李祥兵， 王 坦， 楊偉民， 彭 麗， 趙曉茹， 王春才

（神龍汽車有限公司， 湖北 武漢 430056）

汽車照明和信號(hào)功能是車輛之間以及車輛與周圍環(huán)境之間交流的重要方式，車燈功能正常與否，對(duì)行車安全和交通秩序維護(hù)具有重要作用。隨著道路車流量的不斷增加，夜間交通事故發(fā)生率也在逐年上升。在車輛行駛前，駕駛員一定要保證各個(gè)汽車車燈能夠正常工作。如果關(guān)鍵功能如近遠(yuǎn)光燈、制動(dòng)燈、前后轉(zhuǎn)向燈、尾燈等出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不能將故障信息及時(shí)反饋給駕駛員并采取應(yīng)急措施，很可能導(dǎo)致交通事故。在GB4785-2019及以往版本中明確規(guī)定，對(duì)某些功能，如轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈等，在設(shè)計(jì)階段必須滿足系統(tǒng)診斷要求，并在出現(xiàn)故障時(shí)，在駕駛員周圍環(huán)境（如儀表盤） 能以視覺或聲音或兩者皆有的信號(hào)進(jìn)行提示。在實(shí)際車燈設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于車燈診斷要求如何設(shè)定、如何通過技術(shù)方案來滿足要求，特別是隨著LED功能的增多，整車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平的大幅度提升，如何通過更經(jīng)濟(jì)有效的方案來實(shí)現(xiàn)功能的診斷，一直是當(dāng)前行業(yè)面臨的難點(diǎn)。本文基于現(xiàn)有電子診斷技術(shù)，提出了基于PWM原理的車燈多功能故障診斷實(shí)現(xiàn)方法，這種方法相對(duì)于總線診斷，成本更低。

1 車燈故障診斷的定義

在汽車照明和信號(hào)技術(shù)領(lǐng)域，故障是指照明和信號(hào)功能在運(yùn)行過程中出現(xiàn)部分或全部功能喪失而導(dǎo)致性能退化，其某些技術(shù)參數(shù)不能完全滿足技術(shù)要求。

對(duì)于傳統(tǒng)的鹵素車燈，燈絲光源只有兩種狀態(tài)：正常工作和熄滅。在正常工作時(shí)，相關(guān)參數(shù)均處于正常狀態(tài)。在故障狀態(tài)，一般為燈絲熔化斷裂導(dǎo)致電路處于斷路狀態(tài)，而處于短路的幾率相對(duì)較低。在兩種狀態(tài)下，電路中的電壓或電流參數(shù)具有非常大的差異。因此，對(duì)鹵素車燈診斷，只需要檢測斷路狀態(tài)的電壓或電流是否滿足診斷電流或電壓要求即可，其電路相對(duì)比較簡單。

在LED車燈設(shè)計(jì)過程中，由于某個(gè)特定功能是由多顆LED共同實(shí)現(xiàn)的，且LED與LED之間通過一個(gè)特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行排列（串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)），且LED本身以及驅(qū)動(dòng)也存在短路和斷路兩種情況，這就給LED車燈的診斷增加了難度。

總體來講，車燈的故障主要分為以下3種。

1） 短路這類故障一般是由于車燈內(nèi)導(dǎo)線連接松動(dòng)或接觸不良，元器件損壞或者遭遇雷擊放電效應(yīng)后，導(dǎo)致某個(gè)電器元器件損壞引起。在設(shè)計(jì)階段，一般會(huì)通過一些試驗(yàn)（如短路失火風(fēng)險(xiǎn)分析、液體的意外滲漏試驗(yàn)） 來判斷電路及電路板的可靠性。

2） 斷路故障由于電壓或電流過高，造成車燈導(dǎo)線或接插器持續(xù)發(fā)熱，或者因?yàn)橥饬σ蛩兀◤?qiáng)烈震動(dòng)環(huán)境下），汽車照明信號(hào)設(shè)備線路斷裂。對(duì)于LED車燈，斷路是經(jīng)常出現(xiàn)的一種情況，也是LED電路設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一。

3） 漏電故障是由于絕緣損壞或其它原因引起的電流泄漏。車燈由于長時(shí)間工作在高溫高濕的環(huán)境下，進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)較高，雖然車燈LED電路板本身沒問題，但由于某些元件漏電（尤其是電容） 或是由于電路板受潮、灰塵太多，會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象導(dǎo)致車燈功能損壞。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，需要有專門的試驗(yàn)來驗(yàn)證整個(gè)電路驅(qū)動(dòng)裝置是否存在漏電風(fēng)險(xiǎn)。

