基于高壓看門(mén)狗定時(shí)器的汽車(chē)失效保護解決方案

　　摘要：絕大多數汽車(chē)電子系統需要監控電路監測失效容限和安全性。MAX16997/MAX16998看門(mén)狗定時(shí)器可理想滿(mǎn)足這類(lèi)監控需求，它們對微控制器(µC)正常工作條件下產(chǎn)生的周期脈沖進(jìn)行檢測，一旦偵測到電路或µC的失效狀態(tài)，將立即切換到備份/冗余系統，采取“跛行回家”控制策略，從而避免汽車(chē)在中途拋錨，提供了一種汽車(chē)失效保護措施。

　　汽車(chē)設計中，越來(lái)越多的電子系統正在逐步替代機械功能—從引擎定時(shí)控制到剎車(chē)、方向盤(pán)控制—而電子系統相對容易發(fā)生故障，這就需要謹慎考慮系統的安全性，確保系統具備較高的故障容限。不應該在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)將司機或乘客置于危險處境，至少能夠使汽車(chē)“跛行”到大路以外或最近的維修站。當電子設備發(fā)生故障時(shí)，為確保汽車(chē)的安全行駛需要利用監控電路開(kāi)啟備份電路，安全地接管系統操作。

　　在純機械系統的汽車(chē)時(shí)代，引擎依照機械方式產(chǎn)生的信號點(diǎn)燃空氣燃料混合器。機械分配器則選擇適當的火花塞，沿線(xiàn)傳遞信號。剎車(chē)系統則將作用在踏板上的壓力通過(guò)剎車(chē)軸、剎車(chē)總泵、液壓管傳送到制動(dòng)鉗。離合器和油門(mén)只是簡(jiǎn)單地受控于連接在踏板上的一條鋼纜。方向盤(pán)通過(guò)一個(gè)金屬舵輪、轉向軸、轉向齒輪箱以及轉向傳動(dòng)裝置，控制車(chē)輪的轉角。引擎控制也不同于我們如今使用的高度可靠的電子控制單元(ECU)，它沒(méi)有計算機輔助剎車(chē)系統、離合器、油門(mén)或轉向系統。當然，也不需要考慮µC失效、控制單元短路等狀況，可能出現故障失效的機械裝置僅有99個(gè)。但是，由于人們非常信任機械設備的可靠性，也很少考慮系統備份或故障容限問(wèn)題。當然，一旦系統的某個(gè)裝置出現故障，則很容易發(fā)生危險，即便沒(méi)有發(fā)生危險，汽車(chē)也只能被拋錨在出事地點(diǎn)，不得不求助拖車(chē)將故障汽車(chē)拖至維修中心。

　　為了提高汽車(chē)駕駛的舒適度和便利性，汽車(chē)制造商需要為汽車(chē)提供電子裝備，以獲得更高效率、更清潔的環(huán)境以及更高的汽車(chē)行駛安全性。早期的ECU只能在發(fā)生故障時(shí)停止運行，特別是電子裝置的工作取決于µC。如果µC失效時(shí)沒(méi)有備用方案來(lái)避免發(fā)生危及生命的事故，對于用戶(hù)和制造商都是無(wú)法接受的;設計中至少需要采用備用系統，將汽車(chē)就近行駛到維修站，由此，人們對故障容限的關(guān)注程度也迅速提高。根據實(shí)際需求，許多ECU開(kāi)始配備“跛行回家”管理模式。

　　“跛行回家”模式

　　“跛行回家”模式指的是ECU內部的一種冗余功能，在物理架構上這是完全獨立的一部分模擬電路，可以從待機模式下開(kāi)啟進(jìn)入失效保護狀態(tài)。這一模式允許汽車(chē)在發(fā)生電子系統失效時(shí)駛出道路，雖然不能保持原有的行駛性能，但可以確保安全。

　　新一代引擎ECU都帶有監控器件，例如：看門(mén)狗定時(shí)器，用于測試ECU運轉是否正常。一旦檢測到工作異常，發(fā)現電子裝置或µC失效(軟件運行故障)，監控器件將開(kāi)啟“跛行回家”控制模式。例如，當汽車(chē)引擎故障燈點(diǎn)亮，汽缸只注入一半的燃料給發(fā)動(dòng)機，此時(shí)引擎產(chǎn)生非常低的熱量，但能夠以適中的速度開(kāi)動(dòng)汽車(chē)，借助剛好支持汽車(chē)行駛的能量將汽車(chē)開(kāi)回家或開(kāi)到就近的汽車(chē)維修中心。

