接入此端口。這些代碼可幫助維護(hù)人員迅速確定故障原因并快速準(zhǔn)確地修復(fù)。

DLC是一個(gè)16針診斷連接器，位于儀表板下方，駕駛員座椅附近。DLC或OBD-II端口的主要作用是下載故障代碼并查找故障原因。但端口通常保持未使用狀態(tài)。

采用當(dāng)今智能技術(shù)的車輛跟蹤系統(tǒng)將診斷代碼用于其他目的，如通過GPS跟蹤車輛。要獲取車輛跟蹤數(shù)據(jù)，只需將任何GPS跟蹤器插入16針OBD-II端口，它就會(huì)收集數(shù)據(jù)。

即使車輛已上鎖且點(diǎn)火開關(guān)中沒有插入鑰匙，OBD-II端口也可持續(xù)獲得12V電瓶供電。我們可以根據(jù)需要在OBD-II端口上插入和拔下車輛跟蹤器。在永久供電插座上的熱插拔可能導(dǎo)致高達(dá)數(shù)百伏的靜電放電 (ESD)，造成電路損壞?？稍贕PS跟蹤器引腳所連的每條數(shù)據(jù)線上安裝一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管，為電路提供ESD保護(hù)。

TVS二極管能在不到一納秒的時(shí)間內(nèi)鎖定系統(tǒng)級(jí)ESD峰值，轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)端口的高電流，保護(hù)數(shù)據(jù)端口不受ESD威脅。它們有效地鉗制了高壓峰值，可避免GPS跟蹤器和汽車系統(tǒng)損壞。在正常工作條件下，TVS二極管向GPS跟蹤器電路提供一條高阻抗路徑，因此設(shè)備是開路的，不會(huì)干擾信號(hào)傳輸。

現(xiàn)在，我們面臨的下一個(gè)問題是如何確定需要哪種TVS二極管來保護(hù)OBD-II端口16個(gè)引腳中的哪個(gè)引腳。我們還需要做一個(gè)重要決定，即是否可以為每個(gè)引腳使用一個(gè)TVS二極管，或?yàn)橐唤M引腳使用多線TVS二極管。

要找到這些問題的答案，我們需要詳細(xì)了解 OBD-II 端口連接器中16個(gè)引腳的相關(guān)信號(hào)類型和電氣特性。

OBD-II 引腳配置和協(xié)議

圖 - OBD-II 連接器和引腳排列

上圖展示了名為J1962連接器的OBD-II16針診斷連接器及其引腳配置：

●   引腳16供電并連接到汽車電瓶

●   引腳4和5接地

●   引腳6和14分別連接到CAN總線高電平和 CAN 總線低電平信號(hào)

●   引腳2和10使用SAEJ1850協(xié)議，引腳2連接正極，引腳10連接負(fù)極

●   引腳7和15分別使用ISO9141協(xié)議的K線和L線

●   引腳1、3、8、9、11、12和13留空，可用于其他目的

OBD-II大多數(shù)支持4種不同的通信協(xié)議（如下表所示）與OBD-II接口通信。每家汽車廠商都有他們自己偏向使用的通信協(xié)議。

· ISO 15765

ISO 15765是通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)的國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN由兩條線組成，分別是CAN高電平和CAN低電平。傳輸任何數(shù)據(jù)時(shí)，CAN高電平達(dá)到3.75V，而CAN低電平（引腳14）降至1.25V。當(dāng)CAN總線不傳輸任何數(shù)據(jù)時(shí)，CAN高電平和CAN低電平都保持為2.5V。該標(biāo)準(zhǔn)定義的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。CAN高電平連接到引腳6，CAN低電平連接到引腳14。

· ISO 9141-2

ISO 9141-2是異步串行通信，它使用兩個(gè)信號(hào)K和L。K信號(hào)基本上是大多數(shù)OBD-II通信的媒介。L信號(hào)用于總線的初始化。最大數(shù)據(jù)傳輸速率為10.4Kbps，最大信號(hào)電壓為12V。K 線連接到引腳7，L線連接到OBD-II 端口的引腳15。

· SAE J1850 (PWM)

SAE J1850 協(xié)議由汽車工程師學(xué)會(huì) (SAE) 制定。SAE J1850 PWM 由使用差分傳輸方案的脈沖寬度調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)。PWM的信號(hào)傳輸速率為41.6 kbps。最大電壓電平為5V。SAE J1850 總線 + 和 SAE J1850 總線 – 分別連接到OBD-II端口的引腳2 和10。

· SAE J1850 (VPW)

SAE J1850 VPW通過可變脈沖寬度方法實(shí)現(xiàn)，并使用一根信號(hào)線和一根接地線。PWM 的信號(hào)傳輸速率為10.4 kbps。最大電壓電平為7V。

本文為OB-II端口的ESD防護(hù)系列文章的上篇。在下篇中，我們將詳細(xì)介紹如何為OB-II端口的ESD防護(hù)選擇合適的TVS二極管。