智能式中央电器盒的设计与诊断

王剑峰，王远波，董海

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

智能式中央电器盒的设计与诊断

王剑峰，王远波，董海

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

本文简单介绍了智能式中央电器盒的设计思路、流程与方法，分析了设计过程中需要关注的系统原理、整体结构、电子电路、电源分配、软件编程、总线诊断等问题，系统阐述了整个设计过程。

智能；集成；电源分配；功能；诊断

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-40-03

引言

智能式中央电器盒，是汽车上集成了中央配电系统和BCM控制系统的总成装置。其中中央配电系统是大电流执行机构，BCM是小电流驱动机构。两者结合共同实现对整车的电源分配、线路保护、信号传输、功率驱动、逻辑控制等功能。

传统的中央电器盒结构简单、功能单一，体积也较大，只作为线路保护和电路集中控制的元件，已经无法满足现代汽车的智能化要求。BCM控制器也是作为一个独立模块，参与着信息交互和逻辑控制的功能。随着技术的发展，两者的关联也更加的紧密，从而有了将两者整合为一体的需求。

1、系统设计

智能式中央电器盒主要由微控板、映射板和电器盒三部分组成。

微控板是BCM控制系统的核心部件，主要由单片机和驱动芯片组成。整车供给12V或24V电源经过电压转换芯片生成5V电源，给MCU、芯片及信号处理电路供电；用飞思卡尔、英飞凌等半导体厂商的单片机进行软件开发来实现BCM的控制逻辑时序。它可持续监测继电器、熔断器的工作状态，响应来自CAN总线上的网络报文，诊断各用电器回路的短路、断路、虚接等状态。

微控板需提前规划BCM的电源工况条件和功能需求。电源工况条件需设定BAT、ACC、15和on档电源，对设备工作条件进行分类。功能需求一般来说，应具备灯光控制功能、雨刮控制功能、传感器信号采集功能，网络功能及诊断功能。

映射板由可编程电路和可用于存放编程数据的存储器ROM组成。可编程电路一般由可编程逻辑块CLB,输入输出模块即I/O口和互联介质组成。映射是将设计好的逻辑门关系映射成物理元素，分割到各个编程电路中的过程。它是一个虚拟的过程，经过一系列的算法最终转化成物理电路，通过实际的端口来实现。

电器盒是集成了保险、继电器和负载电路的控制模块，主要功能是整车的电源分配、开关线路信号控制和BCM驱动控制。它是最直观的可观测到的部分，包含了大量的保险盒继电器、二极管、稳压管等，并通过插接件进行整车输入输出的交换。接插件一般是与盒体注塑成一个整体，便于节省空间和模块化。接插件的形式比较多，目前主流的是泰科的MCP系列产品，可根据不同的线路要求选择具有防错功能的插接器。

三者之间通过PCB板、端子或者铜条采用嵌入式结构连接就组成了智能式中央电器盒的主体结构。壳体选用硬质阻燃PAB材料，它有良好的绝缘性和耐老化性，价格相对便宜，在国内主机厂普遍采用。

2、模块设计

模块设计是具体的将智能式中央电器板的三大主体部分进行详细设计。微控板是要通过无数电路集成来实现所需的具体功能，也是设计工作的核心和难点。映射板涉及到软件编程，用软件代码实现与外电路的信息交换，是微控板和电器板之间信息交互的纽带。电器板则由很多铜条负责电流的分配，并输出到各用电设备。

2.1 微控板的电路设计

BCM模块中需要用到很多上拉电路或者下拉电路，通过输入信号的采集来进行继电器的控制。设计要求中规定了高有效或者低有效的控制逻辑，并要满足对电源和对地的短路保护功能、防电磁干扰的功能及高低电平的幅值转换、阀值限定等，综合考虑以上因素可以得出高低电平输入端处理电路的基本结构：

以上输入处理电路在BCM控制模块中是最常用的，其可判断开关信号进行高低电平判断，进而控制继电器触点端的开闭，实现小电流控制大电流的目的。将很多类似的模块集成在一个PCB线路板上，就构成了集成控制模块。另外，有些输入可能是数字量，也有些输入可能是模拟量，数字量可直接由单片机读取，而对于有些模拟量输入则必须经过信号调理/数据采集接口转换成数字信号，供MCU读取，常用的模拟信号采集电路如下图所示：

输入电路接受传感器和其它装置输入的信号，对信号进行分压、滤波和放大，然后转换成适合单片机AD转换器采集的输入信号。单片机将采集的信号进行逻辑分析和运算处理，并将处理数据送至输出电路，输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号，以驱动继电器或者传感器等元器件的工作。

