智能式中央電器盒的設計與診斷

王劍峰，王遠波，董海

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

智能式中央電器盒的設計與診斷

王劍峰，王遠波，董海

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

本文簡單介紹了智能式中央電器盒的設計思路、流程與方法，分析了設計過程中需要關注的系統原理、整體結構、電子電路、電源分配、軟件編程、總線診斷等問題，系統闡述了整個設計過程。

智能；集成；電源分配；功能；診斷

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-40-03

引言

智能式中央電器盒，是汽車上集成了中央配電系統和BCM控制系統的總成裝置。其中中央配電系統是大電流執行機構，BCM是小電流驅動機構。兩者結合共同實現對整車的電源分配、線路保護、信號傳輸、功率驅動、邏輯控制等功能。

傳統的中央電器盒結構簡單、功能單一，體積也較大，只作為線路保護和電路集中控制的元件，已經無法滿足現代汽車的智能化要求。BCM控制器也是作為一個獨立模塊，參與著信息交互和邏輯控制的功能。隨著技術的發展，兩者的關聯也更加的緊密，從而有了將兩者整合為一體的需求。

1、系統設計

智能式中央電器盒主要由微控板、映射板和電器盒三部分組成。

微控板是BCM控制系統的核心部件，主要由單片機和驅動芯片組成。整車供給12V或24V電源經過電壓轉換芯片生成5V電源，給MCU、芯片及信號處理電路供電；用飛思卡爾、英飛凌等半導體廠商的單片機進行軟件開發來實現BCM的控制邏輯時序。它可持續監測繼電器、熔斷器的工作狀態，響應來自CAN總線上的網絡報文，診斷各用電器回路的短路、斷路、虛接等狀態。

微控板需提前規劃BCM的電源工況條件和功能需求。電源工況條件需設定BAT、ACC、15和on檔電源，對設備工作條件進行分類。功能需求一般來說，應具備燈光控制功能、雨刮控制功能、傳感器信號采集功能，網絡功能及診斷功能。

映射板由可編程電路和可用于存放編程數據的存儲器ROM組成。可編程電路一般由可編程邏輯塊CLB,輸入輸出模塊即I/O口和互聯介質組成。映射是將設計好的邏輯門關系映射成物理元素，分割到各個編程電路中的過程。它是一個虛擬的過程，經過一系列的算法最終轉化成物理電路，通過實際的端口來實現。

電器盒是集成了保險、繼電器和負載電路的控制模塊，主要功能是整車的電源分配、開關線路信號控制和BCM驅動控制。它是最直觀的可觀測到的部分，包含了大量的保險盒繼電器、二極管、穩壓管等，并通過插接件進行整車輸入輸出的交換。接插件一般是與盒體注塑成一個整體，便于節省空間和模塊化。接插件的形式比較多，目前主流的是泰科的MCP系列產品，可根據不同的線路要求選擇具有防錯功能的插接器。

三者之間通過PCB板、端子或者銅條采用嵌入式結構連接就組成了智能式中央電器盒的主體結構。殼體選用硬質阻燃PAB材料，它有良好的絕緣性和耐老化性，價格相對便宜，在國內主機廠普遍采用。

2、模塊設計

模塊設計是具體的將智能式中央電器板的三大主體部分進行詳細設計。微控板是要通過無數電路集成來實現所需的具體功能，也是設計工作的核心和難點。映射板涉及到軟件編程，用軟件代碼實現與外電路的信息交換，是微控板和電器板之間信息交互的紐帶。電器板則由很多銅條負責電流的分配，并輸出到各用電設備。

2.1 微控板的電路設計

BCM模塊中需要用到很多上拉電路或者下拉電路，通過輸入信號的采集來進行繼電器的控制。設計要求中規定了高有效或者低有效的控制邏輯，并要滿足對電源和對地的短路保護功能、防電磁干擾的功能及高低電平的幅值轉換、閥值限定等，綜合考慮以上因素可以得出高低電平輸入端處理電路的基本結構：

以上輸入處理電路在BCM控制模塊中是最常用的，其可判斷開關信號進行高低電平判斷，進而控制繼電器觸點端的開閉，實現小電流控制大電流的目的。將很多類似的模塊集成在一個PCB線路板上，就構成了集成控制模塊。另外，有些輸入可能是數字量，也有些輸入可能是模擬量，數字量可直接由單片機讀取，而對于有些模擬量輸入則必須經過信號調理/數據采集接口轉換成數字信號，供MCU讀取，常用的模擬信號采集電路如下圖所示：

輸入電路接受傳感器和其它裝置輸入的信號，對信號進行分壓、濾波和放大，然后轉換成適合單片機AD轉換器采集的輸入信號。單片機將采集的信號進行邏輯分析和運算處理，并將處理數據送至輸出電路，輸出電路將數字信息的功率放大，有些還要還原為模擬信號，以驅動繼電器或者傳感器等元器件的工作。

