高 艷

（吉林化工學(xué)院,吉林 吉林 132022）

1 研究背景

汽車電子產(chǎn)品為了滿足車載復(fù)雜電源環(huán)境下的可靠性要求，都要進(jìn)行電源變動(dòng)環(huán)境測(cè)試，通常的做法是通過(guò)可編程電源產(chǎn)生如圖1所示的波形。但是，由于車載環(huán)境的電源接入的設(shè)備很多，為了更真實(shí)地模擬實(shí)際車載電源的復(fù)雜環(huán)境，通常電源變動(dòng)波形也會(huì)非常復(fù)雜。一般要求電變波形的時(shí)間和電壓都可變，這樣用通用的可編程電源將無(wú)法或者很難實(shí)現(xiàn)，而且在一些特定的場(chǎng)合，需要根據(jù)被測(cè)設(shè)備的反饋信號(hào)判斷電變波形是否通過(guò)測(cè)試[1]。在電變波形測(cè)試未通過(guò)時(shí)，需要捕獲被測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵信號(hào)波形，用于幫助工程師分析原因。另外，電變測(cè)試是一個(gè)很耗時(shí)的工作，一般都是自動(dòng)測(cè)試，在波形測(cè)試未通過(guò)時(shí)，需要發(fā)出警報(bào)信號(hào)通知測(cè)試人員。

圖1 電源變動(dòng)波形

例如，在測(cè)試車載音響的時(shí)候，一般要求在ACC ON時(shí)復(fù)歸上次關(guān)機(jī)時(shí)的播放狀態(tài)，如果上次關(guān)機(jī)時(shí)是FM收音機(jī)狀態(tài)，再開機(jī)時(shí)就要能自動(dòng)播放FM收音機(jī)。為了測(cè)試這個(gè)功能，就需要在測(cè)試每一組參數(shù)后，測(cè)試?yán)扔袥](méi)有聲音出來(lái)。如果有聲音，自動(dòng)測(cè)試下一組參數(shù)；如果沒(méi)有聲音出來(lái)，則測(cè)試不通過(guò)，電源變動(dòng)系統(tǒng)會(huì)停止測(cè)試，自動(dòng)發(fā)郵件，或者發(fā)出警報(bào)，通知測(cè)試人員。

在實(shí)際電源變動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，由于波形的時(shí)間和電壓都是可變參數(shù)，通常一個(gè)復(fù)雜的電源變動(dòng)波形要測(cè)試1個(gè)月，甚至幾個(gè)月時(shí)間，如果電變測(cè)試中途被測(cè)設(shè)備沒(méi)有通過(guò)測(cè)試波形，通常的可編程電源由于沒(méi)有反饋輸入，檢測(cè)不出波形是否通過(guò)測(cè)試，只能在波形完全測(cè)試結(jié)束后才能知道測(cè)試沒(méi)有通過(guò)，這樣的話會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，而且也不知道波形運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)的電壓和時(shí)間參數(shù)，也沒(méi)有捕捉到出錯(cuò)時(shí)被測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵波形，所以不能給開發(fā)人員提供更有效的信息，增加了解決問(wèn)題的難度[2]。

2 新型車載電源變動(dòng)控制器基本構(gòu)成

為了高效解決可編程電源無(wú)法滿足復(fù)雜電變的問(wèn)題，研發(fā)了一款車載電源變動(dòng)控制器。整個(gè)系統(tǒng)如圖2所示，由PC控制軟件、電源變動(dòng)控制器、可編程電源和被測(cè)設(shè)備組成。

圖2 電源變動(dòng)系統(tǒng)框圖

2.1 PC控制軟件

PC控制軟件有編輯電源變動(dòng)波形、制定測(cè)試方案、控制電源變動(dòng)器、判斷電變波形是否通過(guò)測(cè)試等功能，使用微軟的VC++開發(fā)[3]。電源變動(dòng)系統(tǒng)支持DC波形、鋸齒波、三角波、矩形波和正弦波?？筛鶕?jù)車廠電源變動(dòng)波形要求，使用這幾種基本波形組合產(chǎn)生需要的波形[4]。

2.2 電源變動(dòng)控制器

電源變動(dòng)控制器通過(guò)USB接口接收來(lái)自PC的波形命令，計(jì)算波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生控制可編程電源需要的0～10 V模擬電壓控制信號(hào)[5]。控制器還需要檢測(cè)被測(cè)設(shè)備的音頻輸出信號(hào)和被測(cè)設(shè)備輸出的IO電平信號(hào)，反饋給PC控制軟件，用于判斷電變波形是否通過(guò)測(cè)試。控制器也能夠輸出IO電平信號(hào)，用于觸發(fā)示波器等測(cè)試設(shè)備，捕獲被測(cè)設(shè)備關(guān)鍵信號(hào)波形或者電壓、電流等波形數(shù)據(jù)[6]。當(dāng)被測(cè)設(shè)備電變波形測(cè)試未通過(guò)時(shí)，控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或者PC控制軟件發(fā)送電子郵件給指定人員，提示測(cè)試人員進(jìn)行處理。

電源變動(dòng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，功能如下：

（1）4路模擬電壓輸出（0～10 V），用于控制可編程電源，電壓精度0.01 V，時(shí)間精度0.1 ms，通道同步誤差小于1 ns，滿足各大車廠電源變動(dòng)精度要求。