2 LED車燈故障診斷系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理

車燈的完整故障診斷反饋系統(tǒng)（主要是LED車燈） 一般包括驅(qū)動(dòng)模塊、采樣模塊、診斷模塊、反饋模塊，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)模塊一般通過電阻式或線性或晶體管恒流式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制邏輯和技術(shù)要求，是LED驅(qū)動(dòng)的核心。采樣模塊主要用來采集LED串中LED的電壓，并將電壓信號(hào)放大后，通過集成運(yùn)算放大器比較或整理后輸入給后續(xù)診斷模塊。診斷模塊對(duì)檢測到的LED電壓進(jìn)行故障判斷，并將故障診斷信號(hào)傳遞給反饋模塊；反饋模塊根據(jù)故障診斷信號(hào)發(fā)出反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，并通過驅(qū)動(dòng)模塊輸出故障信號(hào)給車身BSI，從而將相關(guān)的故障信號(hào)顯示在儀表盤上，提示駕駛員注意，并讓驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED燈進(jìn)行通電斷電控制。在設(shè)計(jì)中，一般采用負(fù)反饋來保證輸入和輸出的信息更加精準(zhǔn)。

圖1 車燈故障診斷控制模塊的構(gòu)成

在具體的故障診斷電路設(shè)計(jì)中，首先基于不同的LED電路實(shí)現(xiàn)方式，來判斷如何滿足整車對(duì)子系統(tǒng)診斷方面的設(shè)計(jì)要求。在通常情況下，車身控制器對(duì)車燈用電單元的需求如下。

1） 車燈工作電壓：該電壓是保證車燈正常工作的基本電壓，一般在8～16V之間，即在該電壓范圍內(nèi)，車燈必須正常工作（不出現(xiàn)熄滅、閃爍等問題）。

2） 車燈工作電流：該電流是保證車燈正常工作的基本電流，對(duì)于LED車燈來說，電流 （主路或分支） 相對(duì)較低，故一般設(shè)定范圍為0.1～7A；在電流范圍內(nèi)工作時(shí)，要保證所有元器件均滿足相關(guān)可靠性要求。

3） 漏電電流：即在電路處于斷開狀態(tài)時(shí)電路中的電流。對(duì)于燈絲光源，該電流為0A；對(duì)于LED車燈電路，由于電路中包含電容等儲(chǔ)能元件，因此在電路斷電后，電容等元器件仍然可以給系統(tǒng)供電，導(dǎo)致LED出現(xiàn)閃爍等問題。

4） 最小診斷電流：對(duì)于任何連接方式的電路［電阻式、線性式 （DC-DC電路） 或芯片式電路（可編程芯片電路）］，如果采用最小電流診斷法，所設(shè)計(jì)的電路必須滿足車身BSI規(guī)定的最小電流要求。該最小電流要求，實(shí)際上代表了低電平診斷必須具備的要求。

車燈診斷電路與LED驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)。為保證所設(shè)計(jì)的整個(gè)LED電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，且成本低廉，就需要保證診斷電路與LED驅(qū)動(dòng)基本匹配。車燈LED驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以劃分為如下3類，見表1。

表1 車燈LED驅(qū)動(dòng)分類

在汽車照明方面，涉及到需要診斷的功能一般是近遠(yuǎn)光功能。由于近遠(yuǎn)光功能在夜間行駛時(shí)是非常重要的安全零件，因此其功能衰減 （如部分LED的損壞導(dǎo)致光學(xué)性能下降） 和功能失效（單側(cè)或雙側(cè)的功能失效） 需要進(jìn)行系統(tǒng)診斷，并將診斷信息通過整車電腦反饋，并在儀表盤上顯示，給駕駛員以提示的作用。對(duì)照明功能的診斷主要分為兩部分：對(duì)光源本身的診斷和對(duì)LED驅(qū)動(dòng)的診斷。系統(tǒng)在判斷過程中，一般采用開路診斷方式來實(shí)現(xiàn)，即通過模組的實(shí)際輸出電壓/電流是否滿足近遠(yuǎn)光功能的理論輸出電壓/電流來判斷是否出現(xiàn)故障。

在信號(hào)領(lǐng)域，對(duì)于駕駛安全起著決定作用的信號(hào)燈如轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、倒車燈功能，其診斷的原理與照明裝置基本相同。

3 車燈LED故障診斷方案設(shè)計(jì)與故障消除方法

綜合來看，汽車照明和信號(hào)功能的診斷根據(jù)表1呈現(xiàn)的不同電路結(jié)構(gòu)，可以通過如下的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)診斷。

