基于不确定性、宽边界的汽车开关信号处理系统设计及应用

谭小刚 石也 周斌 杨冰 江兴

摘要：设计了确定性、窄边界的汽车开关信号处理系统，并应用于序列汽车开关信号处理，因其存在信号处理单一、边界窄的局限性，进而提出了不确定性、宽边界的汽车开关信号处理系统模型，并通过设计对应处理电路及策略，可靠解决了序列化、宽边界汽车开关信号的可配置化问题，丰富了车辆体验，缩短了车型开发周期，也提高了售后维护管理效率，对汽车的智能网联化发展具有促进应用价值。

关键词：不确定性;宽边界;开关信号处理;智能网联

中图分类号：u463.7+ 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0098-07

谭小刚

毕业于湖北汽车工业学院，学士学位，担任中国汽车工程学会会员、FSC高级裁判、二手车鉴定评估师、汽车电子工程师等职务。现主要研究方向：智能网联汽车技术、汽车电子硬件设计，已发表论文6篇，曾获得专有技术二项，获授权实用新型专利七项，发明专利三项;曾获东风汽车公司科技进步二等奖1项，中国农业机械工业协会金奖1项等荣誉。

引言

随着汽车智能化、网联化的日趋发展，越来越丰富的开关式汽车传感器被普及使用，同时各大汽车厂商对汽车电子部件，尤其是汽车电子信号处理系统的可配置化甚至个性化需求越来越多。通过某一确定型号的汽车电子产品匹配某一确定车型的BOM配比方式理论上可以逐一解决上述问题，但是实际操作中这种一一配对关系存在物料管理系统数据庞大、维护管理困难、用户体验不可配置、车辆功能升级周期长及车型竞争力下降等系列问题日渐突出，所以设计一种可处理不确定性、宽边界汽车开关信号的系统，不仅是各汽车OEM的期望，也是汽车消费的个性化需要。

1确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理系统模型

通常，某一车型的某一功能是受某一确定状态触发的。比如：

1、若确定汽车仪表上的发动机故障报警灯为低电平控制有效，那对于处理发动机故障开关信号的ECU或者仪表等汽车电子部件，只需针对低电平开关信号进行采集处理，进而在仪表上显示或点亮发动机故障报警灯图案。

2、若确定汽车仪表上的车门未关指示灯为高电平控制有效，那对于处理车门开关信号的车身控制器或者门模块等汽车电子部件，只需针对高电平开关信号进行采集处理，进而在仪表上显示或点亮车门未关指示灯图案。

3、若确定汽车仪表上的ABS故障指示灯为悬空状态（输出阻抗无穷大）控制有效，那么对于处理ABS信号的ABS控制器或者汽车仪表等汽车电子部件，只需针对悬空状态对应高阻抗信号进行采集处理，进而在仪表上显示或点亮ABS故障指示灯图案。

分析以上三种情况可知，处理对应的高电平、低电平或悬空状态的汽车开关信号，需设计对应的开关信号处理系统，即电路需一一对应匹配，系统框图见图1。

1.1低电平开关信号处理

目前市面MCU芯片多采用CMOS-F艺，其要求输入低电平须≤0.3Vcc（Vcc为MCU供电电源电压），输入高电平须≥0.7Vcc。通常汽车级MCU芯片有1.2V、3.3V和5V三种供电系统，按最大供电电源电压5V系统计算，输入低电平须u1≤1.5V。设计低电平开关信号处理电路如下：

电阻R1上拉至5V，低电平开关信号无效时，因二极管DL1反向，输入呈高阻态，U1处电压幅值一5V，经电阻R2限流、电容C1滤波后输入到MCU的I/O引脚，MCU采集到≥0.7Vcc的高电平，由此判断低电平开关信号未被触发;低电平开关信号有效时，U1处电压幅值≤1.5V，MCU可采集到≤0.3Vcc的低电平，由此判断低电平开关信号被触发，进而发出相应动作指令。

其中，二极管DL1的引入是为应对外部开关量信号可能短路到汽车电源，因二极管的单向导通性，MCU与外部开关信号处理系统被隔离而处于安全状态，但同时由于二极管DL1的引入，这种处理模式下须要求低电平有效汽车开关信号其有效状态对应的幅值≤0.8V，就算DL1采用成本较高的锗二极管，也只能控制低电平有效汽车开关信号其有效状态对应的幅值≤1.0V，这也是整车对低电平有效汽车开关信号幅值的常见定义，这种窄边界的有效开关信号无疑对各电器部件阻抗及车辆接地都是考验，控制不当则易发生误判。

