一種多用戶硬件輸出車速信號(hào)采集故障解析及對(duì)策

陳 暉，董慶大，吳明瞭，李 良

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430000）

1 前言

東風(fēng)某款載貨汽車標(biāo)配發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、車速傳感器、組合儀表、BCM控制器。該車在按客戶要求搭載行駛記錄儀時(shí)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，原本正常的行車落鎖功能失效，但不搭載行駛記錄儀時(shí)行車落鎖功能正常。本文先對(duì)行車落鎖功能的異?，F(xiàn)象進(jìn)行了描述，然后對(duì)整車原理和相關(guān)零件的內(nèi)部電路進(jìn)行了分析，得出可能存在的原因，提出電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 行車落鎖功能異?，F(xiàn)象描述

行車落鎖功能由BCM控制器實(shí)現(xiàn)。BCM控制器檢測(cè)到車速信號(hào)＞20km／h時(shí)，即觸發(fā)行車落鎖功能，控制門鎖電機(jī)將車門閉鎖，保證行車安全。當(dāng)BCM控制器檢測(cè)到車速信號(hào)為0km／h且點(diǎn)火鑰匙處于ACC擋時(shí)即觸發(fā)車門解鎖，滿足用戶熄火車輛開門的需求。

本車增加行駛記錄儀后，車輛行駛速度高于20km／h后，門鎖并未閉鎖，行車落鎖功能失效。車輛從行駛到停車后熄火，點(diǎn)火鑰匙處于ACC擋，也未聽見門鎖電機(jī)解鎖的動(dòng)作聲音。

3 對(duì)行車落鎖功能異?，F(xiàn)象原因的分析

3.1 從整車電器原理的分析

該車車速信號(hào)部分的整車電器原理見圖1，車速脈沖信號(hào)由組合儀表附屬車速傳感器提供，經(jīng)過組合儀表對(duì)整形驅(qū)動(dòng)后，由3個(gè)部件同時(shí)采集使用：第一是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略；第二是行駛記錄儀，用于車輛行駛數(shù)據(jù)記錄；第三是BCM控制器，用作功能策略的輸入條件。車速脈沖信號(hào)為高低電平脈沖。高電平一般設(shè)計(jì)為整車電源，低電平理論上接近0V。

圖1 車速信號(hào)部分整車電器原理圖

1）通過儀表轉(zhuǎn)發(fā)車速信號(hào)的好處是，其余零部件若出現(xiàn)故障，不影響儀表車速顯示，用戶仍可根據(jù)儀表顯示車速控制車輛行駛。

2）車速傳感器為霍爾傳感器，其發(fā)出的脈沖信號(hào)波形會(huì)出現(xiàn)不規(guī)整，有可能導(dǎo)致采集信號(hào)的零部件檢測(cè)失效，通過組合儀表整形電路整形后，信號(hào)品質(zhì)大大改善。

3）儀表內(nèi)的車速信號(hào)整形電路亦具備信號(hào)放大增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)功能，可以提供給更多的零部件使用。

3.2 行車落鎖功能失效下各零部件狀態(tài)分析

1）發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU功能正常，使用車速信號(hào)作為輸入條件的定速巡航功能正常。

2）行駛記錄儀。行駛記錄儀功能正常，可以正確識(shí)別車輛速度，車速記錄及打印輸出正常。

3）BCM控制器。BCM控制器無法識(shí)別車速信號(hào)，導(dǎo)致以車速信號(hào)作為輸入判斷條件的功能失效。

3.3 車速信號(hào)實(shí)測(cè)及分析

3.3.1 車速信號(hào)實(shí)測(cè)

采用示波器對(duì)儀表輸出車速脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，車速信號(hào)實(shí)車采集波形截圖見圖2。

1）示波器電壓幅值設(shè)置單位為2V ／div。

2）儀表輸出車速脈沖信號(hào)波形高電平電壓值約為14V，低電平電壓約為2V。

3.3.2 各部件車速信號(hào)識(shí)別分析

1）發(fā)動(dòng)機(jī)ECU定速巡航功能正常，由此說明發(fā)動(dòng)機(jī)ECU低電平識(shí)別門限＞2V，因此可正確識(shí)別儀表輸出的車速脈沖信號(hào)。

2）行駛記錄儀車速記錄功能正常，可正確識(shí)別儀表輸出的車速脈沖信號(hào)。分析行駛記錄儀內(nèi)部電路，低電平識(shí)別門限為3.3V。因行駛記錄儀多用于商用車，由于商用車特性及搭鐵不良等原因常出現(xiàn)低電平無法達(dá)到理論0V，因此將低電平識(shí)別上限設(shè)計(jì)為3.3V。該行駛記錄儀已正常在國內(nèi)多家商用車廠量產(chǎn)使用。

3）BCM控制器功能異常。經(jīng)測(cè)試，BCM對(duì)圖2中的車速脈沖信號(hào)判斷全為高電平。分析BCM內(nèi)部電路，其低電平識(shí)別門限為1.3V。說明大于1.3V的電平，BCM控制器全識(shí)別為高電平。

4）行駛記錄儀是新增加的配置，在未增加行駛記錄儀之前BCM功能完全正常，因此還不能完全確定是BCM控制器電路設(shè)計(jì)的問題。

圖2 車速信號(hào)實(shí)車采集波形截圖

3.4 對(duì)車速信號(hào)電器原理電路的分析

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、行駛記錄儀、BCM控制器采集組合儀表發(fā)出的車速信號(hào)原理電路見圖3，通過圖3可知，車速傳感器車速信號(hào)輸入給組合儀表，組合儀表將該信號(hào)通過三極管驅(qū)動(dòng)放大后提供給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、行駛記錄儀、BCM控制器使用。下面將計(jì)算理論設(shè)計(jì)Ic電流值和實(shí)際Ic負(fù)載電流值進(jìn)行對(duì)比。