（2）8路Audio輸入接口，用于監(jiān)控被測(cè)設(shè)備聲音輸出。

（3）8路數(shù)字輸入，用于檢測(cè)被測(cè)設(shè)備需要監(jiān)測(cè)的電平信號(hào)。

（4）8路數(shù)字輸出，用于觸發(fā)示波器等測(cè)試設(shè)備，捕捉被測(cè)設(shè)備需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)波形。

（5）2路繼電器輸出，用于連接報(bào)警設(shè)備。

（6）USB2.0接口，用于與PC端控制軟件通信，下載控制軟件編輯好的電變波形，反饋被測(cè)設(shè)備測(cè)試結(jié)果。

2.3 可編程電源

為了更真實(shí)地模擬車載電池的工作特性，采用日本菊水的雙極性可編程電源PBZ20-20，最大輸出電壓20 V，最大電流20 A。通過(guò)輸入控制電壓來(lái)控制可編程電源的輸出電壓。電源變動(dòng)控制器輸出0～10 V電壓，控制可編程電源的輸出為0～20 V，也就是將輸入的控制電壓2倍放大，供給被測(cè)設(shè)備使用。

3 電源變動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方法

電源變動(dòng)控制器的軟、硬件都可自行開發(fā)設(shè)計(jì)，在此著重介紹電源變動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方法。如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)是以瑞薩單片機(jī)SH726A為中心，DAC采用TI的16位高精度DAC（DAC715U），程序存儲(chǔ)在片外SPI Nor Flash（MX25L1663E）中，與PC通信采用USB，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS232接口芯片轉(zhuǎn)換成串口與SH726A通信。

圖3 電源變動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖

3.1 DAC電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)對(duì)精度、穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換速度要求很高，故選擇高精度的16位DAC[7]。另外由于系統(tǒng)支持4通道DAC輸出，能夠控制4個(gè)獨(dú)立的可編程電源通道，在實(shí)際應(yīng)用中分別對(duì)應(yīng)車載的B+、ACC、IG1和IG2。由于通道之間的同步要求很高，所以必須采用具有同步功能的DAC。綜合以上考慮，TI公司的DAC715U可以滿足本系統(tǒng)要求[8]。

如圖4所示，在電路設(shè)計(jì)上，充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和軟件的可實(shí)現(xiàn)性。由于波形數(shù)據(jù)量很大，所以PC控制軟件通過(guò)串口發(fā)給MCU的是波形命令，而不是波形數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)的任務(wù)由MCU完成，計(jì)算后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MCU內(nèi)的RAM中，通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)DMA中斷，DMA控制器自動(dòng)將4通道數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC中。

圖4 DAC電路框圖

軟件實(shí)現(xiàn)上，采用一次DMA傳輸5個(gè)Word數(shù)據(jù)發(fā)送的方式，前4個(gè)Word數(shù)據(jù)用于依次發(fā)給每個(gè)DAC內(nèi)的數(shù)據(jù)Buffer，第5個(gè)Word是一個(gè)Dummy數(shù)據(jù)，用于觸發(fā)4個(gè)DAC同時(shí)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，保證4個(gè)通道的波形同步性。由于DMA操作需要連續(xù)的數(shù)據(jù)地址，所以系統(tǒng)中巧妙運(yùn)用一個(gè)3/8譯碼器，使數(shù)據(jù)的地址連續(xù)，滿足DMA控制器的要求。

由于DAC的輸出直接控制可編程電源的輸出，為了防止電源變動(dòng)控制器在上電瞬間有高電壓輸出，導(dǎo)致可編程電源也輸出高電壓，燒毀被測(cè)設(shè)備，所以在DAC輸出加入4通道SPDT開關(guān)ADG333ABR。在系統(tǒng)上電初始化過(guò)程中，DAC輸出與可編程電源是斷開的，直到MCU初始化之后，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，才打開模擬開關(guān)，從而保護(hù)被測(cè)設(shè)備。

3.2 音頻輸入電路設(shè)計(jì)

音頻檢測(cè)電路如圖5所示，采用NJM2904M組成2級(jí)10倍音頻電路，組成100倍放大，保證小信號(hào)時(shí)也能夠檢出。放大后信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波，當(dāng)信號(hào)幅度超過(guò)三極管導(dǎo)通閾值時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)MCU檢測(cè)，軟件去抖動(dòng)之后，發(fā)送給PC端控制軟件。

圖5 Audio檢測(cè)電路

數(shù)字輸出電路設(shè)計(jì)、數(shù)字輸入電路設(shè)計(jì)、繼電器輸出電路設(shè)計(jì)都是基本的電路，在這里不做過(guò)多討論。

4 總結(jié)

綜上所述，本系統(tǒng)使用一個(gè)低成本MCU方案，解決了車載電子的電源變動(dòng)測(cè)試難題。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，降低了測(cè)試人員的負(fù)荷，并且能夠及時(shí)準(zhǔn)確地捕獲電變波形未通過(guò)時(shí)的波形參數(shù)，及關(guān)鍵信號(hào)波形，并能夠重現(xiàn)未通過(guò)時(shí)的電源變動(dòng)波形，有利于開發(fā)人員迅速找到問(wèn)題原因。使用本電源控制器，可以大大節(jié)省測(cè)試人員和開發(fā)人員的時(shí)間。