新型車載電源變動控制器系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

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，都要進行電源變動環(huán)境測試，通常的做法是通過可編程電源產(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，為了更真實地模擬實際車載電源的復(fù)雜環(huán)境，通常電源變動波形也會非常復(fù)雜。一般要求電變波形的時間和電壓都可變，這樣用通用的可編程電源將無法或者很難實現(xiàn)，而且在一些特定的場合，需要根據(jù)被測設(shè)備的反饋信號判斷電變波形是否通過測試[1]。在電變波形測試未通過時，需要捕獲被測設(shè)備的關(guān)鍵信號波形，用于幫助工程師分析原因。另外，電變測試是一個很耗時的工作，一般都是自動測試，在波形測試未通過時，需要發(fā)出警報信號通知測試人員。

圖1 電源變動波形

例如，在測試車載音響的時候，一般要求在ACC ON時復(fù)歸上次關(guān)機時的播放狀態(tài)，如果上次關(guān)機時是FM收音機狀態(tài)，再開機時就要能自動播放FM收音機。為了測試這個功能，就需要在測試每一組參數(shù)后，測試?yán)扔袥]有聲音出來。如果有聲音，自動測試下一組參數(shù)；如果沒有聲音出來，則測試不通過，電源變動系統(tǒng)會停止測試，自動發(fā)郵件，或者發(fā)出警報，通知測試人員。

在實際電源變動測試過程中，由于波形的時間和電壓都是可變參數(shù)，通常一個復(fù)雜的電源變動波形要測試1個月，甚至幾個月時間，如果電變測試中途被測設(shè)備沒有通過測試波形，通常的可編程電源由于沒有反饋輸入，檢測不出波形是否通過測試，只能在波形完全測試結(jié)束后才能知道測試沒有通過，這樣的話會浪費很多時間，而且也不知道波形運行出錯時的電壓和時間參數(shù)，也沒有捕捉到出錯時被測設(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，增加了解決問題的難度[2]。

2 新型車載電源變動控制器基本構(gòu)成

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

圖2 電源變動系統(tǒng)框圖

2.1 PC控制軟件

PC控制軟件有編輯電源變動波形、制定測試方案、控制電源變動器、判斷電變波形是否通過測試等功能，使用微軟的VC++開發(fā)[3]。電源變動系統(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 電源變動控制器

電源變動控制器通過USB接口接收來自PC的波形命令，計算波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過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[5]。控制器還需要檢測被測設(shè)備的音頻輸出信號和被測設(shè)備輸出的IO電平信號，反饋給PC控制軟件，用于判斷電變波形是否通過測試?？刂破饕材軌蜉敵鯥O電平信號，用于觸發(fā)示波器等測試設(shè)備，捕獲被測設(shè)備關(guān)鍵信號波形或者電壓、電流等波形數(shù)據(jù)[6]。當(dāng)被測設(shè)備電變波形測試未通過時，控制器發(fā)出報警信號，或者PC控制軟件發(fā)送電子郵件給指定人員，提示測試人員進行處理。

電源變動控制器是整個系統(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精度要求。

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

（3）8路數(shù)字輸入，用于檢測被測設(shè)備需要監(jiān)測的電平信號。

（4）8路數(shù)字輸出，用于觸發(fā)示波器等測試設(shè)備，捕捉被測設(shè)備需要監(jiān)測的信號波形。

（5）2路繼電器輸出，用于連接報警設(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，反饋被測設(shè)備測試結(jié)果。

2.3 可編程電源

為了更真實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。通過輸入控制電壓來控制可編程電源的輸出電壓。電源變動控制器輸出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，供給被測設(shè)備使用。

3 電源變動器的實現(xiàn)方法

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

圖3 電源變動控制器系統(tǒng)框圖

3.1 DAC電路設(shè)計

由于系統(tǒng)對精度、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個獨立的可編程電源通道，在實際應(yīng)用中分別對應(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)計上，充分考慮了系統(tǒng)的實時性和軟件的可實現(xiàn)性。由于波形數(shù)據(jù)量很大，所以PC控制軟件通過串口發(fā)給MCU的是波形命令，而不是波形數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)的任務(wù)由MCU完成，計算后的數(shù)據(jù)存儲在MCU內(nèi)的RAM中，通過定時器觸發(fā)DMA中斷，DMA控制器自動將4通道數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC中。

圖4 DAC電路框圖

軟件實現(xiàn)上，采用一次DMA傳輸5個Word數(shù)據(jù)發(fā)送的方式，前4個Word數(shù)據(jù)用于依次發(fā)給每個DAC內(nèi)的數(shù)據(jù)Buffer，第5個Word是一個Dummy數(shù)據(jù)，用于觸發(fā)4個DAC同時進行DA轉(zhuǎn)換，保證4個通道的波形同步性。由于DMA操作需要連續(xù)的數(shù)據(jù)地址，所以系統(tǒng)中巧妙運用一個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)，從而保護被測設(shè)備。

3.2 音頻輸入電路設(shè)計

音頻檢測電路如圖5所示，采用NJM2904M組成2級10倍音頻電路，組成100倍放大，保證小信號時也能夠檢出。放大后信號經(jīng)過整流濾波，當(dāng)信號幅度超過三極管導(dǎo)通閾值時，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)MCU檢測，軟件去抖動之后，發(fā)送給PC端控制軟件。

圖5 Audio檢測電路

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

4 總結(jié)

綜上所述，本系統(tǒng)使用一個低成本MCU方案，解決了車載電子的電源變動測試難題。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化測試，降低了測試人員的負(fù)荷，并且能夠及時準(zhǔn)確地捕獲電變波形未通過時的波形參數(shù)，及關(guān)鍵信號波形，并能夠重現(xiàn)未通過時的電源變動波形，有利于開發(fā)人員迅速找到問題原因。使用本電源控制器，可以大大節(jié)省測試人員和開發(fā)人員的時間。