AMT TCU负载箱.doc

轿车&微车AMT_TCU认证环境测试系统硬件设计The Hardware Design of the Car & Mini Car AMT_TCU Environmental Certification Test System摘 要AMT（Automated Mechanical Transmission），中文名称是电脑控制液力换档机械式变速箱。其工作原理是在原有机械变速箱的基础上进行改造，主要是改变手动换档操作部分。AMT实际上是由一个电脑来控制一个机械系统来完成操作离合器和选档的动作。我们要测试的TCU即为AMT的控制部分，它是AMT的核心技术，决定着AMT的性能与运行质量。针对轿车&微车AMT_TCU的硬件测试需求，本文设计了相应的自动测试系统解决方案。整个测试系统包括十个测试单元，十个测试单元分为两组，每组五个单元由一台PC机控制；每个测试单元都是一个独立的环境负载箱，每次可以测试一台AMT_TCU；这样每台PC机可以同时控制五个测试单元（即环境负载箱）测试五个AMT_TCU，提高了测试效率；每个环境负载箱的硬件部分都是相同的。测试时，PC机同时向五个测试单元发送测试命令，测试单元根据制定好的通信协议做出相应的正确的动作，动作完成后输出测试需求的信号提供给AMT_TCU进行检测；AMT_TCU检测结果通过CAN通讯发送给各自的测试单元，再由各个测试单元初步处理后发送给PC机，PC机接收到五个测试单元传回的测试数据后，将所有数据与设定的测试需求对比，得出判断结果，上位机软件需要实时显示测试结果并保存为文件形式以便于之后查看测试数据。本论文设计的自动测试系统有效的提高了轿车&微车AMT_TCU的测试效率和自动化程度，已经投入到了实际的应用当中，测试结果准确，工作稳定。关键词：变速箱，AMT-TCU，测试系统，测试单元，PC机AbstractAMT（Automated Mechanical Transmission），We call it computer-controlled hydraulic mechanical transmission shift in Chinese. Its working principle is based on the transformation of the original mechanical gearbox, the main changed is the manual-shift operation part. AMT is actually made up of a computer to control a robot system to complete the action of operating the clutch and gear selector. The AMT_TCU that we need to test is the control section, it is the core technology of the AMT, determines the performance and operation quality of AMT.According to the hardware testing requirements of micro cars & vehicles AMT_TCU, In this treatise, we designed the corresponding automatic test system solutions. The entire test system includes ten test unit, ten test unit into two groups, each group of five controlled by a single PC. Each test unit is an independent environmental load box； It can test an AMT_TCU. So each PC can control five test cells (environmental load box) testing five AMT_TCU, improve test efficiency. Each environment load box has the whole same hardware.On testing, PCsend commands to fivetestunits at the same time, test unitmade the correspondingcorrect actionaccording to the testingprotocol. After the action, output signal is provided to meet the test requirements