張德俊 段明海

摘 要：為了實現(xiàn)對汽車雙電池系統(tǒng)隔離器（BSR）出廠測試功能，設(shè)計了隔離器測試系統(tǒng)上位機控制控制平臺。該平臺基于MFC設(shè)計界面，采用多線程技術(shù)。通過CAN總線和USB通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能，并通過圖形化方式表現(xiàn)測試過程。下位機單片機以英飛凌XC2234芯片為核心，將采集到的繼電器技術(shù)參數(shù)通過CAN報文發(fā)送到上位機。實現(xiàn)對繼電器的吸合電壓、斷開電壓、延時時間等主要技術(shù)參數(shù)的檢測。經(jīng)工廠實際運行調(diào)試，人機交互體驗良好，測量數(shù)據(jù)精準，能很好滿足隔離器的測試要求。

關(guān)鍵詞： 隔離器;CAN總線;參數(shù)測試;界面交互

文章編號： 2095-2163（2019）03-0137-05 中圖分類號： TM933 文獻標志碼： A

0 引 言

雙電池隔離器設(shè)計用于雙電池系統(tǒng)，用以保護車輛電池充電放電。 雙電瓶隔離器有2種基本的操控特性： 輔助發(fā)動機啟動，當(dāng)啟動開關(guān)打開時，優(yōu)先采用主電瓶啟動。如果主電池電壓低于輔助電池電壓，電瓶隔離器將接通輔電瓶以輔助發(fā)動機啟動。主電瓶滿電電壓達到13～13.5 V時，電瓶隔離器會接通2個電瓶給副電瓶充電。如果主電瓶從接通的電瓶系統(tǒng)中取電致使系統(tǒng)電壓降至低于12.4～12.9 V時，雙電池分離器將斷開2個電瓶間的通聯(lián)，可以保護另一個電瓶的電不被耗盡。在控制電路中整合了延遲功能，可避免電瓶隔離器對瞬間的電壓波動做出響應(yīng)。該隔離器廣泛應(yīng)用于汽車供電系統(tǒng)中。測試系統(tǒng)模擬實際工況，上位機測試軟件控制程控電源的輸出，在一個測試周期內(nèi)根據(jù)繼電器的型號，電壓有一個相應(yīng)范圍上升階段和下降階段。電壓上升階段由下位機采集硬件檢測到繼電器吸合，捕捉對應(yīng)的吸合電壓。轉(zhuǎn)而進入電壓下降階段，同理捕捉斷開電壓。測試完畢后顯示出吸合電壓（Pick Up Voltage）、斷開電壓（Drop Out Voltage）和時間延遲（Time Delay）等結(jié)果，并通過和設(shè)定的吸合電壓范圍、斷開電壓范圍比較來判斷產(chǎn)品是否合格。

1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

測試系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。上位機軟件、程控電源、BSR測試對象、下位機等組成一個完整的雙電池系統(tǒng)分離器測試系統(tǒng)。上位機與程控電源采用USB通信（支持SCPI命令），下位機與BSR之間采用CAN通信。整個測試系統(tǒng)合理排布在測試臺架上。

1.1 程控電源

可編程任意電源就是某些功能或參數(shù)可以通過計算機軟件編程控制的電源。例如，當(dāng)超過最大輸出電壓的時候為恒流輸出，當(dāng)超過最大輸出電流的時候，電源就變成了穩(wěn)壓源等等?！翱删幊獭奔匆庵鸽娫磧?nèi)部主要功能通過上位機設(shè)定狀態(tài)字實現(xiàn)可控，大部分的電源是通過串口連接的。可通過通訊規(guī)約，設(shè)定“最大電流、最大電壓、最大功率、實際電壓”等等。可編程任意電源的主要指標是編程時間、編程精度、編程分辨率等等。在普通模式下，電壓通過導(dǎo)線直接加載在負載上，從而保持負載電壓的穩(wěn)定。由于負載電流會在連接導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降，因而實際負載電壓應(yīng)等于電源輸出電壓減去該壓降。

在一些輸出為低電壓、大電流的場合，電源的輸出連接導(dǎo)線上形成的壓降已不能忽略。如電源設(shè)定輸出為3.3 V/1 A，假設(shè)輸出線的電阻是0.3 Ω，就會在導(dǎo)線上形成0.3 V的壓降，那么實際到達的電壓變?yōu)?.0 V，這足以導(dǎo)致輸出到隔離器的電壓不精確。類似于萬用表測電阻時的四線測量法，研究需要對導(dǎo)線壓降進行補償。為此，可使用SENSE端子直接測量負載兩端電壓。由于SENSE導(dǎo)線中的電流很小，因而產(chǎn)生的電壓降可以忽略，即電源設(shè)備感應(yīng)的電壓實際上就是真正的負載電壓，這樣電源設(shè)備將提高自己的輸出，使其等于導(dǎo)線壓降和所需負載電壓之和，從而實現(xiàn)對于導(dǎo)線壓降的補償，使負載真正獲得所設(shè)定電壓值。有以下優(yōu)點：

