基于雙MCU架構的ABS/ASR/VDC故障診斷系統

王偉達，張 為，江 帆

（1.北京理工大學 機械與車輛學院車輛傳動國家重點實驗室，北京100081；2.交通運輸部科學研究院，北京100029；3.河南高速公路發展有限責任公司，河南 鄭州450015）

集成了防抱死制動系統ABS(Anti-lock Braking System)、驅動防滑控制系統 ASR(Acceleration Slip Regulation System)與車輛動力學控制系統VDC(Vehicle Dynamic Control System)的ABS/ASR/VDC集成系統是汽車主動安全性控制系統的核心裝置之一。該系統可顯著提高車輛的制動性、驅動性、轉向可操縱性和橫向穩定性，減少輪胎磨損和事故風險，增加行駛安全性和駕駛輕便性[1]。

為提高系統的可靠性，世界各大汽車整車廠或零部件廠商在推出的ABS/ASR/VDC產品中都配有故障診斷系統。該系統通過有關電氣元件狀態參數的在線測試，監控ABS/ASR/VDC系統的工作狀況，實現了系統自診斷。

ABS/ASR/VDC系統常見的主要故障發生在電磁閥、輪速傳感器、電源、電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）、電磁閥總開關等部位[2]。在 ABS/ASR/VDC故障診斷系統中，要對穩壓電源、輪速處理電路、電磁閥驅動電路、電磁閥總開關等進行監測。當ABS/ASR/VDC系統出現故障時，關閉電磁閥總開關，使ABS/ASR/VDC退出工作，恢復到常規制動與驅動，同時存儲故障代碼，供維修時使用。故障代碼可以通過不同的方式顯示：由儀表盤的故障警告燈閃爍故障代碼；由儀表盤上的顯示屏直接顯示故障代碼的數字和信息資料；用專用的故障檢測儀連接到診斷座上，讀取故障代碼[3]。

現代汽車上裝備的ABS/ASR/VDC系統的故障診斷過程一般可分為三個階段[4]：(1)系統靜態自檢；(2)汽車起步時的動態自檢；(3)汽車行駛中的定時動態自檢。

1 ABS/ASR/VDC系統關鍵部件的故障診斷電路

ABS/ASR/VDC系統ECU主要實現輪速信號采集與處理、控制軟件存儲與運行、壓力調節器電磁閥驅動以及與其他ECU或計算機進行通信等功能。目前國際上幾大ABS/ASR/VDC系統生產廠商都采用了主、輔雙MCU的總體設計方案：主MCU主要負責信號采集、計算處理，并根據控制邏輯產生相應的控制指令輸出到系統執行機構；輔MCU主要負責檢測主MCU運行狀況，并具備一定故障檢測和應急處理功能，當檢測到主MCU不能正常工作或發現故障時，ABS/ASR/VDC及時退出控制并恢復常規制動與驅動。本文研究并設計了基于雙MCU架構的ABS/ASR/VDC故障診斷系統。

1.1 電磁閥故障診斷電路

MCU對輪速輸入數據進行分析、處理后，經一定的控制邏輯判斷后輸出相應的控制信號?？刂菩盘柋仨毥涍^功率放大后才能驅動執行機構。驅動電路的主要作用是把MCU輸出的TTL電平轉換為執行機構所需要的驅動電平，而且把很小的電流放大到足夠驅動執行機構。另外，由于驅動執行機構動作時電流大、變化快，處理不當將對電源電壓干擾很大、引起較大波動。為了減小干擾，在驅動電路和其他電路之間進行電氣隔離。驅動電路附帶有故障監測電路，實時監測電磁閥工作狀態，及時將故障信息反饋給MCU。電磁閥驅動及其故障診斷電路如圖1所示。

1.2 輪速傳感器故障診斷電路

磁電式輪速傳感器的靜態故障包括傳感器內部電磁線圈的短路和斷路，系統自檢時能通過硬件故障診斷電路作出判斷和監測。本文設計了一個分壓電路，通過測量傳感器電磁線圈上的分壓值反映傳感器內阻，從而判斷有無短路、斷路故障。選擇CD4066（四通道雙向模擬開關)控制分壓電路與輪速信號輸出分時工作。分壓電路的總電壓為+5 V，與電阻 R、芯片 CD4066、傳感器內阻和接地相連組成一個回路。圖2所示為輪速傳感器故障診斷電路圖。

電路的工作原理是當PA1輸出高電平時，引腳6、12為高電平，控制引腳8和9以及引腳10和11均導通，此時，+5 V電源電壓經過RC101和CD4066內阻、傳感器內阻到地構成回路，PAD01處的電壓值間接反映傳感器的內阻，接入輔MCU的AD轉換通道，將轉換數值與短路限壓值3.05 V和斷路限壓值4.5 V分別比較即可推斷傳感器有無短路、斷路故障；當PA1輸出為低電平時，經過反相器，PA1輸出為高電平，輸入到引腳 13、15，控制引腳 1和 2以及引腳3和 4均導通，從而傳感器輸出的輪速信號就進入輪速處理電路。