for testing to AMT_TCU. AMT_TCU sent test results to the respective test unit via CAN communication, then each test unit sent this result to PC. After the PC receives the test data returned from five test units, compared all results with test requirements, make the results judgments, PC software need to display the test results in real time and saved as a file in order to view after test.The automatic test system proposed in this treatise effectively improves test efficiency and automation of AMT_TCU, has been put to practical application, test results are accurate, working stable.Keywords: Transmission, AMT_TCU, Test System, Test Unit, PC目 录第一章绪论11.1汽车变速箱介绍11.2电控机械式自动变速器（AMT）简介21.3AMT_TCU功能介绍4第二章测试系统结构设计62.1测试需求分析62.2测试系统整体结构设计92.3测试设备（负载箱）结构设计12第三章TCU测试信号硬件解决方案163.1主控电路板（Main Control Board）163.2TC1767核心芯片183.3模拟量输出解决方案203.4开关量输出解决方案263.5频率量（PWM）输出解决方案293.6继电器负载电路设计303.7CAN通信模块设计323.7.1 CAN总线介绍323.7.2 CAN通信模块设计33第四章测试结果分析364.1PC机软件介绍364.2测试结果分析384.2.1 模拟量测试结果384.2.2 开关量测试结果394.2.3 频率量（PWM）测试结果404.2.4 继电器负载测试结果40第五章总结41 第一章 绪论第一章 绪论1.1 汽车变速箱介绍二十一世纪，汽车早已走进千家万户，无论是商用车，还是乘用车，都已经成为经济社会发展和人们日常生活不可或缺的重要组成部分。本论文主要讲解的是汽车的重要组成部分。汽车的动力来源是发动机，发动机产生的动力必须经过传动系统的传递和转换才能实现驱动车轮转动。变速箱是整个传动系统的核心。因为汽车发动机的转速和转矩的变化范围很小，同时实际汽车的行驶速度变化范围却很大，所以在传动开始位置设计了变速箱。变速箱的功能是改变动力传动比，从而起到增加驱动车轮转矩和转速的变化范围的作用，使汽车在不同的行驶工况环境下，发动机能够工作在理想的工况；发动机转矩方向不变的情况下能够倒退行驶；实现空档的功能，使发动机能够怠速。在一百多年的发展时间里，变速箱经历了用变速杆改变链条的传动比、手动变速箱、有级自动变速箱、无级自动变速箱这四个阶段。（1）手动变速箱（MT）手动变速箱(MT)的主要降速原理是齿轮传动，变速箱的内部设计了很多传动比不同的齿轮副，在汽车行驶的过程中，换挡动作就是利用操纵机构来选择变速箱内不同的齿轮副工作。举例说明，在低速行驶时，选择传动比较大的齿轮副工作；而在高速行驶时，则选择传动比较小的齿轮副工作。（2） 液力自动变速箱（AT）液力自动变速箱（AT）的结构比较复杂，由于各厂家变速箱的局部结构设计不同，所以自动变速箱的结构是多样的。但是他们的基本结构设计都是大同小异的，多数都是由四部分组成的，它们分别是控制系统、液压操纵机构、行星齿轮变速器和液力变矩器。液力自动变速箱（AT）的主要工作原理：设计了各种不同类型的传感器采集信息，从而将汽车的运行工况转化为许多电信号，然后将采集到的电信号发送给自动变速器的核心电脑进行处理，核心电脑对处理结果进一步分析，输出准确的控制指令给对应执行机构，从而实现了变速箱的自动换挡动作。液力自动变速箱（AT）的换挡方式简单同时也很直接，首先是传感器采集的电信号转换为液压信号，然后直接控制执行机构进行换挡动作，换挡过程平稳顺利。（3） 电控机械式自动变速箱（AMT）电控机械式自动变速箱（AMT）的基本设计原理，对传统变速箱和离合器两个结构进行改造，在保持整体传动结构不变的情况下，增加电子控制系统、各种不同类型的信号传感器和对应的执行机构，从而将选挡、换挡、离合器及发动机油门的控制实现自动化，智能化。（4） 无级自动变速箱（CVT）无级自动变速箱（CVT）是目前世界公认的理想传动方式之一，目前已实现的无级自动变速箱（CVT）有两种：传动带型和牵引驱动型，基本原理是相同的，就是通过摩擦力来传递动力。