工程機械車載ECU硬件系統設計研究

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械車載ECU系統的硬件設計思路，圍繞電源模塊、微處理器、數據存儲、人機交互功能與I/O單元等方面，對ECU硬件系統的設計方案進行詳細探討，以期為同類型控制器產品的設計與開發提供借鑒意義。

關鍵詞 工程機械;車載ECU;硬件系統

引言

電子控制單元（ECU）又被稱為車輛專用微機控制器和“車載電腦”，主要由電源、微處理器、數據模塊、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，經由數據存儲、運算處理后利用輸出接口將結果發送至執行元件，完成整體運行過程，達成相應控制目標。

1ECU系統硬件結構

1.1 系統功能需求

不同于普通商用車，工程機械車輛通常在車輛內部安裝有壓力、長度、角度、風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，這對系統的實時性和采樣精度有更高的要求。工程機械車載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械部件的運動控制。在人機交互方面，工程機械車輛逐漸向大尺寸高清液晶顯示屏方向發展，以便能接入多路攝像頭信息，使機手能在操作室內實時監控周邊狀況，保證作業安全。此外，系統還應具備擴展接口、安全保護、黑匣子數據存儲等功能[1]。

1.2 系統硬件結構

系統硬件主要由底層板、核心板兩部分組成，利用板級連接器完成硬件結構的連接（結構如圖1所示）。其中核心板主要由微處理器與數據存儲器組成，主要負責數據處理、邏輯控制及實現算法。底層板則包含數據采集/輸出、數據通信、人機交互接口等電路，構成了核心板與外部的信息交互平臺。

2系統各模塊單元設計

2.1 電源模塊設計

基于三級電源管理模式進行電源模塊設計：在第一級設計上，采用集成DC-DC開關電源將蓄電池+24V電壓轉換為+6V，DC-DC具有效率高、輸入輸出壓差大、OCP過流保護等優點，適合用作設備的前級電源;在第二級設計上，利用電源轉換電路將DC-DC提供的+6V電壓轉換為+3.3V、+1.8V電壓為核心板供電，并負責整個系統的電源管理;在第三級設計上，則是利用電源轉換電路將DC-DC提供的+6V電壓轉換為+5V、+3.3V 電壓為各接口外設提供電源;第二、第三級的電源轉換電路可以選用紋波較小的線性穩壓器[2]。

此外，電源系統在設計時需滿足ISO7637.2規范，以保證ECU在各種車況下能穩定可靠運行。

2.2 微處理器選型設計

考慮到ECU的運行需求及滿足車規級應用環境，選用飛思卡爾的i.MX6x系列產品作為微處理器。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、多個 USB 2.0 和 PCI Express，能有效滿足ECU各種軟硬件設計需求。

2.3 數據存儲設計

內存可以選用當前主流的512MB或1GB的DDR3芯片，外部存儲器除了選用傳統的NandFlash外，還可以選用eMMC產品。eMMC在封裝中集成了一個控制器，提供標準接口并管理閃存，使得設計方不但可以簡化存儲設計，還能專注于產品其他部分開發，縮短向市場推出產品的時間。

工程機械車載ECU系統一項重要功能就是記錄車輛作業時的黑匣子數據，需要設計一塊獨立、穩定的存儲器。基于黑匣子數據記錄特點，該存儲器應該具備高速讀寫、無限次擦除、數據非易失等要求，鐵電存儲器FRAM就是符合這種設計要求的器件。

2.4 人機交互設計

工程機械車載ECU是顯控一體的設備，直接或間接涉及了設備的運動控制、安全策略等方面，良好的人機交互功能，能有效保證設備安全作業。大尺寸高清液晶屏可以接入多路攝像頭信息，為機手提供良好的視覺環境;音頻電路、LED電路從聲、光兩方面提供了預警信息;矩陣鍵盤為機手操作設備提供了便捷性。

2.5 I/O單元

I/O單元在設計上采用隔離措施，防止外部設備產生的浪涌沖擊對核心板造成影響。I/O單元還應具備短路、斷路、防反接等保護功能，防止外部異常接線導致ECU損壞。在驅動能力設計上，應根據實際情況合理選擇參數并留有一定的裕量。目前，Infineon公司提供了一系列集成的高端、低端驅動芯片，如BTS723GW，大大優化了I/O驅動電路設計。

3結束語

工程機械車載ECU是車輛的核心設備，除了要滿足功能性需求外，還應具備較高的穩定性、可靠性，產品在投產前應進行完備的環境可靠性試驗和EMC可靠性試驗，相關試驗可以參考ISO 7637、GB/T19951等規范。

參考文獻

[1] 王昊，吳勇.基于ARM單片機的汽車發動機故障診斷系統的研究[J].電子測試，2019（19）：110-111，85.

[2] 蘇杭.汽車CAN數據總線系統常見故障與檢修[J].建筑工程技術與設計，2018（10）：4185.