陳雪華，龐 鑫

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司產(chǎn)品工程技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

隨著汽車智能化、電氣化程度不斷增加，汽車電器件之間存在不同信號(hào)的交互，如電源、CAN總線、LIN總線、高低電平信號(hào)、傳感器信號(hào)等。近年來(lái)，旋鈕開(kāi)關(guān)在汽車上也被廣泛使用，這些旋鈕開(kāi)關(guān)區(qū)別于傳統(tǒng)電阻式電位計(jì)，其內(nèi)部構(gòu)造完全數(shù)字化并使用光學(xué)技術(shù)。從汽車線束角度分析，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)大多以硬線方式輸出，開(kāi)關(guān)與其他模塊之間的連線復(fù)雜。在汽車使用過(guò)程中，線束連接問(wèn)題也成為組合開(kāi)關(guān)品質(zhì)問(wèn)題中主要的一種失效模式。同時(shí)在信號(hào)采集過(guò)程中，模塊不匹配的問(wèn)題也是造成開(kāi)關(guān)功能失效的重要原因之一。而帶芯片的旋鈕開(kāi)關(guān)可在CAN總線或者LIN總線上與其他模塊進(jìn)行信息交互，連接線束相對(duì)簡(jiǎn)單明了且一般帶有診斷功能，一旦出現(xiàn)故障會(huì)及時(shí)在總線上報(bào)送。在某新能源車型開(kāi)發(fā)階段，因新能源節(jié)能需求，新增開(kāi)發(fā)一個(gè)旋鈕開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇車輛模式，不同模式匹配不同的動(dòng)能以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 設(shè)計(jì)需求

1.1 功能需求

要求通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕開(kāi)關(guān)選擇4種車輛運(yùn)行模式：混動(dòng)模式、純電模式、電量保持模式和運(yùn)動(dòng)模式。旋轉(zhuǎn)旋鈕需支持連續(xù)旋轉(zhuǎn)且每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置是穩(wěn)定的。每種模式均在旋鈕開(kāi)關(guān)上有指示圖形，同時(shí)旋鈕開(kāi)關(guān)要具備模式背光指示燈，用以顯示當(dāng)前選擇的模式。要求旋鈕開(kāi)關(guān)具有低電流電路且作為L(zhǎng)IN總線的從節(jié)點(diǎn)。旋鈕開(kāi)關(guān)應(yīng)將旋鈕信號(hào)緩沖到10個(gè)（TBC）止動(dòng)點(diǎn)，并根據(jù)LIN計(jì)劃周期發(fā)送旋鈕狀態(tài)。旋鈕信號(hào)提供的是旋鈕當(dāng)前狀態(tài)，而不是實(shí)際位置，如表1所示。旋鈕開(kāi)關(guān)的故障狀態(tài)（無(wú)法檢測(cè)到位置等）由LIN消息發(fā)出信號(hào)（信號(hào)不可用）。如果發(fā)生物理故障，要求旋鈕開(kāi)關(guān)通過(guò)發(fā)送SNA來(lái)處理內(nèi)部故障。如果車輛LIN不可操作，或者旋鈕開(kāi)關(guān)失去了與車身模塊的通信，失去了與電源/搭鐵的連接，則旋鈕開(kāi)關(guān)應(yīng)關(guān)閉指示燈LED。同時(shí)旋鈕應(yīng)滿足人機(jī)工程學(xué)，確保使用的舒適性和良好的外觀設(shè)計(jì)，旋鈕結(jié)構(gòu)需包含插接件、外殼、邊框、旋鈕、旋鈕上的鍍鉻條、導(dǎo)光條等。

表1 驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)管理

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)功能需求選擇了Renesas的8位單片機(jī)微控制器UPD78F0512，該芯片支持LIN通信和PWM輸出等，如圖1所示。利用光柵傳感器通過(guò)光學(xué)原理來(lái)判斷旋鈕的狀態(tài)。光柵傳感器由發(fā)光器和接收器組成，發(fā)光器發(fā)出的光直射到接收器形成光幕系統(tǒng)，首先一個(gè)發(fā)光器通道發(fā)出光脈沖而對(duì)應(yīng)的接收器同時(shí)來(lái)尋找該脈沖，當(dāng)找到后即完成一個(gè)通道的掃描，接著轉(zhuǎn)向下一個(gè)通道，直到所有的掃描都完成。當(dāng)一個(gè)周期掃描完成后，系統(tǒng)記錄哪些通道通光，哪些通道被遮擋，根據(jù)系統(tǒng)定義輸出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)可以是模擬量信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)，也可以是RS485通信信號(hào)。