目前实际应用的主要有四种CVT，分别是锥盘滚轮式、复合带式、金属带式和摆销链式。其中，开发最早，应用范围最广的是金属带式CVT。金属带式无级变速传动系统是目前实际应用中最成功的汽车无级变速传动系统。实际的调查结果显示，配置了金属带式CVT的汽车，在经济性、动力性以及尾气排放等方面的表现，都比配置了液力自动变速箱和手动机械变速箱的汽车好很多。正是因为它的良好表现，金属带式CVT自从二十世纪面世以来，在短短时间内广泛应用到了很多汽车厂家的产品上，预计在二十一世纪，金属带式CVT必定将获得更大更成功的发展。1.2 电控机械式自动变速器（AMT）简介AMT的英文全称是Automated Mechanical Transmission，即电控机械式变速器，它的基本原理是将电脑控制系统安装在手动机械式变速器（MT）上，从而能够模仿人的动作来实现选档、换档的自动控制，设计时采用了电机驱动的执行机构对油门、离合器以及变速机构进行控制。AMT变速箱技术目前的发展状况：由设计原理可知，它保留了手动变速器的绝大部分关键组成结构，只是采用电子自动化控制操纵机构来替代原有的手动操纵机构，所以它的改造成本低、见效快，同时可以通过优化自动控制部分的软件来有效地提高汽车的性能，实用性好。正是因为AMT的上述优势，世界很多汽车厂商和科研院校都在进行AMT变速箱技术的研发工作。第一代的AMT产品是在上世纪八十年代开发成功的，它首先被装配在商用汽车上进行测试试验。经过几十年的发展，AMT技术日益成熟，装配了AMT的车辆在换挡品质和起步性能等方面的表现越来越优异，应用了AMT变速箱的汽车受到广泛好评。这也使得越来越多的车型选择装配 AMT变速箱，AMT变速箱的改装成本也已经达到了普通用户可以接受的水平。美国和欧洲很多汽车厂商生产的一些商用汽车从上世纪九十年代就开始装配AMT变速箱。到今天，AMT变速箱已实现了商品化，装配AMT变速箱的商用汽车的比例在不断增加。近年来世界各汽车厂商都在抓紧开发自己的新一代AMT变速箱产品。但是AMT变速箱产品在结构上也是大同小异的，都是将电子自动控制操纵机构加装在原有的机械变速器上，从而替代原来的手动换挡。但是由于每个汽车厂商都有自己的设计理念和产品定位，所以这些AMT变速箱产品在性能方面还是有所差异的。如Siemens Electronics 开发的 AMT产品、德国奔驰公司的 Sprint shift系列和DANA与TTC公司合作开发生产的AMT-7产品等。与AMT相比，装配了传统机械式手动变速器的汽车，轿车离合器踏板力是在80N100N的范围内，货车离合器踏板力是在150N200N的范围内。汽车在路况复杂及人车密集的市区内每行驶100公里，驾驶员需要换档400600次，同时需要踏离合器600700次，平均每分钟要连续完成2030次手脚协调动作。由此可见，人力操纵离合器踏板和换挡的工作强度是非常大的。如此大的工作强度会使驾驶员产生疲劳感，分散驾驶时的注意力，更容易造成交通事故，极大的威胁了人身安全和财产安全。驾驶员的操作是否熟练同时也会对车辆的燃油效率、尾气的排放量甚至是汽车零部件的使用寿命产生直接影响。AMT的优势：（1）与MT相比：驾驶员操作更便捷：智能换挡，驾驶无需离合器；动力更强：技术与F1赛车同源，驾驶感受更舒适；省油量最高可达9%：微电脑控制系统，换挡时机掌握更精确；安全性更优：模仿最优秀驾驶员驾驶，可有效避免错误操作；（2）与AT相比：动力更强：传动效率高出7%以上，动力传输无损耗；省油量高达20%：手动挡的机械变速，微电脑的智能操控；生产成本低：具有低于30%的成本优势，生产继承性强；维护成本低：可于MT媲美；（3）与CVT相比：成本低，利于生产；维护更方便；产品可匹配性良好；1.3 AMT_TCU功能介绍AMT_TCU（电子控制单元）是整个AMT变速箱的核心部分，是变速箱的电脑。图1.1 AMT_TCU主要功能AMT_TCU（电子控制单元）主要功能说明：（1）采集各种不同类型传感器的输入信号，包括转速传感器、位置传感器（离合器，选档位置和换档位置）、温度传感器、驾驶员门开关、点火开关、刹车灯开关等电信号；（2）分析传感器输入信号和通过CAN通信接收到的数据信息等，这些信息包括发动机转矩、发动机转速、加速踏板位置、发动机水温、刹车踏板开关等；（3）发送控制信号给相应的执行机构，包括显示仪表盘、控制液压组件和蜂鸣器等。从以上的介绍可以得出结论，AMT_TCU是性能好坏觉得整个AMT变速箱的工作效率及驾驶员的操作感觉好坏。所以开发性能优良的AMT_TCU是各汽车厂商的首要任务，重中之重。同时，技术开发人员设计开发的AMT_TCU产品是否满足实际的工况要求，工作时与变速箱的配合效果，连续正常工作的寿命等等问题都是需要通过测试才能得到准确的结论。所以汽车厂商的技术部门每次开发出来新一代的AMT_TCU都要通过各种规定的测试才能投入生产，真正在量产的汽车上使用。