一種多用戶硬件輸出車速信號采集故障解析及對策

陳 暉，董慶大，吳明瞭，李 良

（東風汽車股份有限公司商品研發院，湖北 武漢 430000）

1 前言

東風某款載貨汽車標配發動機ECU、車速傳感器、組合儀表、BCM控制器。該車在按客戶要求搭載行駛記錄儀時測試發現，原本正常的行車落鎖功能失效，但不搭載行駛記錄儀時行車落鎖功能正常。本文先對行車落鎖功能的異常現象進行了描述，然后對整車原理和相關零件的內部電路進行了分析，得出可能存在的原因，提出電路優化設計方案，最后對該方案進行了驗證。

2 行車落鎖功能異常現象描述

行車落鎖功能由BCM控制器實現。BCM控制器檢測到車速信號＞20km／h時，即觸發行車落鎖功能，控制門鎖電機將車門閉鎖，保證行車安全。當BCM控制器檢測到車速信號為0km／h且點火鑰匙處于ACC擋時即觸發車門解鎖，滿足用戶熄火車輛開門的需求。

本車增加行駛記錄儀后，車輛行駛速度高于20km／h后，門鎖并未閉鎖，行車落鎖功能失效。車輛從行駛到停車后熄火，點火鑰匙處于ACC擋，也未聽見門鎖電機解鎖的動作聲音。

3 對行車落鎖功能異常現象原因的分析

3.1 從整車電器原理的分析

該車車速信號部分的整車電器原理見圖1，車速脈沖信號由組合儀表附屬車速傳感器提供，經過組合儀表對整形驅動后，由3個部件同時采集使用：第一是發動機ECU，用于發動機控制策略；第二是行駛記錄儀，用于車輛行駛數據記錄；第三是BCM控制器，用作功能策略的輸入條件。車速脈沖信號為高低電平脈沖。高電平一般設計為整車電源，低電平理論上接近0V。

圖1 車速信號部分整車電器原理圖

1）通過儀表轉發車速信號的好處是，其余零部件若出現故障，不影響儀表車速顯示，用戶仍可根據儀表顯示車速控制車輛行駛。

2）車速傳感器為霍爾傳感器，其發出的脈沖信號波形會出現不規整，有可能導致采集信號的零部件檢測失效，通過組合儀表整形電路整形后，信號品質大大改善。

3）儀表內的車速信號整形電路亦具備信號放大增強驅動功能，可以提供給更多的零部件使用。

3.2 行車落鎖功能失效下各零部件狀態分析

1）發動機ECU。發動機ECU功能正常，使用車速信號作為輸入條件的定速巡航功能正常。

2）行駛記錄儀。行駛記錄儀功能正常，可以正確識別車輛速度，車速記錄及打印輸出正常。

3）BCM控制器。BCM控制器無法識別車速信號，導致以車速信號作為輸入判斷條件的功能失效。

3.3 車速信號實測及分析

3.3.1 車速信號實測

采用示波器對儀表輸出車速脈沖信號進行采樣，車速信號實車采集波形截圖見圖2。

1）示波器電壓幅值設置單位為2V ／div。

2）儀表輸出車速脈沖信號波形高電平電壓值約為14V，低電平電壓約為2V。

3.3.2 各部件車速信號識別分析

1）發動機ECU定速巡航功能正常，由此說明發動機ECU低電平識別門限＞2V，因此可正確識別儀表輸出的車速脈沖信號。

2）行駛記錄儀車速記錄功能正常，可正確識別儀表輸出的車速脈沖信號。分析行駛記錄儀內部電路，低電平識別門限為3.3V。因行駛記錄儀多用于商用車，由于商用車特性及搭鐵不良等原因常出現低電平無法達到理論0V，因此將低電平識別上限設計為3.3V。該行駛記錄儀已正常在國內多家商用車廠量產使用。

3）BCM控制器功能異常。經測試，BCM對圖2中的車速脈沖信號判斷全為高電平。分析BCM內部電路，其低電平識別門限為1.3V。說明大于1.3V的電平，BCM控制器全識別為高電平。

4）行駛記錄儀是新增加的配置，在未增加行駛記錄儀之前BCM功能完全正常，因此還不能完全確定是BCM控制器電路設計的問題。

圖2 車速信號實車采集波形截圖

3.4 對車速信號電器原理電路的分析

發動機ECU、行駛記錄儀、BCM控制器采集組合儀表發出的車速信號原理電路見圖3，通過圖3可知，車速傳感器車速信號輸入給組合儀表，組合儀表將該信號通過三極管驅動放大后提供給發動機ECU、行駛記錄儀、BCM控制器使用。下面將計算理論設計Ic電流值和實際Ic負載電流值進行對比。