2.2 电器板的电源分配设计

电器板设计的核心的问题在于如何进行电源分配和保险、继电器规格的选择、电性能及电磁兼容性设计。

保险的选择方面，本着先烧保险后烧线的原则，需对输出的各用电器的实际工作电流进行计算；选择带LED指示灯的保险便于故障排查。

用电设备的电流强度为：I=P/U。所以电压一定的情况下，电流强度直接与设备的功率有关。考虑电压降和热损耗等因素，保险容量一般选为：FA=1.25P/U。实际的设计中还需要考虑冲击电流、保险共用、30+电、B+电及IG电等。

电性能及电子兼容性设计方面，在供电电路的上游增加TVS管抑制瞬态电压突变，在感性负载两端并联反向二级管，来抑制反向电流冲击。

选择过电流能力较强的T2y紫铜作为预埋的汇流条材料，综合考量得出最优性价比的设计方式。

电源分配方面，分配方式完全基于整车电气的设计要求，某电器盒的电源分配局部电路如下图：

上图中近光灯、左右前雾灯由BCM驱动，当BCM收到灯光开关信号，则拉低继电器线圈控制端，灯光开启。IG1电通过可驱动40A电流的继电器控制，同理也是由BCM控制继电器线圈。其它电路直接由保险输出。将电器盒和微控板、映射板通过PCB、汇流条压接在一起，智能中央电器盒的主体结构就设计完成了。图6为典型的层叠式结构：

图6中PCB板分为上下两层，上层为BCM控制模块，下层为继电器保险插接模块，层与层之间通过音叉端子连接。预埋了30+电和地线接线柱各一个，通过插接器实现输入或输出功能。

2.3 软件编程

微控板还涉及到一些简单的程序设计，用函数调用的方式实现MCU所设定的循环寻址功能。首先设定默认基地址值，此值不能与其它控制器冲突。预先将很多物理地址存放在ROM存储器中，数据以十六进制的形式存在，编程的目的就是为了更好的调用存储器中的这些数据。每个功能对应一个唯一的ID地址，又用FMI地址来对同一功能不同信号类型进行区分，这样控制器就会在各时间周期内按这个结构的程序进行循环。数据以CAN报文的形式，通过CAN_H、CAN_L两根总线与外部电路进行通信。

3、系统诊断

3.1 诊断原理

在CAN网络中，为了避免总线信息冲突，引入了“非破坏性逐位仲裁机制” 。每一个报文都被分派了标识符，标识符=ID=优先级，标识符越小，优先级越高。标识符都是由0100101……等的二进制数字组合而成。0：代表显性位、覆盖；1：代表隐性位、被覆盖。转化为直观的概念就是3.5V 和2.5V的电压变化，只是这种变化周期是毫秒级的。收发器会定期接收和发送具有双向传递功能的CAN-BUS电信号，由主芯片检查有效的电信号并转换为数字信息。

CAN源地址=基地址+偏移地址（设定基地址为：00A0）

PGN偏移常值：保险丝0x00、继电器0x01、错误信息0x02。

在CAN协议中，所有数据均以固定格式的数据帧发送，在发送过程中边发送边检测，若发现错误则终止发送，并将此单元从总线上隔离，不会影响其它单元的数据传输。标准的数据帧结构包含帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC校验、ACK段、帧结束等七个数据段，每个数据段由不同的位字节构成。

传递这个数据段的介质就是CAN总线，它是由一条黄线和一条绿线双绞而成的铜质导线，有的还需带屏蔽层。在导线最远端串联两个120Ω终端电阻，防止信号反射。将智能式中央电器盒及诊断接口以树状结构并联到整个网络上，则一个网段便建立了。

3.2 诊断工具

目前使用的诊断工具为CANoe，它集诊断、仿真、分析、记录于一体，具有功能强大、操作简单的特点，还可提供数据库支持。CANoe有八大窗口，常用的为trace window和Bus Statistics window。前者预加载数据库后，用于错误ID信息的显示，后者用于总线负载监控和数据帧检查。

4、结语

本文对智能式中央电器盒的设计与诊断作了简要介绍，剖析了它的组成形式和结构特点，对其原理和整个设计过程进行了简要分析。

本文的目的在于使读者对系统的设计工作有所了解。智能中央电器盒实际的设计过程是一个系统的工程，只有结合很多方面的知识，才能设计出在功能和性能上满足主机厂需求的优秀产品。

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Design And Diagnose For Intelligent Electrical Centers Box

Wang Janfeng, Wang Yuanbo, Dong Hai
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Automobile Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710100）

This article firstly introduces the design ideas、process and method,analyses the problem such as system elements、whole structure、electron circuit、power supply distribute、software programme、can bus diagnosis for the design process that should be focused on，expounds the whole design process systemally.

intelligent；integration；power supply；distribute；function；diagnose

U463.6

A

1671-7988(2015)01-40-03

王剑峰，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。