本论文所述的测试系统，就是用于AMT_TCU的环境认证，目前已经投入使用，运行状态良好，测试结果稳定准确。 45第二章 测试系统结构设计第二章 测试系统结构设计2.1 测试需求分析轿车&微车AMT_TCU测试系统配置框图如图2.1所示。测试设备为AMT_TCU提供模拟量输出信号、频率量（PWM）输出信号、开关量输出信号、继电器模拟负载、CAN总线通讯和直流电源。待测试的模拟量输出信号、开关量输出信号、频率量（PWM）输出信号是由测试设备发出的，提供给AMT_TCU（电子控制单元）作为AMT_TCU（电子控制单元）的输入信号；测试设备中的继电器模拟负载模拟AMT_TCU（电子控制单元）输出信号的负载；测试设备与AMT_TCU（电子控制单元）之间数据交换通过CAN通信总线完成，测试设备能够将被测AMT_TCU（电子控制单元）运行状态清楚的显示出来，根据判定标准判断出AMT_TCU（电子控制单元）是否通过测试，并且输出测试记录。电源模块将市电转换成直流电给测试设备供电，可能同时需要多路电源。图2.1 轿车&微车AMT_TCU测试系统配置由上图2.1可以看出，每台测试设备都需要输出模拟量，开关量，频率量（PWM），还要配置继电器负载，电机负载，CAN通讯；下面先分别介绍每种输出信号的具体需求。测试信号分类需求如下：1、 模拟量测试信号：模拟量测试信号总共需求是9路，其中手柄信号有4路，电流输入能力要求是2mA；其余5路模拟量信号的电流输入能力要求是1mA；在电压输出方面，每一路模拟量的电压输出要求是分为四种，0V，1.5V，3.3V，5V，需要注意的是4路手柄信号的要求有所不同，每路手柄信号的电压输出只要求两种，9路模拟量的电压输出范围都是05V；但是根据实际的测试的情况，这四种电压根据实际电路输出为准，并不是完全准确无误的输出这四个电压值；下表2.1所列出的是测试需求的全部9路模拟量信号：表2.1 模拟量测试需求序号信号类型信号名称测试要求1模拟量离合器电机传感器14档，05V2模拟量离合器电机传感器24档，05V3模拟量离合器电机温度传感器4档，05V4模拟量选挡位置传感器4档，05V5模拟量换挡电机传感器4档，05V6模拟量手柄信号02档，05V7模拟量手柄信号12档，05V8模拟量手柄信号22档，05V9模拟量手柄信号32档，05V2、 开关量测试信号：开关量信号的总共测试需求是12路；下面分别说明12路开关量信号，如下表2.2所示：钥匙门开关，启动开关，倒车开关，制动踏板开关1和制动踏板开关2属于顶端开关，导通时接高电平，典型值是14V；驻车开关，驾驶员门开关，空余开关，预留档位开关1、2、3属于底端开关，导通时与TCU电路板的地连接；雪地开关的测试要求是导通时接TCU_9脚；所有的12路开关量信号的测试要求电流都是维持电流10mA；表2.2 开关量测试需求序号信号类型信号名称测试要求1开关量钥匙门开关接蓄电池或断开2开关量启动开关接蓄电池或断开3开关量倒车开关接蓄电池或断开4开关量制动踏板开关1接蓄电池或断开5开关量制动踏板开关2接蓄电池或断开6开关量驻车开关接地或断开7开关量驾驶员门开关接地或断开8开关量空余开关接地或断开9开关量雪地开关接TCU 9脚或断开10开关量预留档位开关1接地或断开11开关量预留档位开关2接地或断开12开关量预留档位开关3接地或断开3、 频率量（PWM）测试信号：频率量（PWM）测试信号总共有2路：发动机转速传感器和输入轴转速传感器，这两路信号都是模拟汽车上的转速传感器信号，然后发送给TCU，TCU负责采集脉冲信号的频率，转速传感器发送的信号是脉冲量，典型值5V，频率范围是08KHz；表2.3 频率量（PWM）测试需求序号信号类型信号名称测试要求1频率量（PWM）发动机转速传感器5V脉冲信号，08KHz2频率量（PWM）输入轴转速传感器5V脉冲信号，08KHz4、 继电器负载：继电器负载测试需要在测试设备内部安装实际的继电器，按照测试需求安装在测试电路板上，继电器的控制端与TCU管脚连接，实际的控制信号由TCU发出，TCU还要负责检测继电器的动作是否准确；表2.4 继电器负载测试需求序号信号类型信号名称测试要求1继电器负载备用继电器1外部12V上拉（200mA继电器）2继电器负载DiagLampLS外部12V上拉（200mA继电器）3继电器负载备用继电器2外部12V上拉（200mA继电器）4继电器负载FaultBuzzerLS外部12V上拉（200mA继电器）5、 CAN总线接口：CAN (Controller Area Network) ，即控制器局域网，属于现场总线。CAN是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。它是由德国博世公司在上个世纪八十年代专门为汽车行业开发的。CAN具有高性能、高可靠性和独特的设计等优点，目前，CAN已经被广泛的应用于很多工业领域。