1.3 MCU故障診斷電路設計

為保證主MCU安全可靠運行，設計了SPI（Serial Peripheral Interface）接口通信電路，輔 MCU通過通信實現對主MCU的監控。SPI是一種高速高效率的同步串行接口，主要用于MCU與外部的接口芯片交換數據。通過分別拉高和拉低從屬選擇（SS）引腳，設定主 MCU為主機模式，輔MCU為從機模式。具體的SPI通信電路如圖3所示。

2 故障診斷接口電路設計

國際上現行通用的故障診斷接口和標準為OBD-II，它包括SAE J-1850 PWM、SAE J-1850 VPW 和ISO 9141三種形式。LIN(Local Interconnect Network)[5]是一種遵循ISO9141協議規范的低成本的串行通信網絡，廣泛應用于汽車分布式電子系統控制和故障診斷，其目標是為現有汽車網絡提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網絡，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合(比如智能傳感器和制動裝置之間的通信)，使用LIN總線可大大節省成本。LIN網絡也已經成為國際上一種標準的故障診斷協議接口。

本文采用ISO9141-2協議，選用雙向通信芯片為Vishay Siliconix公司生產的單端總線收發器 SI9243A[6]。該芯片設計符合ISO9141故障診斷系統要求，內置有雙向通信的K線驅動器和在數據傳輸前起喚醒功能的L線接收器，通信電路如圖4所示。

3 故障診斷軟件設計

ABS/ASR/VDC故障診斷系統的軟件包括兩部分，即系統上電和汽車起步時初始自檢和行駛過程中的在線檢測。

系統自檢時故障指示燈首先點亮，據此也可以檢查故障指示燈及其線路是否存在故障。如果自檢通過，則約3 s后故障指示燈熄滅，系統自檢結束。自檢時若發現系統中存在故障，則以故障代碼的形式存儲故障信息，故障指示燈持續點亮以提醒駕駛員ABS/ASR/VDC系統出現故障。同時，ABS/ASR/VDC系統退出，常規制動與驅動恢復。自檢若沒有檢測到故障，則軟件繼續運行。

初始自檢項目主要包括：

（1）系統中已存故障信息的檢測和某些故障信息的復查；

（2）通過SPI通信檢測主、輔MCU的工作情況；

（3）電磁閥總開關的檢查：打開和關閉電磁閥總開關，通過測定電磁閥驅動芯片供電電壓VBB的值判斷電磁閥總開關的工作情況；

（4）電磁閥功能的檢查：驅動電磁閥工作，判斷是否正常工作；

（5）輪速傳感器靜態故障和汽車起步時輪速相差過大故障的檢查；

（6）對關鍵軟件部分的檢測，判斷程序是否正常運行。

工作過程中還要通過ABS/ASR/VDC故障診斷系統實時監測關鍵部分的工作狀況，如果發現故障應立即處理。在線故障診斷主要包括輪速信號的動態檢測、電磁閥實時監測和主MCU的實時監測。

輪速實時診斷程序通過一定算法判斷輪速信號是否異常，程序邏輯判斷如圖5所示。當前輪輪速差與后輪輪速差的絕對值超出設定的門限值時，按照程序邏輯判斷各輪速信號是否存在故障。圖中DWF、DWR、DWL、DWP分別為前輪輪速差、后輪輪速差、左側輪輪速差、右側輪輪速差之絕對值；DW0為前輪輪速差和后輪輪速 差 的 差 值 門 限 值 ，DW1、DW2、DW3、DW4 分 別 為DWF、DWR、DWL、DWP的門限值?？紤]道路法規和汽車實際行駛工況，通過理論計算初步確定各門限，再通過試驗修正。修正后的各門限值為：DW0=2 km/h，DW1=6 km/h，DW2=5 km/h，DW3=7 km/h，DW4=7 km/h。

4 故障診斷試驗驗證

在ABS/ASR/VDC系統的標定試驗過程中，當電磁閥或輪速等突發意外故障時，故障指示燈都能點亮，同時退出ABS/ASR/VDC控制。這說明設計的故障診斷系統能準確實現電磁閥、輪速傳感器等的故障診斷與處理。ECU和故障診斷儀之間通過通信可實現故障代碼的讀取、顯示或清除等功能。

將設計的故障診斷系統應用于自主開發的ABS/ASR/VDC集成系統，進行了實車道路試驗。試驗結果表明：開發的故障診斷系統可以及時發現關鍵部件故障，并存儲故障代碼、退出ABS/ASR/VDC控制，保證了行車安全?；陔pMCU架構的ECU設計增強了系統的故障診斷能力，并且在某些特殊情況下，輔MCU可以代替主MCU工作，大大降低了ECU的失效概率。

[1]任少卿，陳慧巖.汽車防滑控制系統ABS/ASR基本原理及發展趨勢[J].汽車電器,2006(3):1-5.

[2]陳木元.汽車 ABS的控制系統設計及其故障診斷[J].廣西工學院學報，1998(6):65-70.

[3]麻友良.汽車底盤電子控制系統原理與檢修[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1999.

[4]王凱明.現代汽車故障綜合診斷技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[5]饒運濤.現場總線 CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[6]Vishay公司資料.Single-Ended Bus Transceiver Si9243AEY[Z]，1999.

圖5 輪速信號變化過大故障診斷程序