基于雙MCU架構的ABS/ASR/VDC故障診斷系統

集成了防抱死制動(dòng)系統ABS(Anti-lock Braking System)、驅動(dòng)防滑控制系統ASR(Acceleration Slip Regulation System)與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統VDC(Vehicle Dynamic Control System)的ABS/ASR/VDC集成系統是汽車(chē)主動(dòng)安全性控制系統的核心裝置之一。該系統可顯著(zhù)提高車(chē)輛的制動(dòng)性、驅動(dòng)性、轉向可操縱性和橫向穩定性，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]。

為提高系統的可靠性，世界各大汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)或零部件廠(chǎng)商在推出的ABS/ASR/VDC產(chǎn)品中都配有故障診斷系統。該系統通過(guò)有關(guān)電氣元件狀態(tài)參數的在線(xiàn)測試，監控ABS/ASR/VDC系統的工作狀況，實(shí)現了系統自診斷。

ABS/ASR/VDC系統常見(jiàn)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(kāi)關(guān)等部位[2]。在A(yíng)BS/ASR/VDC故障診斷系統中，要對穩壓電源、輪速處理電路、電磁閥驅動(dòng)電路、電磁閥總開(kāi)關(guān)等進(jìn)行監測。當ABS/ASR/VDC系統出現故障時(shí)，關(guān)閉電磁閥總開(kāi)關(guān)，使ABS/ASR/VDC退出工作，恢復到常規制動(dòng)與驅動(dòng)，同時(shí)存儲故障代碼，供維修時(shí)使用。故障代碼可以通過(guò)不同的方式顯示：由儀表盤(pán)的故障警告燈閃爍故障代碼；由儀表盤(pán)上的顯示屏直接顯示故障代碼的數字和信息資料；用專(zhuān)用的故障檢測儀連接到診斷座上，讀取故障代碼[3]。

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

1 ABS/ASR/VDC系統關(guān)鍵部件的故障診斷電路

ABS/ASR/VDC系統ECU主要實(shí)現輪速信號采集與處理、控制軟件存儲與運行、壓力調節器電磁閥驅動(dòng)以及與其他ECU或計算機進(jìn)行通信等功能。目前國際上幾大ABS/ASR/VDC系統生產(chǎn)廠(chǎng)商都采用了主、輔雙MCU的總體設計方案：主MCU主要負責信號采集、計算處理，并根據控制邏輯產(chǎn)生相應的控制指令輸出到系統執行機構；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急處理功能，當檢測到主MCU不能正常工作或發(fā)現故障時(shí)，ABS/ASR/VDC及時(shí)退出控制并恢復常規制動(dòng)與驅動(dòng)。本文研究并設計了基于雙MCU架構的ABS/ASR/VDC故障診斷系統。

1.1 電磁閥故障診斷電路

MCU對輪速輸入數據進(jìn)行分析、處理后，經(jīng)一定的控制邏輯判斷后輸出相應的控制信號?？刂菩盘柋仨毥?jīng)過(guò)功率放大后才能驅動(dòng)執行機構。驅動(dòng)電路的主要作用是把MCU輸出的TTL電平轉換為執行機構所需要的驅動(dòng)電平，而且把很小的電流放大到足夠驅動(dòng)執行機構。另外，由于驅動(dòng)執行機構動(dòng)作時(shí)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(dòng)。為了減小干擾，在驅動(dòng)電路和其他電路之間進(jìn)行電氣隔離。驅動(dòng)電路附帶有故障監測電路，實(shí)時(shí)監測電磁閥工作狀態(tài)，及時(shí)將故障信息反饋給MCU。電磁閥驅動(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)故障包括傳感器內部電磁線(xiàn)圈的短路和斷路，系統自檢時(shí)能通過(guò)硬件故障診斷電路作出判斷和監測。本文設計了一個(gè)分壓電路，通過(guò)測量傳感器電磁線(xiàn)圈上的分壓值反映傳感器內阻，從而判斷有無(wú)短路、斷路故障。選擇CD4066（四通道雙向模擬開(kāi)關(guān))控制分壓電路與輪速信號輸出分時(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均導通，此時(shí)，+5 V電源電壓經(jīng)過(guò)RC101和CD4066內阻、傳感器內阻到地構成回路，PAD01處的電壓值間接反映傳感器的內阻，接入輔MCU的AD轉換通道，將轉換數值與短路限壓值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(wú)短路、斷路故障；當PA1輸出為低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)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均導通，從而傳感器輸出的輪速信號就進(jìn)入輪速處理電路。

1.3 MCU故障診斷電路設計

為保證主MCU安全可靠運行，設計了SPI（Serial Peripheral Interface）接口通信電路，輔MCU通過(guò)通信實(shí)現對主MCU的監控。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據。通過(guò)分別拉高和拉低從屬選擇（SS）引腳，設定主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。