（1）DH1766系列直流電源可提供優(yōu)異的輸出精度及置信度，在特定應(yīng)用場合可替代電壓表、電流表和基礎(chǔ)供電電源的組合，一臺電源完成全部測試;并且擁有超低的紋波噪聲，紋波有效值低于1 mV，峰值小于6 mV。

（2）DH1766系列直流電源具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)時間小于50 uS，可為動態(tài)負載提供穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)負載快速變化引起輸出跌落或過沖時，DH1766系列電源可快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，滿足動態(tài)負載的正常測試。

1.2 雙電池隔離器

本文測試對象為一種新型雙電池隔離器，其輸出端分別與主電池和輔助電池的正極連接，雙電池隔離器包括微控制器以及分別與微控制器連接的信號輸出電路、電壓監(jiān)測電路以及機械開關(guān)電路，機械開關(guān)電路分別與主電池和輔助電池的正極連接。使得駕駛員能夠獲得更多關(guān)于汽車電池的信息，讓整個電池管理系統(tǒng)更易于管理與控制。

2 下位機硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)的采集與處理，通信模塊的接收與發(fā)送是基于英飛凌公司XC2234控制器設(shè)計的。XC2234是一款16/32位單芯片微控制器，該控制器片上有MultiCAN接口，帶有2個可同步的A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供多達16個通道，16路捕獲/比較通道。完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

2.1 A/D采集電路與狀態(tài)檢測電路

A/D采集電路如同圖2所示，模擬最大輸入設(shè)計電壓為36 V，精密電阻分壓R46/R70=6.2，R70=1 K，R46=6.2 K。模擬量電壓經(jīng)分壓和跟隨電路輸入到12位A/D，A/D模擬電壓輸入范圍0～5 V，狀態(tài)檢測電路如圖3所示，同時采集繼電器狀態(tài)量高位為12 V，單片機不能直接檢測，故用肖特基二極管BAT54S鉗位在0～5 V。

MCU將采集的信號通過CAN總線傳入上位機。狀態(tài)檢測電路如圖4所示。實時采集繼電器輸入端（Point a）和輸出端（Point b）的電壓繼電器狀態(tài)捕捉：繼電器設(shè)計有狀態(tài)測點，測點出現(xiàn)上升沿，繼電器吸合;測點出現(xiàn)下降沿，繼電器斷開。下位機捕捉2種測試點對應(yīng)時刻的輸入點的電壓、即為動作電壓，上升沿對應(yīng)吸合電壓，下降沿對應(yīng)斷開電壓。下位機采集與處理的數(shù)據(jù)打包通過CAN總線，實現(xiàn)與上位機的實時通信。

2.2 電源電路

電源電路如圖5所示，在電源輸入端加了一個二極管，如若電源正負極接反，就可以使得電路不會導(dǎo)通，從而保護后級電路。由于本系統(tǒng)中傳感器最低驅(qū)動電壓為9 V，因此選用了電壓可調(diào)的開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576-5，固定輸出5 V電壓。給主芯片和和CAN收發(fā)器等IC供電。

2.3 CAN通信電路

CAN通訊節(jié)點由CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻、防靜電（Electro-Static Discharge， ESD）保護電路組成。微控制器Infineon XC2234集成了MultiCAN模塊 CAN總線收發(fā)模塊選用英飛凌公司TLE6250GV33，該器件可為總線和 CAN 控制器分別提供差分發(fā)射能力和差分接收能力，信號傳輸速率高達 1 兆位每秒 （Mbps）。 CAN通信電路如圖6所示。圖6中，CAN0-TxD和CAN0-RxD分別對應(yīng)CAN控制器的發(fā)送與接收。在CANL和CANH接入阻值為120 Ω的終端保護電阻即為圖6中R17，并增強CAN總線通訊的可靠性與抗干擾能力。

3 下位機軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議設(shè)計

數(shù)據(jù)有線傳輸時，主控制器等待CAN進入中斷。進入中斷后，通過CAN收發(fā)器CAN高和CAN低進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。采集的數(shù)據(jù)以CAN報文的形式發(fā)送到上位機，報文格式見表1。下位機接收到上位機發(fā)送的Stop/Start后，下位機回復(fù)相應(yīng)Stop/Star。如果接收到Start命令后則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)幀類型采用標準幀，幀ID為11位二進制。不同ID代表不同的參數(shù)。CAN通信的流程圖如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集電路軟件設(shè)計

采集端軟件設(shè)計主要任務(wù)可分述如下：

（1）配置好驅(qū)動底層電路，實現(xiàn)對電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換處理。

（2）對采集到的數(shù)據(jù)，采用中位值平均濾波法進行濾波處理，消除因脈沖干擾引起的采樣偏差。

（3）將濾波處理過的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)打包處理，然后通過CAN將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