本论文设计的测试系统与待测的AMT_TCU之间的通信采用CAN通信的方式，需求如下表2.5。表2.5 CAN接口需求TCU管脚号名称电参数60CAN_A_L符合ISO11898标准61CAN_A_H62CAN_A_SHLDCAN_A屏蔽线58CAN_B_L59CAN_B_H63CAN_B_SHLDCAN_B屏蔽线2.2 测试系统整体结构设计在上一节中已经说明了每个TCU需要测试的信号，包括模拟量，开关量，频率量（PWM），继电器负载，CAN通信等；也就是说，每一台TCU都要经过每一个信号的检测，并且测试结果完全符合要求才能说明这台TCU是通过了测试，符合设计需求；但是每个设备一次只能测试一台TCU，而每台TCU的测试可能都要花费十几分钟甚至是更长的时间才能测试通过，这样就大大降低了工作效率，如果一批测试样品有很多的话就要花费很长的时间才能测试完成，会造成人员和设备的浪费，所以针对这一问题我们设计了这套自动测试系统，可以同时测试十台TCU，大大提高测试的效率，并且结果稳定准确，真实可靠。图2.2 测试系统整体结构下面先介绍系统的整体结构，如上图2.2所示：整个测试系统由两个测试机柜（A和B）组成，两套测试机柜是完全相同的；每套机柜主要由三部分组成：一台Agilent程控电源，一台PC机，五台测试设备（负载箱）。每台机柜可以同时测试五台AMT_TCU，这就大大提高了测试的效率，节省工作时间。为了保证测试的一致性，属于同一机柜的五台测试设备发出的待测信号是完全相同的，即五台TCU是在相同的负载环境下工作。另外，如果测试时不需要同时测试五台TCU，测试系统会自动检测到哪台设备正常连接了TCU，由试验人员决定对需要测试TCU进行检测。（1） Agilent程控电源：图2.3 安捷伦电源N8756AAgilent程控电源负责TCU的供电，电源的输出先通过电缆输送给测试设备，再由测试设备内部转接到测试设备与TCU连接的线束上，从而为TCU正常工作提供电源；同时，程控电源的输出电压数值与是否输出电压与是由PC机控制的，通信方式采用TCP/IP网络通信；每个机柜里有一台程控电源，也就是说它要负责一台机柜同时测试五台TCU的供电；选择的Agilent程控电源型号是N8756A，额定输出电压40V，输出电流125A，输出功率5000W。（2） PC机：整个测试系统的正常运行都需要PC机软件的控制，首先PC机需要发送SCPI控制命令使程控电源输出合适的电压，TCU上电后才能进行功能测试；这时PC机需要将根据测试协议编辑完成的测试命令通过CAN协议发送给测试设备（负载箱），负载箱完成相应的正确动作，TCU进行数据采集等一系列信号测试；最后从测试设备（负载箱）反馈回来的测试数据要经过PC机软件的计算，对比等处理过程从而得出TCU的工作状态是否正常，这些数据结果需要保存为文件的形式存储在PC机中，以备测试技术人员随时查看，同时还要将各信号的测试结果及TCU的工作状态实时显示在PC机软件的界面上，以便于测试人员实时监控；PC机主要是整个测试系统的软件部分。（3） 测试设备（负载箱）：测试设备（负载箱）主要是整个测试系统的硬件部分，内部配置了上一节提到的TCU所有需要测试的模拟量，开关量，频率量（PWM），继电器负载，CAN通信等的硬件输出电路，是和TCU管脚直接连接的部分；测试设备（负载箱）是整个测试系统的核心，也是本论文主要阐述的部分，在下一小节里会详细说明测试设备（负载箱）的组成和各部分的功能。2.3 测试设备（负载箱）结构设计测试设备（负载箱）负责输出TCU测试需求的所有信号，同时还要和TCU及PC机进行CAN通信传递数据；本节主要阐述负载箱的内部结构及其各部分的功能；图2.4 测试设备（负载箱）结构如图2.4所示：是测试设备（负载箱）的结构示意图；测试设备（负载箱）主要包括：主控电路板（Main Control Board），负载模块，电源模块，散热风扇，EDAC接口，程控电源供电接口，市电供电接口；下面分别具体介绍每个模块的功能及工作原理；（1） 主控电路板（Main Control Board）主控电路板是整个测试负载箱的核心组成部分，主要负责为TCU输出待测试的信号，包括所有上一节需求分析的模拟量，开关量，频率量（PWM）及CAN通信；主控电路板的输出接口与负载箱后面板上的EDAC线束连接，从而将输出的待测信号通过EDAC接口发送给TCU进行检测；本论文设计的主控电路板选用的核心芯片是英飞凌公司生产的TriCore系列的32位微控制器TC1767，TC1767负责控制各信号的输出，包括模拟量9路，开关量12路，频率量（PWM）2路和CAN通信部分，其中CAN通信包括两个方向：分别是负载箱与PC机通信和负载箱与TCU通信。具体的主控电路板上的各模块信号输出电路会在下一章里进行详细的阐述，这也是本论文设计的核心内容。（2） 电源模块图2.5 测试设备（负载箱）电源模块负载箱的前部有一个电源模块，它的任务是为主控电路板上的各个信号模块及TC1767的正常工作提供电源。