基于雙MCU架構(gòu)的ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)

王偉達(dá)，張 為，江 帆

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京100029；3.河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 鄭州450015）

集成了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng) ASR(Acceleration Slip Regulation System)與車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)VDC(Vehicle Dynamic Control System)的ABS/ASR/VDC集成系統(tǒng)是汽車主動(dòng)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(dòng)性、驅(qū)動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)，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(guān)電氣元件狀態(tài)參數(shù)的在線測(cè)試，監(jiān)控ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的工作狀況，實(shí)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(guān)等部位[2]。在 ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)中，要對(duì)穩(wěn)壓電源、輪速處理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥總開關(guān)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉電磁閥總開關(guān)，使ABS/ASR/VDC退出工作，恢復(fù)到常規(guī)制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)，同時(shí)存儲(chǔ)故障代碼，供維修時(shí)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(cè)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(gè)階段[4]：(1)系統(tǒng)靜態(tài)自檢；(2)汽車起步時(shí)的動(dòng)態(tài)自檢；(3)汽車行駛中的定時(shí)動(dòng)態(tài)自檢。

1 ABS/ASR/VDC系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷電路

ABS/ASR/VDC系統(tǒng)ECU主要實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)采集與處理、控制軟件存儲(chǔ)與運(yùn)行、壓力調(diào)節(jié)器電磁閥驅(qū)動(dòng)以及與其他ECU或計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)方案：主MCU主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、計(jì)算處理，并根據(jù)控制邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令輸出到系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；輔MCU主要負(fù)責(zé)檢測(cè)主MCU運(yùn)行狀況，并具備一定故障檢測(cè)和應(yīng)急處理功能，當(dāng)檢測(cè)到主MCU不能正常工作或發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，ABS/ASR/VDC及時(shí)退出控制并恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)。本文研究并設(shè)計(jì)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(duì)輪速輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，經(jīng)一定的控制邏輯判斷后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。控制信號(hào)必須經(jīng)過功率放大后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是把MCU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)電平，而且把很小的電流放大到足夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，由于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)電流大、變化快，處理不當(dāng)將對(duì)電源電壓干擾很大、引起較大波動(dòng)。為了減小干擾，在驅(qū)動(dòng)電路和其他電路之間進(jìn)行電氣隔離。驅(qū)動(dòng)電路附帶有故障監(jiān)測(cè)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁閥工作狀態(tài)，及時(shí)將故障信息反饋給MCU。電磁閥驅(qū)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(nèi)部電磁線圈的短路和斷路，系統(tǒng)自檢時(shí)能通過硬件故障診斷電路作出判斷和監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)分壓電路，通過測(cè)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(guān))控制分壓電路與輪速信號(hào)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(nèi)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(dāng)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(dǎo)通，此時(shí)，+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(dāng)PA1輸出為低電平時(shí)，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(dǎo)通，從而傳感器輸出的輪速信號(hào)就進(jìn)入輪速處理電路。

1.3 MCU故障診斷電路設(shè)計(jì)

為保證主MCU安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了SPI（Serial Peripheral Interface）接口通信電路，輔 MCU通過通信實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)定主 MCU為主機(jī)模式，輔MCU為從機(jī)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(shè)計(jì)

國際上現(xiàn)行通用的故障診斷接口和標(biāo)準(zhǔn)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(luò)，廣泛應(yīng)用于汽車分布式電子系統(tǒng)控制和故障診斷，其目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線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總線可大大節(jié)省成本。LIN網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)成為國際上一種標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(dòng)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(shè)計(jì)

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(shí)初始自檢和行駛過程中的在線檢測(cè)。

系統(tǒng)自檢時(shí)故障指示燈首先點(diǎn)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(shí)若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障，則以故障代碼的形式存儲(chǔ)故障信息，故障指示燈持續(xù)點(diǎn)亮以提醒駕駛員ABS/ASR/VDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障。同時(shí)，ABS/ASR/VDC系統(tǒng)退出，常規(guī)制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)恢復(fù)。自檢若沒有檢測(cè)到故障，則軟件繼續(xù)運(yùn)行。

初始自檢項(xiàng)目主要包括：

（1）系統(tǒng)中已存故障信息的檢測(cè)和某些故障信息的復(fù)查；

（2）通過SPI通信檢測(cè)主、輔MCU的工作情況；

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

（4）電磁閥功能的檢查：驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，判斷是否正常工作；

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

（6）對(duì)關(guān)鍵軟件部分的檢測(cè)，判斷程序是否正常運(yùn)行。

工作過程中還要通過ABS/ASR/VDC故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部分的工作狀況，如果發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)立即處理。在線故障診斷主要包括輪速信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)、電磁閥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和主MCU的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

輪速實(shí)時(shí)診斷程序通過一定算法判斷輪速信號(hào)是否異常，程序邏輯判斷如圖5所示。當(dāng)前輪輪速差與后輪輪速差的絕對(duì)值超出設(shè)定的門限值時(shí)，按照程序邏輯判斷各輪速信號(hào)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(duì)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。考慮道路法規(guī)和汽車實(shí)際行駛工況，通過理論計(jì)算初步確定各門限，再通過試驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證

在ABS/ASR/VDC系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn)過程中，當(dāng)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。這說明設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)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(shí)現(xiàn)故障代碼的讀取、顯示或清除等功能。

將設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用于自主開發(fā)的ABS/ASR/VDC集成系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部件故障，并存儲(chǔ)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(shè)計(jì)增強(qiáng)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。

[1]任少卿，陳慧巖.汽車防滑控制系統(tǒng)ABS/ASR基本原理及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車電器,2006(3):1-5.

[2]陳木元.汽車 ABS的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其故障診斷[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(6):65-70.

[3]麻友良.汽車底盤電子控制系統(tǒng)原理與檢修[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[4]王凱明.現(xiàn)代汽車故障綜合診斷技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[5]饒運(yùn)濤.現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[6]Vishay公司資料.Single-Ended Bus Transceiver Si9243AEY[Z]，1999.

圖5 輪速信號(hào)變化過大故障診斷程序