1.2高电平开关信号处理

正常情况下，高电平汽车开关信号有效状态的电压幅值即为车辆蓄电池电压或点火电压，对于12V电气系统，其电压范围为10.8V-16V;对于24V电气系统，其电压范围为18V-32V，显然均远大于MCU芯片电压承受范围。故设计高电平开关信号处理电路如下：

因二极管DL2单向导通，开关信号可能夹带的负脉冲等感性干扰信号被“剔除”，再通过合理配置电阻R3、电阻R4及电阻R5的阻值，使三极管T1处于开关状态。当高电平开关信号无效时，三极管T1处于关断状态，U2处电压=5V，经电阻R6限流、电容C2滤波后输人到MCU的I/O引脚，MCU采集到大于等于0.7Vcc的高电平，由此判断为高电平开关信号未被触发。当高电平开关信号有效时，三极管T1处于导通状态，U2处电平基本等同于地，MCU采集到≤0.3Vcc的低电平，由此判断为高电平开关信号被触发，进而发出相应动作指令。

1.3悬空状态开关信号处理

所谓悬空状态有效开关信号，即有效状态为悬空状态，无效状态为高电平或低电平状态。

对比分析低电平开关信号处理电路和高电平开关信号处理电路，可知上述两种电路其实均已涉及悬空状态开关信号处理，差异在于只对有效状态的高电平或低电平开关信号处理。相反的，若能确定悬空状态开关信号处理电路的无效状態，同样可用上述低电平开关信号处理电路或高电平开关信号处理电路处理悬空状态开关信号。

1.4确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理

以上三种汽车开关信号对应的两种处理电路均是直接输出至单片机的MCU的I/O引脚，针对汽车开关信号较少的电子处理或控制单元，选择一款性价比合理的汽车级MCU是容易满足以上应用场景的。

但是对于单核构架的“一拖N”系统，若还需对汽车开关信号序列处理，汽车开关信号序列以各占一个MCU的I/O引脚的方式处理就会极大占用MCU资源，甚至会影响单核构架下系统主体功能的实现，显然这种方式不可取。故针对性设计处理电路见图4。

以8位并行读取/串行输入移位寄存器为主体，当异步并行读取引脚（SH/ILD）输入为低时，从D0到D7口输入的并行数据被读取进寄存器内，而当异步并行读取引脚为高时，读取的数据将在每个时钟脉冲的上升沿从SER引脚串行进入寄存器并将现有数据右移一位（Q0n=Dn，Q 1n=QOn-1，Q2n=Qln-1，Q3n=Q3n-1，以此类推）。其中，在MISO～升沿到来前，PCK或者CE必须置高，以防止数据在MISO的状态尚未稳定时发生移位，同时因时钟输入是一个“门控与”结构，CLK（时钟脉冲）和CE（时钟允许）共同有效时，时钟输入。只有在CE（时钟允许）为低时，CLK（时钟脉冲）才有效。

利用上述特性，可在末级得到互补的串行输出（QH和！QH）后再输出至MCU的输入捕捉引脚。因此只要把QH输出绑定到下一级的SER引脚，同时各悬空状态或低电平开关或高电平开关信号对应输入至各Dn引脚，即可实现汽车开关信号序列的批量处理，同时达到整个系统资源配置均衡、性价比较优的目的。试验验证及实际应用也表明，设计的以上信号处理系统可通过《GB/T28046.2-2011道路车辆电器及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》中的电压缓降、过电压、反向电压及短路保护试验要求，而且对于有效开关状态确定且窄边界的汽车开关信号处理可靠，故已被大量应用于汽车仪表、汽车车身控制器及相关汽车电子控制单元。但无论是对单一的汽车开关信号，还是对汽车开关信号序列，上述信号处理系统模型都是基于有效开关状态确定的前提下设计并使用的。

2不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理系统模型

对于车型越来越多、车辆配置日渐丰富及汽车整车厂要求汽车电子零部件配套周期尽可能短，同时零件型号尽可能少以便维护的多层背景，确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理系统模型显然已难应对。

比如：车型开发初期，汽车整车厂引入的排气制动开关为低电平控制有效，车型开发过程中因成本或质量表现甚至用户体验等原因，拟再引入低电平控制有效的排气制动开关，但为便于汽车厂物料系统维护，要求对应信号处理的电子部件的型号不再新增。这种情况下，对于汽车OEM来讲，客户期望模型如下：