负载箱电源模块的供电来自市电220V，50Hz，首先经过变压器降压变换成四路18V交流电，再通过整流滤波最终输出主控电路板需要的12V和5V直流电源；在设计时为了保证系统的稳定性，设计了备用电源，负载箱电源模块一共设计输出4路12V电源和4路5V电源，任意两路之间都是隔离电源。（3） 散热风扇由于负载箱工作时是比较密闭的状态，所以内部的所有元器件和负载产生的热量不能迅速散发出去，在长时间测试的情况下，热量越聚集越多，那么机箱内部的温度会达到很高，元器件的温度会更高，这样可能会导致元器件的使用寿命迅速下降甚至直接损坏，而负载箱就无法正常工作了；针对这一潜在的问题，我们在负载箱内部设计了三个散热风扇，其中两个在负载箱的前部，一个在负载箱的后部；工作时整个负载箱的通风道是从前向后，形成这样一个通风道以后，工作时负载箱内部产生的热量就能及时的被输送到外部，保持负载箱内部的温度在正常的范围内，从而有效地保护元器件。（4） EDAC连接器EDAC连接器安装在整个负载箱的后面板上，它负责将所有的TCU管脚连接至负载箱内部，是TCU与负载箱的连接器件；线束内部包括为TCU供电的电源线，CAN通信线，模拟量信号线，开关量信号线，频率量信号线，继电器负载信号线，模拟电机负载信号线等。图2.6 EDAC线束连接器（5） 程控电源供电接口每个机柜里配置有一个程控电源，它负责该机柜连接的五台TCU的供电工作；程控电源的输出端口先通过负载箱的后部的供电接口接入负载箱，然后直接连接至EDAC接口，从而为TCU工作提供电源。（6） 市电供电接口市电供电接口在负载箱的最后，通过标准的电源线连接至市电220V，50Hz。（7） 负载模块负载模块在负载箱内部占有很大的空间，负载模块主要由两部分组成：继电器负载和模拟电机负载；继电器负载采用的是实际的车载继电器，共4个；模拟电机负载采用的是电抗器模拟，共3个。负载模块相对简单一些，只需要把相应的负载接口连接至EDAC，负载的控制由TCU完成。第三章 TCU测试信号硬件解决方案第三章 TCU测试信号硬件解决方案3.1 主控电路板（Main Control Board）本论文核心设计部分是TCU测试信号的输出原理，即上一章阐述过的主控电路板（Main Control Board）；但是在第二章里只是简单介绍了主控电路板的结构组成，并没有详细介绍各组成部分的具体电路设计及功能实现的原理，本章的主要内容就是详细说明主控电路板的各组成模块，包括具体电路设计，即针对TCU测试信号的最终硬件解决方案。本章的叙述结构：首先整体介绍主控电路板的结构，然后分别介绍各功能模块的设计方案，分别是核心芯片TC1767，模拟量输出模块，开关量输出模块，频率量（PWM）输出模块，继电器负载模块，电机负载模块和CAN通信模块。图3.1 主控电路板结构图3.2 隔离电源电路首先，从整体的角度介绍主控电路板。上图3.1是主控电路板的结构图：从图中可以看出，整个电路板的供电都来自负载箱内部的电源模块，主要是12V和5V两种直流电源；TC1767的供电采用英飞凌公司生产的电源芯片TLE7368，它输出TC1767正常工作所需要的5V，3.3V和1.5V直流电源；同时主控电路板上还有3个隔离电源，它们的规格都是5V，2W；这三个隔离电源分别为CAN通信模块，模拟量模块，频率量（PWM）模块和开关量模块提供电源，其中频率量和开关量两个模块共用同一个隔离电源；有了上述的TLE7368电源模块和三个隔离电源模块，整个主控电路板就可以正常工作了。测试时，主控电路板通过CAN通信接收到PC机发出的测试命令，根据通信协议，主控电路板输出准确且稳定的测试信号通过线束发送给TCU，供TCU进行检测；TCU将测试结果再通过CAN通信发送给主控电路板，再由主控电路板将接收到的所有TCU测试数据整理打包全部返回给PC机，PC机对这些测试数据进行计算和分析，从而判断TCU的功能是否正常。下图3.3是主控电路板的PCB设计图：图3.3 主控电路板PCB设计图3.2 TC1767核心芯片从上一节的叙述可以看出，整个主控电路板的核心控制是由芯片TC1767完成的，所以详细了解TC1767的性能参数是我们选择由它来承担主控电路板的核心控制工作的前提。下面就先介绍微控制器TC1767的基本信息和性能参数。图3.4 微控制器TC1767实物图TC1767是由全球领先的半导体公司英飞凌（Infineon）科技设计并生产的，英飞凌科技公司于1999年4月在德国慕尼黑成立，其前身是德国西门子集团的半导体部门，1999年独立，2000年上市。英飞凌（Infineon）科技专注于迎接现代社会的三大科技挑战：高能效性、移动性和安全性，为汽车和工业功率器件、芯片卡和安全应用提供半导体和系统解决方案。英飞凌科技的产品以高可靠性、卓越质量和创新性著称，并掌握着模拟和混合信号、射频、功率以及嵌入式控制领域的尖端技术。