圖3 車速信號(hào)電器原理電路圖

3.4.1 三極管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力Ic

經(jīng)查閱該三極管資料得知該三極管的放大倍數(shù)為60。

IB=（5-0.7）／（24+10+10）≈0.09mA；Ic=IB×60=5.4mA；該三極管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力為5.4mA。

3.4.2 三極管Ic實(shí)際負(fù)載電流計(jì)算

1） I1=（12-0.3）／24≈0.49mA。

2）由于無法拆解發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，因此采用電流表實(shí)測(cè)I2電流約4mA。

3） I3=（5-0.7-0.3）／2≈2mA；I4=（5-0.7-0.3）／24≈0.16mA；根據(jù)疊加定理，電路總電流等于各分支電路電流相加總和［1］。

4）Ic=I1+I2+I3+I4=0.49+4+2+0.16=6.65mA；組合儀表車速驅(qū)動(dòng)三極管實(shí)際負(fù)載電流為6.65mA，大于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力。

3.4.3 分析結(jié)論

通過上述計(jì)算及實(shí)車測(cè)試，組合儀表車速信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管的實(shí)際負(fù)載大于其理論驅(qū)動(dòng)電流能力，該三極管處于放大狀態(tài)，未飽和導(dǎo)通。因此出現(xiàn)車速脈沖信號(hào)低電平高達(dá)2V。

4 措施分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 措施的分析

從上述原因分析得知，該故障現(xiàn)象的根本原因?yàn)榻M合儀表車速信號(hào)放大三極管的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力小于實(shí)際負(fù)載。因此改進(jìn)措施思路有以下兩種。

1）增加三極管的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力。

2）減小使用車速信號(hào)零部件 （發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、行駛記錄儀等）的采樣負(fù)載。

由于減小使用車速信號(hào)零部件采樣負(fù)載需要更改許多零部件，工作量較大，因此采用第一個(gè)思路，直接增大三極管的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力，使設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力大于實(shí)際負(fù)載，即從根本上解決故障問題。

4.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.2.1 臨時(shí)改進(jìn)方案

由于該車型已經(jīng)量產(chǎn)，在整車裝配現(xiàn)場(chǎng)沒有修改電路板元器件的條件下，必須采用臨時(shí)方案解決該故障現(xiàn)象。從故障原因分析可知，如果能夠確保車速信號(hào)放大三極管實(shí)際負(fù)載小于理論驅(qū)動(dòng)能力即可。因此將實(shí)際負(fù)載電路最大的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU節(jié)點(diǎn)改在組合儀表車速信號(hào)輸入端，由車速傳感器 （驅(qū)動(dòng)能力6mA）直接驅(qū)動(dòng)。組合儀表車速信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管實(shí)際負(fù)載變?yōu)?.65mA，小于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力，臨時(shí)改進(jìn)方案見圖4。

圖4 臨時(shí)改進(jìn)方案原理圖

4.2.2 永久改進(jìn)方案

由于車速傳感器為霍爾器件，輸出原始車速脈沖信號(hào)未經(jīng)整形，可能存在波形異常，因此臨時(shí)對(duì)策方案不能作為永久改進(jìn)方案采用。

永久改進(jìn)方案為增加組合儀表車速信號(hào)三極管驅(qū)動(dòng)能力，將圖3中三極管基極的2個(gè)10kΩ電阻阻值改為1.2kΩ，更改后IB=（5-0.7）／（24+1.2+1.2）≈0.16mA，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力Ic=0.16×60=9.6mA。該驅(qū)動(dòng)能力大于實(shí)際負(fù)載6.65mA。

5 方案驗(yàn)證

5.1 臨時(shí)方案驗(yàn)證

將發(fā)動(dòng)機(jī)ECU車速信號(hào)采集移到車速傳感器輸出處，測(cè)試車輛定速巡航功能正常，組合儀表、行駛記錄儀均正常工作，BCM控制器行車落鎖功能正常。

5.2 永久方案驗(yàn)證

將組合儀表車速信號(hào)三極管基極2個(gè)電阻均改為1.2kΩ，裝車驗(yàn)證測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、組合儀表、行駛記錄儀、BCM控制器功能均無任何異常。

6 結(jié)束語

1）一個(gè)信號(hào)如果只有單個(gè)部件使用，通過單個(gè)部件可以完成測(cè)試；一個(gè)信號(hào)如果有多個(gè)部件使用，必須通過完整系統(tǒng)臺(tái)架或者整車完成測(cè)試［2］。

2）目前整車廠對(duì)零部件供應(yīng)商一般只規(guī)定了功能要求，而對(duì)整車匹配并無明確要求，因此建議在圖紙中進(jìn)行規(guī)定或者形成設(shè)計(jì)規(guī)范。

3）通過對(duì)東風(fēng)載貨汽車車速信號(hào)共用異常的解析，可以將措施應(yīng)用到如：駐車、車門、倒車、ACC等信號(hào)的設(shè)計(jì)匹配上，對(duì)已量產(chǎn)車型和新開發(fā)車型的信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)都具有參考價(jià)值。

通過此次故障解析形成多用戶車速信號(hào)理論上的總結(jié)：①所有用戶端的總電流應(yīng)該不大于輸出管放大的總電流；②為了防止信號(hào)反串，需要在每個(gè)用戶端增加防反串二極管；③為了防止輸出管意外損壞，推薦在信號(hào)輸出級(jí)增加隔離上拉電阻。