多路模拟信号输入的开关信号采集方法的研究

张进明，孙灿，丁立平，王东生，董建设，周巍

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

多路模拟信号输入的开关信号采集方法的研究

张进明，孙灿，丁立平，王东生，董建设，周巍

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

利用多路模拟开关进行信号采集，是车载控制器开关设计的常见方式。本文介绍多路模拟信号输入发生变化时，控制器硬件采集电路和软件模型设计方案，并从实际动态测试中可能出现的搭铁线短路、开路等问题，分析执行器的策略方案，优化设计，防止控制器误输出。

电阻型开关；多路模拟输入；后刮水系统

某车型在设计开发阶段中的实车动态测试过程中，发现车辆正常行驶时，后刮水洗涤器在驾驶者非主动开启的前提下自动开启，且无法通过刮水开关关闭。经分析，此开关输入为多路模拟信号输入，在多路采集阈值设计方面存在缺陷。因此针对此路试的问题，对电阻型开关的输入及采集方式进行分析研究。

1 后刮水系统的设计原理

后刮水系统功能作为车身控制单元BCM（Body Control Module）的一部分，BCM从外部采集开关输入信号，经过MCU内部硬件电路设计以及软件逻辑判断，控制外部电动机输出动作。后刮水系统电路原理如图1所示。

图1 后刮水系统电路原理图

后刮水控制逻辑原理为：点火开关置ON，后喷淋I挡，后刮水洗涤电动机输出，后刮水器喷淋且刮刷；后刮水慢挡，后刮水洗涤电动机无动作，后刮水器连续刮刷；后刮水间歇挡，后刮水器洗涤电动机无动作，后刮水器间歇刮刷；后喷淋II挡，后刮水洗涤电动机输出，后刮水器喷淋且刮刷；后刮水OFF挡，后刮水电动机停止输出，后刮水停止刮刷；前刮水非OFF挡且后刮水OFF挡，挂R挡，后刮水器刮刷动作。

2 多路模拟开关输入原理分析

2.1 多路模拟输入开关的硬件设计

在整车电气原理设计中，刮水开关为多路模拟输入的电阻型开关。试验车设计中，后刮水开关挡位设计分为5挡：后喷淋I挡、后刮水OFF挡、后刮水间歇挡、后刮水慢挡、后喷淋II挡。开关状态定义如下：后喷淋I挡，搭铁电阻4kΩ；后刮水OFF挡，搭铁电阻3 kΩ；后刮水间歇挡，搭铁电阻2 kΩ；后刮水慢挡，搭铁电阻1kΩ；后喷淋II挡，搭铁电阻0。

注：搭铁电阻精度1℅，后刮水开关处于喷淋挡位时，后刮水动作为喷淋且刮刷。

后刮水开关硬件电路如图2所示。

图2 后刮水开关硬件电路图

2.2 刮水开关输入挡位阈值的设计

2.2.1 后刮水受控状态的WCCA（不考虑AD采样误差）

外接开关的采样电阻精度按照3%计算；内部电路的电阻精度按照1%计算；考虑上拉电压VCC_Ctrl范围为4.9～5.1V；WCCA内部不考虑AD采样误差。

注：WCCA（Worst Condition Circuit Analysis）最坏情况电路分析。

按照以上误差，计算图2中阻值范围如表1所示。

表1 图2中各电阻阻值数据

根据硬件电路原理图，推导计算公式如下

式中：Upin——BCM从外部刮水开关输入管脚采集电压值（图2中T308处电压）；Upin_min／Upin_max／Upin_typ分别为该点处电压最小值、最大值、典型值；Uadc_min即BCM内部MCU采集的电压值（图2中T309处电压），Uadc_min／Uadc_max／／Uadc_typ分别为该点处电压最小值、最大值、典型值。

根据公式（1）～（6），计算硬件不同挡位电压，其结果如表2所示。

表2 不同阻值挡位采集电压值

当上拉电压UCC_Ctrl=5.0V时，Uadc=（Umax-Umin）／2+Umin。Umax=0.915V，4K挡硬件误差Uadc的最小值；Umin=0.802V，3K挡硬件误差Uadc的最大值。

计算得出Uadc=0.858 5 V。

由此可以计算出各个挡位电压阈值，如表3所示。

2.2.2 后刮水受控状态的WCCA（考虑AD采样误差）实际测试数据如表4所示。

表3 不同挡位电压阈值

表4 试验测试数据

为解决硬件采集与软件读取耦合问题，重新设计阈值。考虑到MCU内部AD采集电路输入的耦合影响，测试结果如表5所示。

表5 重新设计阈值后试验测试数据

考虑MCU内部AD采集的耦合影响，重新定义4K挡Uadc阈值为Uadc-new=Uadc+ΔU／2=0.8585+0.078／2=0.8975V。

2.3 MCU采集端分析

2.3.1 AD采集通道的耦合影响

后刮水系统的开关输入分析：①后刮水上拉电源为SBC输出的5V系统电压，且恒定拉高，所以，后刮水开关的采集不存在时序方面的问题，而且5V系统电压比较稳定，在BCM正常工作电压范围内，不会受电源电压变化影响，因此排除上拉源干扰；②控制器内部AD采集方面，AD配置正确的情况下（软件设计可以保证），模拟量采集由单片机自己控制，所以可以排除AD采集方面问题；③前、后刮水开关分别由独立的AD通道采集，原则上相互之间不会干扰。