AUDO（汽车统一处理器）家族是英飞凌科技公司生产的一系列可处理非常复杂算法的 32 位 TriCore微控制器。TriCore是针对嵌入式实时系统进行优化的微控制器。它拥有一个超标量处理器，能够同时执行多种指令；它能执行复杂的操作，命令集中包括可用于复杂算法的特别数学函数；它拥有高速传输速率；它有针对具体应用的高效接口功能；它的工作温度范围在-40170。TC1767 属于 AUDO 家族中的 AUDO FUTURE 系列产品。AUDO FUTURE 系列微控制器采用 TriCore 内核，紧密结合了微控制器功能、数字信号处理功能、以及行业最高密度闪存。其出色的性能表现和高集成度令其成为下一代混合动力引擎的理想选择。TC1767 是 AUDO FUTURE 产品家族中专门为汽车应用而设计的价值优化成员。TriCore系列CPU 具有 133MHz 的时钟频率，同时将高端微控制器的性能与先进的数字信号处理能力结合起来。最主要的是，快速中断响应时间确保了中断驱动系统的低延迟和低性能开销。TC1767微控制器具有 2M字节的嵌入式闪存；128K字节 的 RAM；8 路 DMA 通道；88路通用数字 I/O 口；32路A/D 转换通道；2路CAN 通信节点，在嵌入式实时汽车应用中有着很高的性价比。TC1767 在 AUDO FUTURE 产品家族中属中等规模产品，TC1767有着从非常高端到非常低成本的宽广应用领域，并且因为拥有广泛的支持工具，该系列产品的开发也有很大的灵活性和便捷性。在欧洲，有二分之一的车辆采用英飞凌（Infineon）的微控制器；在全球范围，有三分之一的车辆使用英飞凌（Infineon）的微控制器设计引擎和变速箱控制系统。这说明TriCore 系列微控制器已成为汽车电子领域最为成功的微控制器之一，它被五十多个汽车品牌选用。基于英飞凌（Infineon）科技的雄厚技术实力，TC1767的强大性能，广泛的应用以及便捷的开发工具，选择TC1767作为我们的核心芯片是最理想的，实际的试验测试也证明了这一点。图3.5 TC1767工作流程图3.5是TC1767的工作流程图，测试开始后，首先是PC机通过CAN1通信向TC1767发送测试命令，测试命令是根据CAN通信协议编译的；接收到测试命令后，TC1767需要根据通信协议翻译成可用于执行的程序代码，然后将控制信号或者通信信号发送至信号生成模块或者CAN2通信模块。控制信号生成模块输出测试所需的模拟量，开关量和频率量（PWM）信号，再由TCU进行检测，TCU将测试结果通过CAN2通信发送给TC1767，TC1767接收到测试数据之后，立即整理打包全部返回给PC机，PC机通过对这些测试数据进行计算和分析从而判断出TCU的功能是否正常。3.3 模拟量输出解决方案模拟量信号测试需求共9路，其中4路手柄信号的要求电流输入能力是2mA,其余的5路模拟量信号的要求电流输入能力是1mA；针对这一情况，设计的9路模拟量信号电流输出能力都是2mA以上，保持一致。同时，每一路模拟量的要求电压输出范围都是05V，离合器电机传感器1，离合器电机传感器2，离合器电机温度传感器，选挡位置传感器和换挡电机传感器5路模拟量要求的输出电压数值大小共分为4档：0V，1.5V，3.3V，5V；4路手柄信号要求的电压输出数值大小共分为2档：1.6V和3.3V。根据电路的输出特性，很难做到准确无误的输出给定的电压值，同时TCU检测模拟量的信号时也并不是必须要这4个电压值，只是4个有一定间隔的模拟量电压值即可，要测试的是TCU采集模拟量电压值的准确性，并不要求采集模拟量电压的绝对值，所以在设计模拟量输出电路时，对模拟量输出的4个绝对电压值没有刻意要求。但是对这9路模拟量的输出一致性做了一定的要求，在选择电子元器件时，必须保证所使用的电子元器件是同一个生产商生产的同一批次产品，并且在电路调试过程中使用高精度的电压表进行校准检验。图3.6 模拟量输出隔离方案图3.7 TLP521实物图图3.8 光耦隔离电路图3.6是模拟量信号输出模块与TC1767核心芯片的电源隔离示意图；这两个模块的供电分别来自不同的隔离电源，具体所使用的隔离电源已经在3.1节中详细阐述，这里不再赘述。图3.6主要说明的是控制信号的传递是通过开关光耦TLP521完成的。由于TC1767向模拟量输出模块发送的控制信号是I/O口高低电平信号，而且控制信号的变化频率不高，所以本论文选用开关光耦TLP521即可完全满足设计需求，TLP521是可控制的光电藕合器件，集电极-发射极电压：55（最小值），隔离电压：2500Vrms（最小），开启时间和关断时间可达到3微秒。如图所示：工作时，TC1767发送控制信号（P2.12），经过光耦隔离传递后，控制信号（ANA1）到达模拟量输出模块，控制输出电路产生正确的模拟量信号。下面继续说明具体的模拟量输出电路。由于9路模拟量输出的电压值要求档数有所不同，分为4档和2档两种，所以在设计模拟量输出电路时也采用了两种解决方案。下面分别介绍2档手柄信号模拟量输出电路和4档模拟量输出电路。