3.1 基于PWM診斷的原理框圖

PWM一般用于LED調(diào)光技術(shù)。采用PWM （脈寬調(diào)制）來實(shí)現(xiàn)診斷，即通過設(shè)定不同的占空比來表示不同的電路故障。占空比，即電路被接通的時(shí)間占整個(gè)電路工作周期的百分比。對(duì)于單一功能，可以直接用三極管的通斷來表示電路的故障。采用低電平，即LED故障對(duì)應(yīng)的PWM占空比為0%，采用高電平診斷時(shí)，即LED故障對(duì)應(yīng)的占空比為100%。

對(duì)于集成多個(gè)功能的車燈（如轉(zhuǎn)向燈、位置燈和制動(dòng)燈三功能集成），如果采用上述方式來實(shí)現(xiàn)診斷，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。通常情況下，可以通過設(shè)定不同的占空比來表示不同功能的故障，并共用一根診斷線路來實(shí)現(xiàn)所有功能的開路故障診斷，這樣可以大大減少診斷線束的數(shù)量。如圖2所示。

3.2 通信模塊的設(shè)計(jì)

車燈內(nèi)部LED驅(qū)動(dòng)與LED電路板之間的通信模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，該電路中所設(shè)計(jì)的接口信號(hào)和電壓標(biāo)準(zhǔn)不是TTL信號(hào)。在該電路中，規(guī)定高電平“1”的信號(hào)電壓范圍是-15～-3V，低電平“0”信號(hào)電壓的范圍為3～15V，這種高低電壓采用相反的電壓表示，至少有6V的電壓差，可以極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖2 多功能車燈與整車連接圖

對(duì)于單向的串行數(shù)據(jù)傳輸，可以選擇MC1489或SN75189等芯片來實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL的電平轉(zhuǎn)換，也可以選擇MC1488或者SN75188芯片來實(shí)現(xiàn)TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換。這些芯片只能實(shí)現(xiàn)單方向的電平轉(zhuǎn)換，并且使用時(shí)需要提供±12V的電源電壓，這對(duì)于5V供電的單片機(jī)來說，不是很方便。

圖3 車燈內(nèi)部驅(qū)動(dòng)與LED電路板之間的通信模塊設(shè)計(jì)

發(fā)射器各個(gè)功能的占空比與對(duì)應(yīng)的故障在表2中進(jìn)行了描述。需要說明的是，如果僅僅只有轉(zhuǎn)向燈功能，它的占空比分別是40%和20%，其他功能的占空比不使用。對(duì)前部照明，第2個(gè)功能可以是位置燈、日行燈和近光功能；對(duì)于尾部信號(hào)功能，第2個(gè)功能可以是制動(dòng)燈、位置燈或倒車燈等。

表2 發(fā)射器各功能占空比的定義關(guān)系

接收器的占空比與故障之間的定義如表3所示。由于發(fā)射器與接收器之間存在一定的物理距離，因此接收器的占空比相對(duì)于發(fā)射器會(huì)存在一定的延時(shí)，且由于線路上存在干擾信號(hào)，為了保證發(fā)射器的信號(hào)能被完全接收，占空比一般是以發(fā)射器的占空比作為中值，來定義一個(gè)區(qū)間。如當(dāng)所有功能均OK時(shí)，發(fā)射器的占空比定義為40%±2%，而接收器的范圍為35%～45%。另外，當(dāng)占空比為0%時(shí)，確定對(duì)搭鐵短路；當(dāng)占空比為100%時(shí)，確定對(duì)電源短路或開路。

采用上述設(shè)定方式來進(jìn)行多功能診斷時(shí)，占空比需要滿足以下要求。

表3 接收器各功能占空比定義關(guān)系

1） PWM的控制精度，即PWM的工作頻率。由于電路的工作是有固定頻率的，要實(shí)現(xiàn)精確的占空比控制，所設(shè)計(jì)的電路必須要有恒定的工作頻率。工作頻率確定后，電路的周期也就確定下來。由于占空比控制的電路接通率是建立在恒定的工作周期上的，如果電子控制模塊的周期不能保持恒定，則占空比的控制也將毫無意義。

2） 工作電壓：工作電壓是驅(qū)動(dòng)加在執(zhí)行器上的恒定電壓。根據(jù)工作元件的阻抗而定，用示波器可以清楚地看到恒定不變的工作電壓。

3） 脈沖寬度：指在一個(gè)工作周期中，電路被接通或工作的真實(shí)時(shí)間。在汽車電子控制系統(tǒng)中，脈沖寬度多為毫秒級(jí)。

4） 對(duì)于不同功能的LED故障占空比的設(shè)置，其占空比的數(shù)字或范圍相互之間不能靠得太近，否則就會(huì)因相互干擾導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)。

