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      工程機(jī)械車載ECU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

      2020-07-03 02:49:22陳都張賢輝許剛
      科學(xué)與信息化 2020年13期
      關(guān)鍵詞:工程機(jī)械

      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、人機(jī)交互功能與I/O單元等方面,對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、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,這對系統(tǒng)的實(shí)時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。

      2系統(tǒng)各模塊單元設(shè)計(jì)

      2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

      基于三級電源管理模式進(jìn)行電源模塊設(shè)計(jì):在第一級設(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)備的前級電源;在第二級設(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)整個系統(tǒng)的電源管理;在第三級設(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,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 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設(shè)計(jì),還能專注于產(chǎn)品其他部分開發(fā),縮短向市場推出產(chǎn)品的時間。

      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)定的存儲器?;诤谙蛔訑?shù)據(jù)記錄特點(diǎn),該存儲器應(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)動芯片,如BTS723GW,大大優(yōu)化了I/O驅(qū)動電路設(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)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)的研究[J].電子測試,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.

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