（1）2档手柄信号输出由于手柄信号的输出电压要求只有2档，所以我们选用NIF5002N单通道开关来设计手柄信号输出电路。图3.9是NIF5002N的实物照片，NIF5002N最大导通电流2A，导通电阻165m，VDSS最大42V，完全可以满足测试电路设计需求。如图所示，这里以手柄信号0为例说明，因为4路手柄信号的输出电路都是完全相同的。手柄信号对应的TCU管脚是TCU-33脚，通过线束连接模拟量输出电路和TCU。整体电路为串联分压电路，TCU内部已经焊接了一个2.7k的电阻，所以在模拟量输出电路部分只需要切换两种不同的电阻值与2.7k匹配即可输出测试需求的手柄信号。如图3.10所示：NIF5002N（WL10）的控制端信号ANA1是由TC1767发出的，TC1767输出高低电平控制NIF5002N（WL10）的导通和断开，当ANA1为高电平时，开关NIF5002N导通，Pin2，Pin4与Pin3相连接地，从而决定图3.10中R99和R126 2个电阻是否连接到电路中，同时可以改变与TCU内部的2.7k分压的电阻值，进而达到改变手柄信号的测试要求，最后由TCU内部的电压采集模块采集手柄信号，并将采集值返回给PC进行检验判断。图3.9 NIF5002N图3.10 手柄信号模拟量输出电路（2）4档模拟量输出4档模拟量输出电路设计方案采用CD4051 8通道数字控制模拟电子开关，它有A、B和C 3个控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和低截止漏电流。当INH =“1”时，所有的通道截止。只有当INH=“0”时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他情况下可以接地。下表3.1是CD4051的管脚名称及其功能说明：表3.1 CD4051的管脚名称及功能CD4051引脚号管脚名称管脚功能1 2 4 5 12 13 14 15IN/OUT输入/输出端9 10 11A B C地址端3OUT/IN公共输出/输入端6INH禁止端7VEE负电压端8Vss数字信号接地端16VDD电源+表3.2 CD4051逻辑输出真值表输入管脚状态输出管脚INHCBA0000Pin130001Pin 140010Pin 150011Pin 120100Pin 10101Pin 50110Pin 20111Pin 40XXXNone图3.11 CD4051实物图图3.12 4档模拟量输出电路如图3.12所示为4档模拟量输出电路设计方案，输出控制信号来自TC1767，即图3.12中的ANA6_1，ANA6_2和ANA6_3。控制信号与CD4051的3个逻辑输入端相连，CD4051的INH控制端直接接地，根据上表3.2可知，不同的A，B，C输入即可控制开关的输出状态。所以我们设计了3种不同的电阻连接至CD4051的3个输出通道，电路工作时，R229单独与R211分压，R229和3个通道的电阻分别并联再与R211分压，这样就可以产生测试所需要的4档模拟量。图3.12中的电阻数值时根据测试需求计算，并结合实际厂家生产的电阻型号确定的。TCU_18和TCU_19通过线束与相应TCU管脚连接，TCU_18是TCU内部的模拟量供电，TCU_19是TCU内部的模拟量检测端口。图3.12说明的只是1路4档模拟量输出电路设计方案，由于5档模拟量输出需求相同，所以每一路的电路设计方案也是相同的，这里也不再赘述。3.4 开关量输出解决方案开关量输出需求共12路，其中包括5路顶端开关，6路底端开关，1路雪地开关。雪地开关对应的是TCU_9管脚，测试需求是接地，所以设计电路时直接将该管脚与开关量地GND_S连接即可。本节主要介绍顶端开关和底端开关的电路设计方案。图3.13 开关量输出隔离方案图3.13是开关量输出的电源隔离方案，与上一节中的模拟量输出隔离方案相同，也是采用光耦隔离TC1767的控制信号。图3.14 光耦隔离电路图3.14是光耦隔离电路，左侧是核心芯片TC1767，右侧是开关量输出模块；控制信号P5.11经过光耦传递后转换为SWITCH1信号发送到开关量输出模块，从而控制开关量的输出。图3.15 底端开关量输出电路图3.15是底端开关量输出电路图，选用的开关芯片是NIF5002N。SWITCH1信号为高电平时，NIF5002N内部导通，Pin2与Pin3内部连接，开关量输出处于接地（GND_S）状态。SWITCH1为低电平时，NIF5002N内部断开，Pin2与Pin3断开，开关量输出处于断开状态。从而输出测试需求的底端开关量接地或断开两种状态。图3.16 IPS511G实物图IPS511G是我们选用的顶端开关芯片。导通电阻Rds(on) 最大值150m (max)，Vclamp 50V，最大电流ILimit 5A，满足电路设计要求。图3.17 顶端开关量输出电路图3.17是顶端模拟量输出电路设计方案。