基于雙MCU架構(gòu)的ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)

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、電磁閥總開關等進行監(jiān)測。當ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，關閉電磁閥總開關，使ABS/ASR/VDC退出工作，恢復到常規(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常規(guī)制動與驅(qū)動。本文研究并設計了基于雙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的控制信號。控制信號必須經(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)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(xiàn)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(guī)范的低成本的串行通信網(wǎng)絡，廣泛應用于汽車分布式電子系統(tǒng)控制和故障診斷，其目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合(比如智能傳感器和制動裝置之間的通信)，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。LIN網(wǎng)絡也已經(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)的單端總線收發(fā)器SI9243A[6]。該芯片設計符合ISO9141故障診斷系統(tǒng)要求，內(nèi)置有雙向通信的K線驅(qū)動器和在數(shù)據(jù)傳輸前起喚醒功能的L線接收器，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(tǒng)的軟件包括兩部分，即系統(tǒng)上電和汽車起步時初始自檢和行駛過程中的在線檢測。
系統(tǒng)自檢時故障指示燈首先點亮，據(jù)此也可以檢查故障指示燈及其線路是否存在故障。如果自檢通過，則約3 s后故障指示燈熄滅，系統(tǒng)自檢結(jié)束。自檢時若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(xù)點亮以提醒駕駛員ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障。同時，ABS/ASR/VDC系統(tǒng)退出，常規(guī)制動與驅(qū)動恢復。自檢若沒有檢測到故障，則軟件繼續(xù)運行。

初始自檢項目主要包括：

（1）系統(tǒng)中已存故障信息的檢測和某些故障信息的復查；

（2）通過SPI通信檢測主、輔MCU的工作情況；

（3）電磁閥總開關的檢查：打開和關閉電磁閥總開關，通過測定電磁閥驅(qū)動芯片供電電壓VBB的值判斷電磁閥總開關的工作情況；

（4）電磁閥功能的檢查：驅(qū)動電磁閥工作，判斷是否正常工作；

（5）輪速傳感器靜態(tài)故障和汽車起步時輪速相差過大故障的檢查；

（6）對關鍵軟件部分的檢測，判斷程序是否正常運行。

工作過程中還要通過ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)實時監(jiān)測關鍵部分的工作狀況，如果發(fā)現(xiàn)故障應立即處理。在線故障診斷主要包括輪速信號的動態(tài)檢測、電磁閥實時監(jiān)測和主MCU的實時監(jiān)測。

輪速實時診斷程序通過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限值時，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(cè)輪輪速差、右側(cè)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限值，DW1、DW2、DW3、DW4分別為DWF、DWR、DWL、DWP的門限值?？紤]道路法規(guī)和汽車實際行駛工況，通過理論計算初步確定各門限，再通過試驗修正。修正后的各門限值為：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ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的標定試驗過程中，當電磁閥或輪速等突發(fā)意外故障時，故障指示燈都能點亮，同時退出ABS/ASR/VDC控制。這說明設計的故障診斷系統(tǒng)能準確實現(xiàn)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通信可實現(xiàn)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(tǒng)應用于自主開發(fā)的ABS/ASR/VDC集成系統(tǒng)，進行了實車道路試驗。試驗結(jié)果表明：開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)關鍵部件故障，并存儲故障代碼、退出ABS/ASR/VDC控制，保證了行車安全。基于雙MCU架構(gòu)的ECU設計增強了系統(tǒng)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。