陳都 張賢輝 許剛

摘 要 本文基于功能性與可靠性要求介紹了工程機(jī)械車載ECU系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思路，圍繞電源模塊、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互功能與I/O單元等方面，對(duì)ECU硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)探討，以期為同類型控制器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞 工程機(jī)械;車載ECU;硬件系統(tǒng)

引言

電子控制單元（ECU）又被稱為車輛專用微機(jī)控制器和“車載電腦”，主要由電源、微處理器、數(shù)據(jù)模塊、接口等電路組成，利用輸入接口采集車輛上各種傳感器的信息，經(jīng)由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算處理后利用輸出接口將結(jié)果發(fā)送至執(zhí)行元件，完成整體運(yùn)行過程，達(dá)成相應(yīng)控制目標(biāo)。

1ECU系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能需求

不同于普通商用車，工程機(jī)械車輛通常在車輛內(nèi)部安裝有壓力、長度、角度、風(fēng)速等多個(gè)傳感器單元，用于采集車輛工況信息，起到安全控制作用，這對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和采樣精度有更高的要求。工程機(jī)械車載ECU一般擁有豐富的I/O單元，主要用于控制電磁閥，從而間接或直接參入各機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)控制。在人機(jī)交互方面，工程機(jī)械車輛逐漸向大尺寸高清液晶顯示屏方向發(fā)展，以便能接入多路攝像頭信息，使機(jī)手能在操作室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控周邊狀況，保證作業(yè)安全。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具備擴(kuò)展接口、安全保護(hù)、黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由底層板、核心板兩部分組成，利用板級(jí)連接器完成硬件結(jié)構(gòu)的連接（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。其中核心板主要由微處理器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、邏輯控制及實(shí)現(xiàn)算法。底層板則包含數(shù)據(jù)采集/輸出、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互接口等電路，構(gòu)成了核心板與外部的信息交互平臺(tái)。

2系統(tǒng)各模塊單元設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

基于三級(jí)電源管理模式進(jìn)行電源模塊設(shè)計(jì)：在第一級(jí)設(shè)計(jì)上，采用集成DC-DC開關(guān)電源將蓄電池+24V電壓轉(zhuǎn)換為+6V，DC-DC具有效率高、輸入輸出壓差大、OCP過流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合用作設(shè)備的前級(jí)電源;在第二級(jí)設(shè)計(jì)上，利用電源轉(zhuǎn)換電路將DC-DC提供的+6V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V、+1.8V電壓為核心板供電，并負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源管理;在第三級(jí)設(shè)計(jì)上，則是利用電源轉(zhuǎn)換電路將DC-DC提供的+6V電壓轉(zhuǎn)換為+5V、+3.3V 電壓為各接口外設(shè)提供電源;第二、第三級(jí)的電源轉(zhuǎn)換電路可以選用紋波較小的線性穩(wěn)壓器[2]。

此外，電源系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需滿足ISO7637.2規(guī)范，以保證ECU在各種車況下能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.2 微處理器選型設(shè)計(jì)

考慮到ECU的運(yùn)行需求及滿足車規(guī)級(jí)應(yīng)用環(huán)境，選用飛思卡爾的i.MX6x系列產(chǎn)品作為微處理器。i.MX6x基于ARM Cortex-A9平臺(tái)，工作溫度為-40°C～85°C，最高支持工作頻率1.2GHz，具備HD 1080P編碼和解碼能力，集成各類 I/O，包括 HDMI v1.4、MIPI 和 LVDSdisplay 端口、MIPI CSI-2 攝像、千兆以太網(wǎng)、多個(gè) USB 2.0 和 PCI Express，能有效滿足ECU各種軟硬件設(shè)計(jì)需求。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

內(nèi)存可以選用當(dāng)前主流的512MB或1GB的DDR3芯片，外部存儲(chǔ)器除了選用傳統(tǒng)的NandFlash外，還可以選用eMMC產(chǎn)品。eMMC在封裝中集成了一個(gè)控制器，提供標(biāo)準(zhǔn)接口并管理閃存，使得設(shè)計(jì)方不但可以簡化存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，還能專注于產(chǎn)品其他部分開發(fā)，縮短向市場(chǎng)推出產(chǎn)品的時(shí)間。

工程機(jī)械車載ECU系統(tǒng)一項(xiàng)重要功能就是記錄車輛作業(yè)時(shí)的黑匣子數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)一塊獨(dú)立、穩(wěn)定的存儲(chǔ)器?；诤谙蛔訑?shù)據(jù)記錄特點(diǎn)，該存儲(chǔ)器應(yīng)該具備高速讀寫、無限次擦除、數(shù)據(jù)非易失等要求，鐵電存儲(chǔ)器FRAM就是符合這種設(shè)計(jì)要求的器件。

2.4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

工程機(jī)械車載ECU是顯控一體的設(shè)備，直接或間接涉及了設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制、安全策略等方面，良好的人機(jī)交互功能，能有效保證設(shè)備安全作業(yè)。大尺寸高清液晶屏可以接入多路攝像頭信息，為機(jī)手提供良好的視覺環(huán)境;音頻電路、LED電路從聲、光兩方面提供了預(yù)警信息;矩陣鍵盤為機(jī)手操作設(shè)備提供了便捷性。

2.5 I/O單元

I/O單元在設(shè)計(jì)上采用隔離措施，防止外部設(shè)備產(chǎn)生的浪涌沖擊對(duì)核心板造成影響。I/O單元還應(yīng)具備短路、斷路、防反接等保護(hù)功能，防止外部異常接線導(dǎo)致ECU損壞。在驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)上，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇參數(shù)并留有一定的裕量。目前，Infineon公司提供了一系列集成的高端、低端驅(qū)動(dòng)芯片，如BTS723GW，大大優(yōu)化了I/O驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3結(jié)束語

工程機(jī)械車載ECU是車輛的核心設(shè)備，除了要滿足功能性需求外，還應(yīng)具備較高的穩(wěn)定性、可靠性，產(chǎn)品在投產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行完備的環(huán)境可靠性試驗(yàn)和EMC可靠性試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)可以參考ISO 7637、GB/T19951等規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

[1] 王昊，吳勇.基于ARM單片機(jī)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的研究[J].電子測(cè)試，2019（19）：110-111，85.

[2] 蘇杭.汽車CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)常見故障與檢修[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（10）：4185.