基于高壓看門(mén)狗定時(shí)器的汽車(chē)失效保護(hù)解決方案

　　摘要：絕大多數(shù)汽車(chē)電子系統(tǒng)需要監(jiān)控電路監(jiān)測(cè)失效容限和安全性。MAX16997/MAX16998看門(mén)狗定時(shí)器可理想滿足這類(lèi)監(jiān)控需求，它們對(duì)微控制器(µC)正常工作條件下產(chǎn)生的周期脈沖進(jìn)行檢測(cè)，一旦偵測(cè)到電路或µC的失效狀態(tài)，將立即切換到備份/冗余系統(tǒng)，采取“跛行回家”控制策略，從而避免汽車(chē)在中途拋錨，提供了一種汽車(chē)失效保護(hù)措施。

　　汽車(chē)設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)正在逐步替代機(jī)械功能—從引擎定時(shí)控制到剎車(chē)、方向盤(pán)控制—而電子系統(tǒng)相對(duì)容易發(fā)生故障，這就需要謹(jǐn)慎考慮系統(tǒng)的安全性，確保系統(tǒng)具備較高的故障容限。不應(yīng)該在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)將司機(jī)或乘客置于危險(xiǎn)處境，至少能夠使汽車(chē)“跛行”到大路以外或最近的維修站。當(dāng)電子設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，為確保汽車(chē)的安全行駛需要利用監(jiān)控電路開(kāi)啟備份電路，安全地接管系統(tǒng)操作。

　　在純機(jī)械系統(tǒng)的汽車(chē)時(shí)代，引擎依照機(jī)械方式產(chǎn)生的信號(hào)點(diǎn)燃空氣燃料混合器。機(jī)械分配器則選擇適當(dāng)?shù)幕鸹ㄈ?，沿線傳遞信號(hào)。剎車(chē)系統(tǒng)則將作用在踏板上的壓力通過(guò)剎車(chē)軸、剎車(chē)總泵、液壓管傳送到制動(dòng)鉗。離合器和油門(mén)只是簡(jiǎn)單地受控于連接在踏板上的一條鋼纜。方向盤(pán)通過(guò)一個(gè)金屬舵輪、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向齒輪箱以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置，控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)角。引擎控制也不同于我們?nèi)缃袷褂玫母叨瓤煽康碾娮涌刂茊卧?ECU)，它沒(méi)有計(jì)算機(jī)輔助剎車(chē)系統(tǒng)、離合器、油門(mén)或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)然，也不需要考慮µC失效、控制單元短路等狀況，可能出現(xiàn)故障失效的機(jī)械裝置僅有99個(gè)。但是，由于人們非常信任機(jī)械設(shè)備的可靠性，也很少考慮系統(tǒng)備份或故障容限問(wèn)題。當(dāng)然，一旦系統(tǒng)的某個(gè)裝置出現(xiàn)故障，則很容易發(fā)生危險(xiǎn)，即便沒(méi)有發(fā)生危險(xiǎn)，汽車(chē)也只能被拋錨在出事地點(diǎn)，不得不求助拖車(chē)將故障汽車(chē)拖至維修中心。

　　為了提高汽車(chē)駕駛的舒適度和便利性，汽車(chē)制造商需要為汽車(chē)提供電子裝備，以獲得更高效率、更清潔的環(huán)境以及更高的汽車(chē)行駛安全性。早期的ECU只能在發(fā)生故障時(shí)停止運(yùn)行，特別是電子裝置的工作取決于µC。如果µC失效時(shí)沒(méi)有備用方案來(lái)避免發(fā)生危及生命的事故，對(duì)于用戶和制造商都是無(wú)法接受的;設(shè)計(jì)中至少需要采用備用系統(tǒng)，將汽車(chē)就近行駛到維修站，由此，人們對(duì)故障容限的關(guān)注程度也迅速提高。根據(jù)實(shí)際需求，許多ECU開(kāi)始配備“跛行回家”管理模式。

　　“跛行回家”模式

　　“跛行回家”模式指的是ECU內(nèi)部的一種冗余功能，在物理架構(gòu)上這是完全獨(dú)立的一部分模擬電路，可以從待機(jī)模式下開(kāi)啟進(jìn)入失效保護(hù)狀態(tài)。這一模式允許汽車(chē)在發(fā)生電子系統(tǒng)失效時(shí)駛出道路，雖然不能保持原有的行駛性能，但可以確保安全。

　　新一代引擎ECU都帶有監(jiān)控器件，例如：看門(mén)狗定時(shí)器，用于測(cè)試ECU運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。一旦檢測(cè)到工作異常，發(fā)現(xiàn)電子裝置或µC失效(軟件運(yùn)行故障)，監(jiān)控器件將開(kāi)啟“跛行回家”控制模式。例如，當(dāng)汽車(chē)引擎故障燈點(diǎn)亮，汽缸只注入一半的燃料給發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)引擎產(chǎn)生非常低的熱量，但能夠以適中的速度開(kāi)動(dòng)汽車(chē)，借助剛好支持汽車(chē)行駛的能量將汽車(chē)開(kāi)回家或開(kāi)到就近的汽車(chē)維修中心。