圖1 電氣框圖

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 問(wèn)題驗(yàn)證

旋鈕開(kāi)關(guān)開(kāi)發(fā)過(guò)程中完成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和零件產(chǎn)線驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果都是OK的。按照流程該旋鈕開(kāi)關(guān)需在試制車輛上完成下線電檢和功能驗(yàn)證。在車輛試制過(guò)程中，路試測(cè)試員發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)該旋鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行擋位切換時(shí)，儀表盤提示“旋鈕不可用，需維修”，且地形選擇開(kāi)關(guān)面板上對(duì)應(yīng)擋位指示燈都不亮，再次上電，儀表盤上發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮。當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，測(cè)試員對(duì)車輛進(jìn)行了檢查，使用LIN設(shè)備連接OBD口，檢測(cè)到整車上的新能源控制模塊報(bào)故障碼。

2.2 問(wèn)題分析

對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題工程團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了系統(tǒng)分析，首先從故障碼入手，新能源控制模塊所報(bào)的故障碼指示旋鈕開(kāi)關(guān)和新能源控制模塊通信故障。要解析故障發(fā)生時(shí)旋鈕開(kāi)關(guān)和新能源控制模塊出現(xiàn)通信故障的原因，則需要獲得更多的信息。匯總故障發(fā)生前的工況以及操作手法，試驗(yàn)臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)出了該故障現(xiàn)象。為了鎖定問(wèn)題，工程師又對(duì)旋鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行ABA交互驗(yàn)證，仍然可以復(fù)現(xiàn)該問(wèn)題，排除旋鈕單件故障。最后嘗試在不同臺(tái)架上驗(yàn)證，也能復(fù)現(xiàn)出該問(wèn)題，排除連接線束的問(wèn)題。在臺(tái)架上采集到問(wèn)題發(fā)生時(shí)的LIN總線數(shù)據(jù)。通過(guò)log分析得出，在故障出現(xiàn)時(shí)，旋鈕開(kāi)關(guān)在LIN總線上發(fā)送SNA信號(hào)給新能源控制模塊，新能源控制模塊持續(xù)2.5s收到SNA信號(hào)后，反饋給旋鈕開(kāi)關(guān)的信號(hào)為旋鈕4個(gè)指示燈均不亮（符合設(shè)計(jì)需求），log數(shù)據(jù)分析如圖2所示。

圖2 log數(shù)據(jù)分析圖

從旋鈕開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理上著手分析旋鈕開(kāi)關(guān)在總線上發(fā)送SNA的原因。旋鈕結(jié)構(gòu)如圖3所示，旋鈕開(kāi)關(guān)大致由帶齒輪的球形把手、外殼、彈簧柱、電路板以及電路板上的光柵傳感器組成。傳感器有2個(gè)接收端，接收端1和接收端2。其中彈簧柱是固定在外殼上的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)球形把手時(shí)，把手上的波浪線接觸面將從彈簧柱上通過(guò)，對(duì)應(yīng)把手上的機(jī)械齒將會(huì)依次從光柵傳感器的2個(gè)接收端通過(guò)。根據(jù)光柵傳感器的光學(xué)原理，當(dāng)光柵接收端從未遮擋到被遮擋時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖，反之將產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖。旋鈕模塊根據(jù)光柵傳感器的脈沖信號(hào)判斷，當(dāng)機(jī)械齒先經(jīng)過(guò)接收端1再經(jīng)過(guò)接收端2為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。當(dāng)旋鈕停下時(shí)，若機(jī)械齒全部遮擋住光柵的2個(gè)接收端，2個(gè)接收端的電壓均為5V左右，若機(jī)械齒全部不遮擋2個(gè)接收端，2個(gè)接收端的電壓均為0V左右。以上兩種情況都是正常工作狀態(tài)。當(dāng)傳感器的一個(gè)接收端被擋住，該接收端的電壓為5V左右，另一個(gè)接收端未被擋住時(shí)，該接收端的電壓為0V左右，此時(shí)2個(gè)接收端的電壓就不一致，旋鈕開(kāi)關(guān)將認(rèn)為是錯(cuò)誤狀態(tài)，在LIN總線上發(fā)送SNA信號(hào)報(bào)錯(cuò)。

圖3 旋鈕結(jié)構(gòu)圖

圖4是旋鈕開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)在LIN總線上發(fā)送信號(hào)的示意圖。若此時(shí)旋鈕指示燈顯示ELECTRIC模式，旋鈕向左旋轉(zhuǎn)，旋鈕開(kāi)關(guān)將在LIN總線上發(fā)送信號(hào)請(qǐng)求HYBRID模式，新能源控制模塊收到這個(gè)信號(hào)后在LIN總線上發(fā)送HYBRID模式，旋鈕指示燈HYBRID亮；旋鈕向右旋轉(zhuǎn)，旋鈕開(kāi)關(guān)將在LIN總線上發(fā)送E-SAVE模式請(qǐng)求，新能源控制模塊收到這個(gè)信號(hào)后在LIN總線上發(fā)送E-SAVE模式，旋鈕指示燈E-SAVE亮。