2 故障診斷接口電路設計

國際上現行通用的故障診斷接口和標準為OBD-II，它包括SAE J-1850 PWM、SAE J-1850 VPW和ISO 9141三種形式。LIN(Local Interconnect Network)[5]是一種遵循ISO9141協(xié)議規范的低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò )，廣泛應用于汽車(chē)分布式電子系統控制和故障診斷，其目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )提供輔助功能。因此，LIN總線(xiàn)是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合(比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通信)，使用LIN總線(xiàn)可大大節省成本。LIN網(wǎng)絡(luò )也已經(jīng)成為國際上一種標準的故障診斷協(xié)議接口。

本文采用ISO9141-2協(xié)議，選用雙向通信芯片為Vishay Siliconix公司生產(chǎn)的單端總線(xiàn)收發(fā)器SI9243A[6]。該芯片設計符合ISO9141故障診斷系統要求，內置有雙向通信的K線(xiàn)驅動(dòng)器和在數據傳輸前起喚醒功能的L線(xiàn)接收器，通信電路如圖4所示。

3 故障診斷軟件設計

ABS/ASR/VDC故障診斷系統的軟件包括兩部分，即系統上電和汽車(chē)起步時(shí)初始自檢和行駛過(guò)程中的在線(xiàn)檢測。
系統自檢時(shí)故障指示燈首先點(diǎn)亮，據此也可以檢查故障指示燈及其線(xiàn)路是否存在故障。如果自檢通過(guò)，則約3 s后故障指示燈熄滅，系統自檢結束。自檢時(shí)若發(fā)現系統中存在故障，則以故障代碼的形式存儲故障信息，故障指示燈持續點(diǎn)亮以提醒駕駛員ABS/ASR/VDC系統出現故障。同時(shí)，ABS/ASR/VDC系統退出，常規制動(dòng)與驅動(dòng)恢復。自檢若沒(méi)有檢測到故障，則軟件繼續運行。

初始自檢項目主要包括：

（1）系統中已存故障信息的檢測和某些故障信息的復查；

（2）通過(guò)SPI通信檢測主、輔MCU的工作情況；

（3）電磁閥總開(kāi)關(guān)的檢查：打開(kāi)和關(guān)閉電磁閥總開(kāi)關(guān)，通過(guò)測定電磁閥驅動(dòng)芯片供電電壓VBB的值判斷電磁閥總開(kāi)關(guān)的工作情況；

（4）電磁閥功能的檢查：驅動(dòng)電磁閥工作，判斷是否正常工作；

（5）輪速傳感器靜態(tài)故障和汽車(chē)起步時(shí)輪速相差過(guò)大故障的檢查；

（6）對關(guān)鍵軟件部分的檢測，判斷程序是否正常運行。

工作過(guò)程中還要通過(guò)ABS/ASR/VDC故障診斷系統實(shí)時(shí)監測關(guān)鍵部分的工作狀況，如果發(fā)現故障應立即處理。在線(xiàn)故障診斷主要包括輪速信號的動(dòng)態(tài)檢測、電磁閥實(shí)時(shí)監測和主MCU的實(shí)時(shí)監測。

輪速實(shí)時(shí)診斷程序通過(guò)一定算法判斷輪速信號是否異常，程序邏輯判斷如圖5所示。當前輪輪速差與后輪輪速差的絕對值超出設定的門(mén)限值時(shí)，按照程序邏輯判斷各輪速信號是否存在故障。圖中DWF、DWR、DWL、DWP分別為前輪輪速差、后輪輪速差、左側輪輪速差、右側輪輪速差之絕對值；DW0為前輪輪速差和后輪輪速差的差值門(mén)限值，DW1、DW2、DW3、DW4分別為DWF、DWR、DWL、DWP的門(mén)限值?？紤]道路法規和汽車(chē)實(shí)際行駛工況，通過(guò)理論計算初步確定各門(mén)限，再通過(guò)試驗修正。修正后的各門(mén)限值為：DW0=2 km/h，DW1=6 km/h，DW2=5 km/h，DW3=7 km/h，DW4=7 km/h。

4 故障診斷試驗驗證

在A(yíng)BS/ASR/VDC系統的標定試驗過(guò)程中，當電磁閥或輪速等突發(fā)意外故障時(shí)，故障指示燈都能點(diǎn)亮，同時(shí)退出ABS/ASR/VDC控制。這說(shuō)明設計的故障診斷系統能準確實(shí)現電磁閥、輪速傳感器等的故障診斷與處理。ECU和故障診斷儀之間通過(guò)通信可實(shí)現故障代碼的讀取、顯示或清除等功能。

將設計的故障診斷系統應用于自主開(kāi)發(fā)的ABS/ASR/VDC集成系統，進(jìn)行了實(shí)車(chē)道路試驗。試驗結果表明：開(kāi)發(fā)的故障診斷系統可以及時(shí)發(fā)現關(guān)鍵部件故障，并存儲故障代碼、退出ABS/ASR/VDC控制，保證了行車(chē)安全?；陔pMCU架構的ECU設計增強了系統的故障診斷能力，并且在某些特殊情況下，輔MCU可以代替主MCU工作，大大降低了ECU的失效概率。