2.1悬空状态、低电平和高电平开关信号处理

在不改变硬件前提下，兼容性处理悬空状态、低电平和高电平开关信号，单一的低电平或高电平开关信号处理电路显然已不满足这种要求，故另设计电路如下：

电阻RIO上拉至车辆点火电源，并与电阻Rll、R12构成分压电路，开关信号经分压输出至u3端，经电阻R13限流、电容C6滤波后输出至芯片的AD类引脚。因涉及悬空、低电平和高电平三种开关状态处理，同时兼顾系统安全可靠，以24V电气系统（工作电压范围：18V-32V）的车辆为例，计算如下：

结合公式（7）和公式（9），同时为满足低功耗且器件配料便于采购和管理的要求，在标称电阻范围内考虑选配各器件规格如下表1：

其中，电阻R10、R11、R12、R13均采用0603封装，同时可对应计算各条件下采样值如下表2所示：

通过表2，可以发现，虽以上器件组合的电路可将低电平边界扩大16.5V，但是U3mina与u3maxa间隔太近，以致于存在可能分不清高电平是有效还是无效，虽车辆实际工况中出现上述极端情况可能性较小，但是相关试验标准验证过程中不可避免，如何上述问题呢？

可用区间分段判断处理，比如：Uign≤24V时，设定Uamax=24V，对应计算各条件下采样值如下表3所示：

表3 Uign≤24V时对应的各采样值

显然，U3mina与u3'maxa之间的间隔足够区分高电平是有效还是无效，同理，Uign≥24V时，设定Uamax=32V，对应计算各条件下采样值如下表4所示：

显然，U3mina与u3'maxa之间的间隔也足够区分高电平是有效还是无效，所以上述方法用于不确定性、宽边界的汽车开关信号处理，还必须辅以如下Ignition电压采集电路：

Ignition经电阻R14、R15分压，然后经R16限流、C7滤波后输出至MCU的AD引脚，其中，为防止Ignition电压超标烧损MCU的AD引脚，故需用到DL3进行钳位，当然，为保证系统采样精度，电阻R14、R15采用1%精度电阻。

2.2不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理

对比确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理，上述系统处理不确定性、宽边界的汽车开关信号序列同样面临大量占用MCU资源问题，故针对性设计处理电路如下：

以多通道选通开关为主体，其中，A、B、C是3位二进制地址输入端，3位二进制的八种组合可用于选择8路通道;INH是地址输入禁止端，其为低电平时，地址输入端有效，OUT端接通选择的通道，而OUT端与芯片的AD类引脚相连，从而实现以一个AD引脚扫描式采集8路开关信号。利用上述特性，即可实现宽边界汽车开关信号序列的批量处理，同时可支持汽车生产装配前有效开关信号定义的不确定性及售后有效开关信号定义的变更。

比如：汽车生产装配前，排气制动开关信号有效状态不确定，汽车下线时该批次汽车的排气制动开关信号确定为高电平或低电平有效，汽车出厂后，改装厂或用户因个性化需要可能改排气制动开关信号为悬空有效，涉及这种多变情况，需对上述汽车开关信号序列处理系统作如下标定处理，实施流程图如下：

其中，对系统的标定，目前主要有在线配置和平台远程无线标定两种方式，而随着5G技术的发展及应用，后续的汽车电子控制系统均可采取平台远程无线标定这种方式进行，这可为汽车OEM、整车厂及用户提供极大的便利，某种程度上也优化了汽车产业链结构。

3应用成效

不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理系统已通过了《GB/T 28046.2-201 1道路车辆电器及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》、《GB/T 21437.3-2012道路车辆由传导和耦合引起的电骚》、《ISO 11452-4-2011道路车辆窄带辐射电磁能量的电子干扰组件试验方法第4部分线束激励方法》及《GB 18655-2010车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》等相关标准试验验证。在实际应用中，与确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理系统对比如下表所示：

对比可发现，不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理系统虽占MCU引脚资源稍多，但完全不足以改变已有MCU方案，而其在开关信号确定性要求、边界要求及变更实施方法等方面存在明显的优越性。故该系统及方法已在部分车身控制器、门模块、ECU及TFT系列仪表等汽车电子产品上应用，产品经批量配套某知名品牌商用車并跟踪其市场表现，稳定可靠。

4结束语

确定性、窄边界的汽车开关信号序列处理系统和不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理系统既可单独使用，也可根据车辆定义复合使用，但随着5G移动通讯技术日趋成熟及智能网联汽车的发展需要，不确定性、宽边界的汽车开关信号序列处理系统及方法势必被推广应用，将对丰富车辆配置、售后维护及车辆管理带来了较大便利，也可降低车型的开发成本，缩短开发周期。