　　另外一個(gè)好的案例是新型汽車(chē)中的“車(chē)身控制計(jì)算機(jī)”，能夠控制車(chē)窗升降、前車(chē)燈/尾燈、轉(zhuǎn)向燈以及擋風(fēng)玻璃的雨刷、汽車(chē)的自動(dòng)換檔控制。監(jiān)控電路對(duì)ECU的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)生電路單元或µC工作故障時(shí)，將激活待機(jī)電路，降級(jí)行駛性能，例如：降低遠(yuǎn)光燈、尾燈/剎車(chē)燈的亮度，或者只保持第二檔行駛。當(dāng)然，這種狀況下限制了汽車(chē)的最高速度，但汽車(chē)仍然保持工作，能夠以“跛行回家”模式安全行駛，把車(chē)開(kāi)到維修廠。

　　效果差么? 不，其實(shí)并不是。如果不是這樣，你有可能仍然保持原有駕駛速度，而這可能導(dǎo)致車(chē)輛損毀;或者也可能讓你哪都去不了，包括移至安全地帶。

　　冗余

　　計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的前景稱(chēng)為“電控操作”，動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部和外部絕大多數(shù)機(jī)械控制系統(tǒng)已經(jīng)由機(jī)電控制所替代。例如，相互連接的ECU電控裝置已經(jīng)替代了方向盤(pán)到車(chē)輪之間的所有機(jī)械單元。司機(jī)移動(dòng)的方向盤(pán)位置將被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，傳送給智能化機(jī)電傳動(dòng)裝置，最終控制車(chē)輪動(dòng)作。

　　電控剎車(chē)裝置也采用汽車(chē)計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)或機(jī)電制動(dòng)鉗替代了早期的剎車(chē)軸、剎車(chē)總泵和剎車(chē)助力器等單元。

　　一般意義上講，由于剎車(chē)或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈將有可能危及生命，因此這些系統(tǒng)對(duì)安全性的要求更高，對(duì)故障容限的要求也更高。

　　工程師在這些新應(yīng)用中設(shè)計(jì)了備份電路，構(gòu)建完整的冗余電子控制和監(jiān)控單元，冗余系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上應(yīng)該完全獨(dú)立于主控單元，始終確保系統(tǒng)提供有效、安全的電控單元。ECU監(jiān)控電路保持主系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)生故障時(shí)可切換到備份、冗余系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)的應(yīng)用原理在于多個(gè)控制單元同時(shí)發(fā)生故障的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)ECU中單個(gè)故障點(diǎn)出現(xiàn)的概率。因此，冗余控制單元能夠?yàn)槠?chē)系統(tǒng)提供額外的安全保障。

　　高壓看門(mén)狗的優(yōu)勢(shì)

　　考慮到安全性問(wèn)題，汽車(chē)電子系統(tǒng)需要監(jiān)控電路監(jiān)測(cè)故障容限或安全性。MAX16997/MAX16998看門(mén)狗定時(shí)器可理想滿足這類(lèi)需求，通過(guò)對(duì)微控制器(µC)正常工作條件下產(chǎn)生的周期脈沖進(jìn)行檢測(cè)，偵測(cè)電路或µC的失效狀態(tài)，一旦發(fā)生故障可立即切換到備份/冗余系統(tǒng)。

　　MAX16997/MAX16998具有超時(shí)和窗式看門(mén)狗監(jiān)測(cè)功能，器件帶有看門(mén)狗觸發(fā)器輸入(WDI)，提供漏極開(kāi)路µC復(fù)位輸出(RESET)和漏極開(kāi)路冗余系統(tǒng)使能輸出(ENABLE)。

　　對(duì)于MAX16998，復(fù)位門(mén)限可以由介于低壓電源(例如：µC電源)、外部電壓監(jiān)測(cè)輸入(RESETIN)和GND之間的外部電阻分壓器(圖1所示)設(shè)置。MAX16997可以在使能輸入端(EN)讀取KL15 (點(diǎn)火開(kāi)關(guān))的狀態(tài)，在汽車(chē)啟動(dòng)后使能內(nèi)部的監(jiān)控定時(shí)器(圖2)。這時(shí)，看門(mén)狗的超時(shí)周期延長(zhǎng)到標(biāo)稱(chēng)周期的8倍，為µC留出足夠的開(kāi)啟時(shí)間。

　　圖1. MAX16998高壓看門(mén)狗定時(shí)器采用獨(dú)立的下游低壓電源(LDO)供電，為電池短路保護(hù)提供安全保護(hù)屏障，從而使器件能夠在故障條件下可靠地切換到冗余電路。

　　圖2. 類(lèi)似于MAX16998，MAX16997能夠在故障狀態(tài)下安全地切換到冗余電路。它還具有高電平有效使能輸入(EN)，用于開(kāi)啟或關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器。