2.2 電器板的電源分配設計

電器板設計的核心的問題在于如何進行電源分配和保險、繼電器規格的選擇、電性能及電磁兼容性設計。

保險的選擇方面，本著先燒保險后燒線的原則，需對輸出的各用電器的實際工作電流進行計算；選擇帶LED指示燈的保險便于故障排查。

用電設備的電流強度為：I=P/U。所以電壓一定的情況下，電流強度直接與設備的功率有關。考慮電壓降和熱損耗等因素，保險容量一般選為：FA=1.25P/U。實際的設計中還需要考慮沖擊電流、保險共用、30+電、B+電及IG電等。

電性能及電子兼容性設計方面，在供電電路的上游增加TVS管抑制瞬態電壓突變，在感性負載兩端并聯反向二級管，來抑制反向電流沖擊。

選擇過電流能力較強的T2y紫銅作為預埋的匯流條材料，綜合考量得出最優性價比的設計方式。

電源分配方面，分配方式完全基于整車電氣的設計要求，某電器盒的電源分配局部電路如下圖：

上圖中近光燈、左右前霧燈由BCM驅動，當BCM收到燈光開關信號，則拉低繼電器線圈控制端，燈光開啟。IG1電通過可驅動40A電流的繼電器控制，同理也是由BCM控制繼電器線圈。其它電路直接由保險輸出。將電器盒和微控板、映射板通過PCB、匯流條壓接在一起，智能中央電器盒的主體結構就設計完成了。圖6為典型的層疊式結構：

圖6中PCB板分為上下兩層，上層為BCM控制模塊，下層為繼電器保險插接模塊，層與層之間通過音叉端子連接。預埋了30+電和地線接線柱各一個，通過插接器實現輸入或輸出功能。

2.3 軟件編程

微控板還涉及到一些簡單的程序設計，用函數調用的方式實現MCU所設定的循環尋址功能。首先設定默認基地址值，此值不能與其它控制器沖突。預先將很多物理地址存放在ROM存儲器中，數據以十六進制的形式存在，編程的目的就是為了更好的調用存儲器中的這些數據。每個功能對應一個唯一的ID地址，又用FMI地址來對同一功能不同信號類型進行區分，這樣控制器就會在各時間周期內按這個結構的程序進行循環。數據以CAN報文的形式，通過CAN_H、CAN_L兩根總線與外部電路進行通信。

3、系統診斷

3.1 診斷原理

在CAN網絡中，為了避免總線信息沖突，引入了“非破壞性逐位仲裁機制” 。每一個報文都被分派了標識符，標識符=ID=優先級，標識符越小，優先級越高。標識符都是由0100101……等的二進制數字組合而成。0：代表顯性位、覆蓋；1：代表隱性位、被覆蓋。轉化為直觀的概念就是3.5V 和2.5V的電壓變化，只是這種變化周期是毫秒級的。收發器會定期接收和發送具有雙向傳遞功能的CAN-BUS電信號，由主芯片檢查有效的電信號并轉換為數字信息。

CAN源地址=基地址+偏移地址（設定基地址為：00A0）

PGN偏移常值：保險絲0x00、繼電器0x01、錯誤信息0x02。

在CAN協議中，所有數據均以固定格式的數據幀發送，在發送過程中邊發送邊檢測，若發現錯誤則終止發送，并將此單元從總線上隔離，不會影響其它單元的數據傳輸。標準的數據幀結構包含幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC校驗、ACK段、幀結束等七個數據段，每個數據段由不同的位字節構成。

傳遞這個數據段的介質就是CAN總線，它是由一條黃線和一條綠線雙絞而成的銅質導線，有的還需帶屏蔽層。在導線最遠端串聯兩個120Ω終端電阻，防止信號反射。將智能式中央電器盒及診斷接口以樹狀結構并聯到整個網絡上，則一個網段便建立了。

3.2 診斷工具

目前使用的診斷工具為CANoe，它集診斷、仿真、分析、記錄于一體，具有功能強大、操作簡單的特點，還可提供數據庫支持。CANoe有八大窗口，常用的為trace window和Bus Statistics window。前者預加載數據庫后，用于錯誤ID信息的顯示，后者用于總線負載監控和數據幀檢查。

4、結語

本文對智能式中央電器盒的設計與診斷作了簡要介紹，剖析了它的組成形式和結構特點，對其原理和整個設計過程進行了簡要分析。

本文的目的在于使讀者對系統的設計工作有所了解。智能中央電器盒實際的設計過程是一個系統的工程，只有結合很多方面的知識，才能設計出在功能和性能上滿足主機廠需求的優秀產品。

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Design And Diagnose For Intelligent Electrical Centers Box

Wang Janfeng, Wang Yuanbo, Dong Hai
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Automobile Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710100）

This article firstly introduces the design ideas、process and method,analyses the problem such as system elements、whole structure、electron circuit、power supply distribute、software programme、can bus diagnosis for the design process that should be focused on，expounds the whole design process systemally.

intelligent；integration；power supply；distribute；function；diagnose

U463.6

A

1671-7988(2015)01-40-03

王劍峰，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。