圖3 車速信號電器原理電路圖

3.4.1 三極管設計驅動能力Ic

經查閱該三極管資料得知該三極管的放大倍數為60。

IB=（5-0.7）／（24+10+10）≈0.09mA；Ic=IB×60=5.4mA；該三極管設計驅動能力為5.4mA。

3.4.2 三極管Ic實際負載電流計算

1） I1=（12-0.3）／24≈0.49mA。

2）由于無法拆解發動機ECU，因此采用電流表實測I2電流約4mA。

3） I3=（5-0.7-0.3）／2≈2mA；I4=（5-0.7-0.3）／24≈0.16mA；根據疊加定理，電路總電流等于各分支電路電流相加總和［1］。

4）Ic=I1+I2+I3+I4=0.49+4+2+0.16=6.65mA；組合儀表車速驅動三極管實際負載電流為6.65mA，大于設計驅動能力。

3.4.3 分析結論

通過上述計算及實車測試，組合儀表車速信號驅動三極管的實際負載大于其理論驅動電流能力，該三極管處于放大狀態，未飽和導通。因此出現車速脈沖信號低電平高達2V。

4 措施分析和改進設計

4.1 措施的分析

從上述原因分析得知，該故障現象的根本原因為組合儀表車速信號放大三極管的設計驅動能力小于實際負載。因此改進措施思路有以下兩種。

1）增加三極管的設計驅動能力。

2）減小使用車速信號零部件 （發動機ECU、行駛記錄儀等）的采樣負載。

由于減小使用車速信號零部件采樣負載需要更改許多零部件，工作量較大，因此采用第一個思路，直接增大三極管的設計驅動能力，使設計驅動能力大于實際負載，即從根本上解決故障問題。

4.2 改進設計

4.2.1 臨時改進方案

由于該車型已經量產，在整車裝配現場沒有修改電路板元器件的條件下，必須采用臨時方案解決該故障現象。從故障原因分析可知，如果能夠確保車速信號放大三極管實際負載小于理論驅動能力即可。因此將實際負載電路最大的發動機ECU節點改在組合儀表車速信號輸入端，由車速傳感器 （驅動能力6mA）直接驅動。組合儀表車速信號驅動三極管實際負載變為2.65mA，小于設計驅動能力，臨時改進方案見圖4。

圖4 臨時改進方案原理圖

4.2.2 永久改進方案

由于車速傳感器為霍爾器件，輸出原始車速脈沖信號未經整形，可能存在波形異常，因此臨時對策方案不能作為永久改進方案采用。

永久改進方案為增加組合儀表車速信號三極管驅動能力，將圖3中三極管基極的2個10kΩ電阻阻值改為1.2kΩ，更改后IB=（5-0.7）／（24+1.2+1.2）≈0.16mA，設計驅動能力Ic=0.16×60=9.6mA。該驅動能力大于實際負載6.65mA。

5 方案驗證

5.1 臨時方案驗證

將發動機ECU車速信號采集移到車速傳感器輸出處，測試車輛定速巡航功能正常，組合儀表、行駛記錄儀均正常工作，BCM控制器行車落鎖功能正常。

5.2 永久方案驗證

將組合儀表車速信號三極管基極2個電阻均改為1.2kΩ，裝車驗證測試發動機ECU、組合儀表、行駛記錄儀、BCM控制器功能均無任何異常。

6 結束語

1）一個信號如果只有單個部件使用，通過單個部件可以完成測試；一個信號如果有多個部件使用，必須通過完整系統臺架或者整車完成測試［2］。

2）目前整車廠對零部件供應商一般只規定了功能要求，而對整車匹配并無明確要求，因此建議在圖紙中進行規定或者形成設計規范。

3）通過對東風載貨汽車車速信號共用異常的解析，可以將措施應用到如：駐車、車門、倒車、ACC等信號的設計匹配上，對已量產車型和新開發車型的信號接口電路設計都具有參考價值。

通過此次故障解析形成多用戶車速信號理論上的總結：①所有用戶端的總電流應該不大于輸出管放大的總電流；②為了防止信號反串，需要在每個用戶端增加防反串二極管；③為了防止輸出管意外損壞，推薦在信號輸出級增加隔離上拉電阻。