新型車載電源變動控制器系統研發與應用

高 艷

（吉林化工學院,吉林 吉林 132022）

1 研究背景

汽車電子產品為了滿足車載復雜電源環境下的可靠性要求，都要進行電源變動環境測試，通常的做法是通過可編程電源產生如圖1所示的波形。但是，由于車載環境的電源接入的設備很多，為了更真實地模擬實際車載電源的復雜環境，通常電源變動波形也會非常復雜。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，而且在一些特定的場合，需要根據被測設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，需要捕獲被測設備的關鍵信號波形，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時復歸上次關機時的播放狀態，如果上次關機時是FM收音機狀態，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后，測試喇叭有沒有聲音出來。如果有聲音，自動測試下一組參數；如果沒有聲音出來，則測試不通過，電源變動系統會停止測試，自動發郵件，或者發出警報，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，通常一個復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，也沒有捕捉到出錯時被測設備的關鍵波形，所以不能給開發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成

為了高效解決可編程電源無法滿足復雜電變的問題，研發了一款車載電源變動控制器。整個系統如圖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備組成。

圖2 電源變動系統框圖

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[3]。電源變動系統支持DC波形、鋸齒波、三角波、矩形波和正弦波。可根據車廠電源變動波形要求，使用這幾種基本波形組合產生需要的波形[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，計算波形數據，經過DAC轉換，產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備的音頻輸出信號和被測設備輸出的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。控制器也能夠輸出IO電平信號，用于觸發示波器等測試設備，捕獲被測設備關鍵信號波形或者電壓、電流等波形數據[6]。當被測設備電變波形測試未通過時，控制器發出報警信號，或者PC控制軟件發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，用于監控被測設備聲音輸出。

（3）8路數字輸入，用于檢測被測設備需要監測的電平信號。

（4）8路數字輸出，用于觸發示波器等測試設備，捕捉被測設備需要監測的信號波形。

（5）2路繼電器輸出，用于連接報警設備。

（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，反饋被測設備測試結果。

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，供給被測設備使用。

3 電源變動器的實現方法

電源變動控制器的軟、硬件都可自行開發設計，在此著重介紹電源變動器的實現方法。如圖3所示，整個系統是以瑞薩單片機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RS232接口芯片轉換成串口與SH726A通信。

圖3 電源變動控制器系統框圖

3.1 DAC電路設計

由于系統對精度、穩定性和轉換速度要求很高，故選擇高精度的16位DAC[7]。另外由于系統支持4通道DAC輸出，能夠控制4個獨立的可編程電源通道，在實際應用中分別對應車載的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可以滿足本系統要求[8]。

如圖4所示，在電路設計上，充分考慮了系統的實時性和軟件的可實現性。由于波形數據量很大，所以PC控制軟件通過串口發給MCU的是波形命令，而不是波形數據，計算數據的任務由MCU完成，計算后的數據存儲在MCU內的RAM中，通過定時器觸發DMA中斷，DMA控制器自動將4通道數據發送到DAC中。

圖4 DAC電路框圖

軟件實現上，采用一次DMA傳輸5個Word數據發送的方式，前4個Word數據用于依次發給每個DAC內的數據Buffer，第5個Word是一個Dummy數據，用于觸發4個DAC同時進行DA轉換，保證4個通道的波形同步性。由于DMA操作需要連續的數據地址，所以系統中巧妙運用一個3/8譯碼器，使數據的地址連續，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，導致可編程電源也輸出高電壓，燒毀被測設備，所以在DAC輸出加入4通道SPDT開關ADG333ABR。在系統上電初始化過程中，DAC輸出與可編程電源是斷開的，直到MCU初始化之后，系統處于穩定狀態，才打開模擬開關，從而保護被測設備。

3.2 音頻輸入電路設計

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。放大后信號經過整流濾波，當信號幅度超過三極管導通閾值時，三極管導通，輸出低電平，經MCU檢測，軟件去抖動之后，發送給PC端控制軟件。

圖5 Audio檢測電路

數字輸出電路設計、數字輸入電路設計、繼電器輸出電路設計都是基本的電路，在這里不做過多討論。

4 總結

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