圖4 旋鈕信息交互示意圖

為了驗(yàn)證問(wèn)題發(fā)生時(shí)旋鈕光柵傳感器2個(gè)接收端的電壓狀態(tài)，則在電路板上引出光柵接收器兩端的物理信號(hào)，并在故障發(fā)生時(shí)的旋鈕上做上標(biāo)記。經(jīng)示波器測(cè)量，如圖5所示，一端最大電平為5.0523V，另一端最大電平為-115.1mV，光柵兩端的電壓不一致，故在總線上發(fā)送SNA信號(hào)。拆下零件后，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)旋鈕的機(jī)械齒停在光柵2個(gè)接收端之間的位置，2個(gè)接收端一個(gè)被遮擋，一個(gè)未被遮擋。該現(xiàn)象正是對(duì)上文所述的驗(yàn)證，不難發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題發(fā)生時(shí)，地形選擇開(kāi)關(guān)的軟件邏輯層面是符合設(shè)計(jì)的。

圖5 光柵電壓測(cè)量圖

3 設(shè)計(jì)改善

導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因是旋鈕上的彈簧柱停留在球形把手波浪線的波峰上，此時(shí)機(jī)械齒只遮擋傳感器的一個(gè)接收端，使得光柵兩接收端的電壓不一致。正常旋動(dòng)旋鈕時(shí)，彈簧柱停留在球形把手波浪線的波谷上，對(duì)應(yīng)的機(jī)械齒全部擋住光柵傳感器2個(gè)接收端，或者全部不遮擋光柵傳感器的2個(gè)接收端。怎樣才能讓旋鈕停下來(lái)時(shí)彈簧柱不停留在波浪線的波峰上呢？經(jīng)過(guò)分析，針對(duì)根本原因初步擬定兩個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)改善方案及一個(gè)軟件改善方案。

1）方案1，移動(dòng)光柵傳感器在PCB上的位置。使旋鈕球形把手上的波峰、波谷以及中心線與光柵傳感器的中心線錯(cuò)開(kāi)，避免光柵出現(xiàn)一個(gè)被遮擋，另一個(gè)不被遮擋的情況。但該方案有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，即改動(dòng)光柵位置會(huì)對(duì)正常信號(hào)輸出有影響且會(huì)導(dǎo)致模式切換有延遲，信號(hào)與手感不匹配。

2）方案2，更改球形把手波浪線接觸面的設(shè)計(jì)尺寸。如圖6所示，將旋鈕球形把手上標(biāo)注處的波浪線波峰的R角減小，由目前設(shè)計(jì)的R6mm更改為R2mm，另外在高度方向增加0.121mm。此改動(dòng)目的是使波浪線的波峰更陡峭、更尖銳，使得彈簧柱停留在球形把手波峰的難度更高，時(shí)間更短，也即減小光柵接收端被遮擋不一致的概率。

圖6 結(jié)構(gòu)改善示意圖

3）方案3，為了減少對(duì)使用者的困擾，還可以從軟件層面進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)新能源控制模塊收到ESBM旋鈕在LIN總線發(fā)送的SNA后，將給儀表發(fā)送一個(gè)“請(qǐng)將旋鈕旋至正確擋位”的提示，且反饋給旋鈕一種默認(rèn)的模式，同時(shí)新能源控制模塊也不再點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈。此方案未從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，僅可作為一個(gè)挽回措施。同時(shí)這個(gè)方案有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)ESBM旋鈕由于其他故障原因在LIN總線上發(fā)送SNA時(shí)，將不會(huì)被區(qū)分處理。

綜合考慮3個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合改動(dòng)成本以及改善周期，選擇了方案2。更改設(shè)計(jì)參數(shù)并修改模具，改變旋鈕球形把手上波浪線的波峰值。對(duì)修模后的零件進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證，旋轉(zhuǎn)力和手感曲線都滿足設(shè)計(jì)。再用上述試制車所用的測(cè)試方法對(duì)改善后的零件進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，未能復(fù)現(xiàn)出故障現(xiàn)象。驗(yàn)證過(guò)程中的旋鈕開(kāi)關(guān)問(wèn)題得到解決，該新能源車也順利量產(chǎn)，為客戶節(jié)約了能源，同時(shí)也帶來(lái)了良好的駕駛體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某新能源車上全新旋鈕開(kāi)關(guān)的開(kāi)發(fā)需求，結(jié)合旋鈕開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)出旋鈕開(kāi)關(guān)零件，并展開(kāi)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)線驗(yàn)證以及整車驗(yàn)證。針對(duì)在驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)提出改善方案，確保該新能源車順利量產(chǎn)。