　　另外一個(gè)好的案例是新型汽車(chē)中的“車(chē)身控制計算機”，能夠控制車(chē)窗升降、前車(chē)燈/尾燈、轉向燈以及擋風(fēng)玻璃的雨刷、汽車(chē)的自動(dòng)換檔控制。監控電路對ECU的工作狀況進(jìn)行監測，發(fā)生電路單元或µC工作故障時(shí)，將激活待機電路，降級行駛性能，例如：降低遠光燈、尾燈/剎車(chē)燈的亮度，或者只保持第二檔行駛。當然，這種狀況下限制了汽車(chē)的最高速度，但汽車(chē)仍然保持工作，能夠以“跛行回家”模式安全行駛，把車(chē)開(kāi)到維修廠(chǎng)。

　　效果差么? 不，其實(shí)并不是。如果不是這樣，你有可能仍然保持原有駕駛速度，而這可能導致車(chē)輛損毀;或者也可能讓你哪都去不了，包括移至安全地帶。

　　冗余

　　計算機控制應用的前景稱(chēng)為“電控操作”，動(dòng)力系統內部和外部絕大多數機械控制系統已經(jīng)由機電控制所替代。例如，相互連接的ECU電控裝置已經(jīng)替代了方向盤(pán)到車(chē)輪之間的所有機械單元。司機移動(dòng)的方向盤(pán)位置將被檢測并轉換成數字電信號，傳送給智能化機電傳動(dòng)裝置，最終控制車(chē)輪動(dòng)作。

　　電控剎車(chē)裝置也采用汽車(chē)計算機、伺服電機或機電制動(dòng)鉗替代了早期的剎車(chē)軸、剎車(chē)總泵和剎車(chē)助力器等單元。

　　一般意義上講，由于剎車(chē)或轉向系統失靈將有可能危及生命，因此這些系統對安全性的要求更高，對故障容限的要求也更高。

　　工程師在這些新應用中設計了備份電路，構建完整的冗余電子控制和監控單元，冗余系統在物理結構上應該完全獨立于主控單元，始終確保系統提供有效、安全的電控單元。ECU監控電路保持主系統的連續監測，發(fā)生故障時(shí)可切換到備份、冗余系統。冗余系統的應用原理在于多個(gè)控制單元同時(shí)發(fā)生故障的概率要遠遠小于單個(gè)ECU中單個(gè)故障點(diǎn)出現的概率。因此，冗余控制單元能夠為汽車(chē)系統提供額外的安全保障。

　　高壓看門(mén)狗的優(yōu)勢

　　考慮到安全性問(wèn)題，汽車(chē)電子系統需要監控電路監測故障容限或安全性。MAX16997/MAX16998看門(mén)狗定時(shí)器可理想滿(mǎn)足這類(lèi)需求，通過(guò)對微控制器(µC)正常工作條件下產(chǎn)生的周期脈沖進(jìn)行檢測，偵測電路或µC的失效狀態(tài)，一旦發(fā)生故障可立即切換到備份/冗余系統。

　　MAX16997/MAX16998具有超時(shí)和窗式看門(mén)狗監測功能，器件帶有看門(mén)狗觸發(fā)器輸入(WDI)，提供漏極開(kāi)路µC復位輸出(RESET)和漏極開(kāi)路冗余系統使能輸出(ENABLE)。

　　對于MAX16998，復位門(mén)限可以由介于低壓電源(例如：µC電源)、外部電壓監測輸入(RESETIN)和GND之間的外部電阻分壓器(圖1所示)設置。MAX16997可以在使能輸入端(EN)讀取KL15 (點(diǎn)火開(kāi)關(guān))的狀態(tài)，在汽車(chē)啟動(dòng)后使能內部的監控定時(shí)器(圖2)。這時(shí)，看門(mén)狗的超時(shí)周期延長(cháng)到標稱(chēng)周期的8倍，為µC留出足夠的開(kāi)啟時(shí)間。

　　圖1. MAX16998高壓看門(mén)狗定時(shí)器采用獨立的下游低壓電源(LDO)供電，為電池短路保護提供安全保護屏障，從而使器件能夠在故障條件下可靠地切換到冗余電路。

　　圖2. 類(lèi)似于MAX16998，MAX16997能夠在故障狀態(tài)下安全地切換到冗余電路。它還具有高電平有效使能輸入(EN)，用于開(kāi)啟或關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器。