实际测试，当开启其它AD采样输入的开关时（灯光组合开关、雾灯开关以及转向开关等），后刮水开关输入的电压值会出现略微波动。根据章节2.2.2的分析，通过阈值的设计可以避免AD采集误差。

2.3.2 MCU内部的输入端悬空或开路

为防止输入端开路或者悬空时MCU进行误判断，因此需对此种情况进行分析处理。当输入端悬空或者开路时，读取MCU采集的输入电压值为2.823 2V，仿真结果如图3所示。

由硬件计算出单片机AD口输入阈值电压可知：后喷淋I挡阈值为858.5mV。所以当输入开关开路或者悬空时，AD口输入电压为2.8315V，引起误判断。此时挡位为后喷淋I挡，需从软件对此阈值进行限制，进行开路防错设计。因此软件端对后喷淋I挡阈值进行上限处理，当输入端开路或悬空时，电压为2.8315V。

后喷淋I挡阈值为858 mV～2.8 V，而实际值超过2.8V，即为无效挡位，刮水系统无输出。

图3 EWB仿真电路图

2.3.3 MCU内部输入端搭铁线开路时对输入影响

根据MCU内部采集电路分析，若采集开关输入端电压发生变化，亦可能导致刮水开关挡位切换至不同挡位。图4为应用EWB（Electronics Workbench电子工作平台）软件对MCU内部采集电路的仿真电路图。图4中Input点为MCU实际采集的开关输入的电压值，且根据此数值来判断后刮水开关挡位；Switch-Test开关为模拟开关，正常情况下Switch-Test开关应完好搭铁。

图4 EWB仿真电路图

模拟搭铁线开路：模拟Switch-Test处开路时，可以测到Input处电压值为8.3150V（仿真结果图4所示），该值大于上拉电源5 V。如果通过软件设计限制MCU采集到电压上限为5V，当超过5V时，软件读取到的数值就是5V。如果挡位限制于无效挡位，为防止线路搭铁开路时挡位误判断，且不考虑软件上限处理时就是实际值8.3150 V。若不对后喷淋I挡做上限阈值处理，此时会引起误触发后喷淋I挡开启。

2.3.4 MCU内部输入端搭铁线虚接时对输入影响

根据章节2.3.3分析可知，若此搭铁线虚接，可通过拨动Switch-Test开关，调节R-Test的阻值大小，模拟不同虚接情况，具体如表6所示。

表6 试验测试数据

经过以上分析，重新设计挡位及阈值如表7所示。

表7 重新设计不同挡位电压阈值

3 总结分析

经过分析后刮水系统控制逻辑的输入、输出以及模型，得出以下几点总结。

1）硬件电路：改善硬件电路方案无法避免因线路虚接或者开路引起的误判断风险，但可以通过软件模型降低风险。

2）件模型：针对MCU内部其它AD采集通道的耦合影响，将阈值由858.5 mV修订为897.5 mV，降低误判断风险；针对内部输入端开路，对后喷淋I挡上限阈值修订为2.8V；针对内部采集端搭铁线开路，限定软件采集阈值上限为5V，增设无效挡判断，避免因AD耦合产生的误差，降低挡位误判断的概率。

3）针对模拟输入电路，插件虚接肯定会导致系统误判，但通过整改插件设计及连接方式，可避免此类问题。

4 改进建议

设计电阻型模拟开关输入采集电路时，应能全面分析实际中可能出现的问题，从硬件设计进行安全保护措施，并通过软件设计避免AD采样耦合影响、输入端开路／短路等问题，当发生实际开路、短路时，能够及时中断输出，做好输出保护设计。

［1］董建设，权香妮．汽车刮水控制系统的建模与实现［J］．汽车电器，2016（5）：36-43．

［2］童诗白，华成英．模拟电子技术基础［M］．北京：高等教育出版社，2004：598-606．

［3］王锡吉，王蓬．最坏情况电路分析（WCCA）［J］．电子产可靠性与环境试验，2002，（2）：1-5.

（编辑 心翔）

Research On Signal Acquisition Method of Multi-Input Analog Switch

ZHANG Jin-ming，SUN Can，DING Li-ping，WANG Dong-sheng，DONG Jian-she，ZHOU Wei

（BAIC Motor Technology Centre，Beijing 101300，China）

Signal acquisition by multi-input analog switch is a common method in design of vehicle module switch.This article focuses on the module hardware and software design methods as the analog switch multi-input changes.Potential problems such as ground short circuit and open circuit during testing is considered，also，the design method is analyzed and optimized to avoid incorrect module output.

resistance type switch；multi-input analog switch；rear wiper

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0034－04

2016-06-23；

2016-10-17