3.3 轉(zhuǎn)向燈的故障診斷實(shí)現(xiàn)方式

采用上述方式進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈在功能正常（閃爍過程中） 的情況下，仍然會(huì)輸出一個(gè)故障占空比。具體表現(xiàn)的現(xiàn)象為：在整車上將組合開關(guān)切換到轉(zhuǎn)向燈時(shí)，轉(zhuǎn)向燈會(huì)出現(xiàn)快頻閃爍，且組合儀表顯示屏?xí)霈F(xiàn)故障報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象。

在通常情況下，在轉(zhuǎn)向燈通斷電來實(shí)現(xiàn)正常閃爍的過程中，通電和斷電過程均會(huì)通過掃描程序來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮和熄滅過程的確認(rèn)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向燈斷電過程中，軟件不存在掃描功能，這與設(shè)計(jì)過程不符合。轉(zhuǎn)向燈的故障診斷實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向燈的電源線與故障線診斷方式

在轉(zhuǎn)向燈電源線及故障線診斷中，轉(zhuǎn)向燈電源初始化為低電平，然后每5ms檢查一次轉(zhuǎn)向燈的電平，如果連續(xù)3次檢測到電平不同，則根據(jù)檢測結(jié)果來更新當(dāng)前轉(zhuǎn)向燈的電源水平。在故障檢測過程中，轉(zhuǎn)向燈故障初始值為無故障，然后每5ms檢查一次轉(zhuǎn)向燈電平的故障率，如果連續(xù)6次檢測到轉(zhuǎn)向燈故障，則根據(jù)檢查結(jié)果更新轉(zhuǎn)向燈故障狀態(tài)。

3.4 轉(zhuǎn)向燈故障消除

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，對(duì)轉(zhuǎn)向燈故障報(bào)警機(jī)制優(yōu)化如下：轉(zhuǎn)向燈故障狀態(tài)初始為無故障，將掃描轉(zhuǎn)向燈故障狀態(tài)的時(shí)間優(yōu)化為10ms。檢查轉(zhuǎn)向燈電源線是否上電，然后檢查是否保持3次轉(zhuǎn)向燈的故障狀態(tài)，最后向主節(jié)點(diǎn)反饋轉(zhuǎn)向燈是否存在故障。在本設(shè)計(jì)中，由于轉(zhuǎn)向燈只是一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，因此它只能向主節(jié)點(diǎn)反饋信息，而不能自身進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)向燈故障報(bào)警機(jī)制如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向燈故障報(bào)警機(jī)制圖

4 總結(jié)及展望

基于車燈故障診斷實(shí)質(zhì)以及LED驅(qū)動(dòng)不同特點(diǎn)，本項(xiàng)目提出了具體的多功能故障診斷設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合轉(zhuǎn)向燈的故障報(bào)錯(cuò)問題提出了優(yōu)化方案。通過對(duì)轉(zhuǎn)向燈故障診斷機(jī)制的優(yōu)化，解決了轉(zhuǎn)向燈正常閃爍過程中，故障診斷線路出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的問題（即出現(xiàn)故障對(duì)應(yīng)的占空比）。通過在試驗(yàn)臺(tái)架以及在整車上的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無報(bào)錯(cuò)問題，基本解決了轉(zhuǎn)向燈的異常報(bào)錯(cuò)問題，這種診斷實(shí)現(xiàn)思路，為后續(xù)其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路提供了借鑒。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)這種設(shè)計(jì)思路的應(yīng)用，需要基于整車BSI對(duì)車身用電設(shè)備的具體定義，來對(duì)診斷電路的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的元器件選擇進(jìn)行優(yōu)化，以保證診斷方面的效果以及成本均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

隨著車燈未來照明新技術(shù)（如矩陣式前照燈、激光前照燈等） 以及車燈在無人駕駛車輛上實(shí)現(xiàn)“車/環(huán)境、車/人”之間相互交流的功能，車燈對(duì)自身故障的識(shí)別、判斷和顯示將變得更加重要。本項(xiàng)目從原理上對(duì)PWM占空比實(shí)現(xiàn)診斷的過程進(jìn)行了梳理，在后續(xù)的研究中，將以總線的研究為重點(diǎn)，對(duì)更高速總線在車燈故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)一步研究。