A/D轉(zhuǎn)換請求模式采用掃描的轉(zhuǎn)換啟動模式，掃描請求源可以處理多路的轉(zhuǎn)換信號，本次設(shè)計用到CH0和CH1兩個通道。利用ADC0_vStartParReq ChNum（）開啟對應(yīng)的通道，ADC0_vSetLoadEvent（）產(chǎn)生加載事件。2個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在對應(yīng)結(jié)果寄存器。但在模擬量采集時，信號存在誤差與干擾，軟件設(shè)計時必須去除這些因素，即軟件濾波處理。構(gòu)造數(shù)組，依次采集5個A/D值存入數(shù)組，采用中值濾波函數(shù)，去掉最大和最小值后求得A/D值的平均值，有CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)到上位機。其設(shè)計流程如圖8所示。

4 上位機軟件設(shè)計

上位機是基于MFC開發(fā)的，MFC是微軟公司推出的類庫，以C++類的形式封裝。這些類庫封裝了豐富的Windows應(yīng)用程序編程接口（API）、ODBC數(shù)據(jù)訪問的功能。因此選用MFC作為GUI界面的界面工具。

4.1 用戶測試界面交互設(shè)計

如圖9所示。友好的人機交互界面可以使操作人員對不同的產(chǎn)品參數(shù)進行方便配置，在測試中動態(tài)地監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。同時，對研發(fā)得到的功能設(shè)計可闡釋解析如下。

（1）界面圖像顯示功能：輸入端（Point a）和輸出端（Point b）的電壓，和繼電器測試點電壓圖像實時顯示功能，操作人員觀察電壓走勢就可大致判斷隔離器合格性。

（2）繼電器狀態(tài)示意功能：單刀單擲模擬繼電器的開合。直觀觀察繼電器在測試周期的狀態(tài)。在配置頁面根據(jù)不同的產(chǎn)品型號，可設(shè)置程控電源輸出電壓上升和下降的范圍。測試結(jié)果判定的吸合電壓范圍、斷開電壓范圍和延時時間。一個測試周期結(jié)束后，繼電器的相關(guān)的測試參數(shù)（吸合電壓，斷開電壓，延時時間），測試通過性（PASS和FAIL）在結(jié)果區(qū)顯示。

4.2 文件管理

文件管理主要是繼電器參數(shù)數(shù)據(jù)輸出功能。

每次測試的結(jié)果自動記錄到按照日期為文件名的Excel表格，做到產(chǎn)品檢測結(jié)果記錄與可追溯。使用技術(shù)ODBC是基于Windows環(huán)境的一種數(shù)據(jù)庫訪問的接口標準。也可以訪問Excel表這類非數(shù)據(jù)庫對象。

4.3 上位機軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

上位機軟件基于 VS C++語言開發(fā)的用戶界面程序，由于需要處理大量的IO操作（CAN通信和USB），提高程序的運行效率，故采用多線程編程。對此可做探討論述如下。

（1）主線程：主線程的核心功能是一些通信配置，主要包括與下位機CAN轉(zhuǎn)USB通信和與程控電源USB通信。界面相關(guān)參數(shù)的初始化。MFC的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動而工作的，消息映射是一種把消息映射到相應(yīng)的消息函數(shù)的機制。例如，處理不同按鈕消息（Config，list等）對應(yīng)不同消息響應(yīng)函數(shù)。利用TeeChart控件實現(xiàn)繪圖功能。

（2）第二線程：為了進行CAN報文的實時接收與解析，USBCAN卡采用ZLG的USB接口CAN卡，并且提供了封裝好的CAN相關(guān)的二次開發(fā)函數(shù)庫，如：VCI_StartCAN（）用來啟動USB-CAN，VCI_Receive（）用來接收CAN數(shù)據(jù)，VCI_Transmit（）用來發(fā)送CAN數(shù)據(jù)。

（3）第三線程：單獨開辟一個線程，控制程控電源的電壓輸出，電壓輸出的設(shè)計流程如圖10所示。

首先在初始化中選擇BSR的型號。根據(jù)上、下限和步長，會生成一個電壓上升數(shù)組Array_VolDataRise和電壓下降數(shù)組Array_VolDataFall，并通過數(shù)組指針Num_ArrayPoint調(diào)用，一旦檢測到按時按鈕按下，上位機通過USB通信向程控電源發(fā)送電壓輸出命令，每隔500 ms調(diào)用一次。在電壓上升階段，會持續(xù)判斷來自下位機發(fā)送的測試點狀態(tài)量，一旦接收到上升沿。記錄對應(yīng)的電壓值、即為吸合電壓，并立即轉(zhuǎn)向電壓下降階段，同理發(fā)送下降電壓，接收到下降沿的時刻所對應(yīng)的電壓、即為斷開電壓。由于

BSR有延時功能，計時器開始計時，記為TimeEnd1，直到繼電器完全斷開時刻，記為TimeEnd2。則該產(chǎn)品的延時時間為：

Gauge_DelayTime=TimeEnd2-TimeEnd1

5 結(jié)束語

本文通過分析汽車雙電池系統(tǒng)隔離器的工況，提出了一種利用上位機控制程控電源輸出到測試對象（BSR），下位機采集相關(guān)技術(shù)參數(shù)的測試方案。與采用傳統(tǒng)手動控制電源相比，操作更加方便，測量更加準確，極大地提高了生產(chǎn)率。

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