利用高壓看門狗定時(shí)器高效管理汽車系統(tǒng)

汽車設(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、方向盤控制，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)或乘客至于危險(xiǎn)處境，至少能夠使汽車“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)，為確保汽車的安全行駛需要利用監(jiān)控電路開啟備份電路，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)。剎車系統(tǒng)則將作用在踏板上的壓力通過(guò)剎車軸、剎車總泵、液壓管傳送到制動(dòng)鉗。離合器和油門只是簡(jiǎn)單地受控于連接在踏板上的一條鋼纜。方向盤通過(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)輔助剎車系統(tǒng)、離合器、油門或操縱系統(tǒng)。當(dāng)然，也不需要考慮μC失效、控制單元短路等狀況，出現(xiàn)故障失效的因素主要是機(jī)械裝置。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)，汽車也只能被拋錨在出事地點(diǎn)，不得不求助拖車將汽車拖至維修中心。

為了提高汽車駕駛的舒適度和便利性，汽車制造商需要為汽車提供電子裝備，已獲得更高效率、更清潔的環(huán)境以及更高的汽車行駛安全性。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MCU開始配備“跛行回家”管理模式。

跛行回家管理模式

“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)立的一部分電路，可以從待機(jī)模式下開啟進(jìn)入失效保護(hù)狀態(tài)。這一模式允許汽車在發(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)控器件將開啟“跛行回家”控制模式。例如，當(dāng)汽車引擎故障燈點(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動(dòng)汽車，借助剛好支持汽車行駛的能量將汽車開回家或開到汽車維修中心。

另外一個(gè)好的案例是新型汽車中的“車身控制計(jì)算機(jī)”，能夠控制車窗升降、前車燈/尾燈、轉(zhuǎn)向燈以及擋風(fēng)玻璃的雨刷、汽車的自動(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，例如：降低遠(yuǎn)光燈、尾燈/剎車燈的亮度，或者只保持第二檔行駛。當(dāng)然，這種狀況下限制了汽車的最高速度，但汽車仍然保持工作，能夠以“跛行回家”模式安全行駛，把車開到維修廠。

冗余

計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用稱為“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)替代了方向盤到車輪之間的所有機(jī)械單元。司機(jī)移動(dòng)的方向盤位置將被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電子信號(hào)，傳送給智能化機(jī)電傳動(dòng)裝置，最終控制車輪動(dòng)作。

電控剎車裝置也采用汽車計(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軸、剎車總泵等單元。一般意義上講，這些系統(tǒng)對(duì)安全性的要求更高，因而對(duì)故障容限的要求也更高。

工程師在這些應(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)，必要時(shí)可靠地切換到備份系統(tǒng)。

高壓看門狗的優(yōu)勢(shì)

考慮到安全性問(wèn)題，汽車電子系統(tǒng)需要監(jiān)控電路監(jiān)測(cè)故障容限或安全性。MAX16997/MAX16998看門狗定時(shí)器可理想滿足這類需求，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)和窗式看門狗監(jiān)測(cè)功能，器件帶有看門狗觸發(fā)器輸入(WDI)，提供漏極開路μC復(fù)位輸出(RESET)和漏極開路冗余系統(tǒng)使能輸出(ENABLE)。

對(duì)于MAX16998，復(fù)位門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)火開關(guān))的狀態(tài)，在汽車啟動(dòng)后使能內(nèi)部的監(jiān)控定時(shí)器(圖2)。這時(shí)，看門狗的超時(shí)周期延長(zhǎng)到標(biāo)稱周期的8倍，為μC留出足夠的開啟時(shí)間。

圖1：MAX16998高壓看門狗定時(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)，用于開啟或關(guān)閉看門狗定時(shí)器。

可以利用外部電容(分別置于SRT和SWT輸入)獨(dú)立設(shè)置復(fù)位延時(shí)(MAX16998)和看門狗超時(shí)，看門狗窗口監(jiān)測(cè)可以由工廠預(yù)置在可調(diào)節(jié)看門狗定周期的50%或75%。

18μA(典型值)超低工作電流使得MAX16997/MAX16998在汽車ECU應(yīng)用中非常重要，因?yàn)檫@些電路始終處于開啟狀態(tài)。另外，這些器件提供3mm x 3mm、8引腳MAX封裝，確保工作在-40℃至+125℃汽車級(jí)溫度范圍。

這些IC直接采用12V汽車電池供電，可以承受高達(dá)45V的電壓瞬變(IN和ENABLE引腳)，而典型的看門狗定時(shí)器則是采用下游的低壓電源(例如，5V)供電。因此，即使在下游電路斷電或發(fā)生與地短路時(shí)，MAX16997/MAX16998也能保持工作并且安全地切換到冗余電路(通過(guò)觸發(fā)ENABLE引腳)。為了使這些器件能夠支持更高的故障容限，器件在RESET、WDI、EN和RESETIN引腳提供故障保護(hù)，能夠承受20V的電壓(圖1和圖2)。由此可以看出，這些電路也提供了一個(gè)可靠的保護(hù)屏障，避免受下游電路故障失效的影響，備份電路應(yīng)該從物理層面獨(dú)立于“常規(guī)”控制電路，發(fā)生故障時(shí)能夠安全地切換到備份模式。

MAX16997/MAX16998時(shí)序

上電后，當(dāng)RESETIN引腳電壓(VRESETIN)高于上電復(fù)位門限(VPON)時(shí)，RESET將在復(fù)位時(shí)間(tRESET)內(nèi)持續(xù)保持低電平，隨后便為高電平。同時(shí)，看門狗定時(shí)器開始計(jì)時(shí)(tWP)。如果在規(guī)定的開放時(shí)間窗口(tOW)內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生WDI觸發(fā)信號(hào)，RESET將被再次置為低電平，復(fù)位μC。如果在連續(xù)的三次觸發(fā)中，觸發(fā)信號(hào)均處于關(guān)閉窗口(tCW)或在看門狗周期(tWP)結(jié)束之后，ENABLE信號(hào)將被置低。如果在連續(xù)的三次看門狗觸發(fā)信號(hào)中，WDI觸發(fā)信號(hào)又重新回到開放的看門狗周期窗口內(nèi)(tWDI)，ENABLE將重新回到高電平，系統(tǒng)切換到正常工作模式(圖3)。

圖3：MAX16998時(shí)序圖(窗式看門狗)。

看門狗超時(shí)與窗式看門狗

MAX16997/MAX16998A提供標(biāo)準(zhǔn)的看門狗超時(shí)周期，而MAX16998B/D則提供窗式看門狗功能(圖4)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)安全等級(jí)的要求選擇不同類型的器件，調(diào)整看門狗超時(shí)確保在看門狗定時(shí)周期內(nèi)將定時(shí)器清零，否則器件將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。由此，可以利用這些看門狗檢測(cè)程序運(yùn)行的失效狀態(tài)，例如，程序運(yùn)行過(guò)緩或者是數(shù)字時(shí)鐘(例如，晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘)速率降低；而窗式看門狗則需確保定時(shí)器在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)將定時(shí)器清零，由此，它們可以檢測(cè)到一些額外的故障，例如，程序運(yùn)行過(guò)快或時(shí)鐘過(guò)快，可以支持更高的安全等級(jí)。

圖4：MAX16998看門狗定時(shí)周期(窗式看門狗)。

圖4中的第三種情況說(shuō)明了在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)觸發(fā)WDI的情況；第1種情況則是錯(cuò)誤地觸發(fā)了WDI，信號(hào)過(guò)早地觸發(fā)WDI從而產(chǎn)生故障指示，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因是程序運(yùn)行過(guò)快或振蕩器時(shí)鐘頻率加快；第2種情況也是錯(cuò)處觸發(fā)WDI的一種表現(xiàn)——看門狗觸發(fā)信號(hào)輸出延時(shí)過(guò)大，表明程序運(yùn)行過(guò)緩或振蕩器時(shí)鐘頻率變慢。

本人總結(jié)：

         故障容限和汽車安全性成為汽車電子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，為了提高汽車工作效率，改善舒適度并降低風(fēng)險(xiǎn)，需要高效管理系統(tǒng)的各個(gè)單元：硬件、軟件、傳感器、受動(dòng)裝置和操作單元。高壓看門狗定時(shí)器(如：MAX16997/MAX16998)為達(dá)到這一目標(biāo)起到了關(guān)鍵作用。