車輛分層次控制接口系統(tǒng)切換電路及可靠性設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng)   切換電路   接口系統(tǒng)   模型   抗干擾

1  引言
    車輛在行駛過程中，DYC(橫擺力矩)電路處于工作狀態(tài)，突遇緊急狀況，需要踩剎車進(jìn)行控制，此時(shí)DYC電路停止工作，ABS(防抱死系統(tǒng))電路處于工作狀態(tài)，如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路系統(tǒng)的快速高效可靠的切換，是本文研究的重點(diǎn)。

2  控制系統(tǒng)模型
    車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)模型如圖1所示:

圖1     車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)模型

    當(dāng)車輛在行駛過程中遇到緊急情況，駕駛員踩剎車，此時(shí)，為了防止車輪抱死，發(fā)生危險(xiǎn)，ABS(防抱死系統(tǒng))電路開始工作，DYC(橫擺力矩)電路停止工作;當(dāng)不踩剎車，車子行駛過程中，DYC(橫擺力矩)電路在工作中，為了防止側(cè)偏等危險(xiǎn)的發(fā)生。本文需要設(shè)計(jì)一個(gè)切換電路從而實(shí)現(xiàn)在ABS和DYC兩電路中高速瞬時(shí)切換，提高駕車的安全性。

3  接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
3.1  切換電路原理
    切換電路原理圖如圖2所示:

圖2     切換電路原理圖

    電路圖采用兩片74LS373三態(tài)門的8路鎖存器，和一個(gè)CD4069反相器構(gòu)成。上拉電阻10MΩ在不輸入電位的時(shí)候鎖存端的電位自動(dòng)保持高電位，此時(shí)輸入信號(hào)隨輸出信號(hào)變化。
74LS373 片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3所示。當(dāng)使能端G呈高點(diǎn)平時(shí)鎖存器中的內(nèi)容可更新，而在返回低電平瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如此時(shí)芯片的輸出控制端為低，也即輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門輸出。除74LS373外，84LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，但使用時(shí)接法稍有不同，由于接線稍繁、多用硬件和價(jià)格稍貴，故不如74LS373用的普遍。因此考慮到成本和電路的簡單易行性，采用74LS373 作為接口系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的主要芯片。74LS373功能表如附表。圖3示出結(jié)構(gòu)原理。

圖3     74LS373結(jié)構(gòu)原理

附表     74LS373功能表

注:L:低電平  H:高電平  X:不管 
     Z:高阻   在穩(wěn)態(tài)輸入前輸出信號(hào)電平已經(jīng)建立
3.2  電路工作原理
    車輛平穩(wěn)操縱時(shí)候，DYC(橫擺力矩)電路工作，當(dāng)踩剎車時(shí)候，信號(hào)變?yōu)?(高電平)，此時(shí)選中第一片74LS373芯片，8個(gè)輸入通道，輸出信號(hào)就使ABS電路工作，防止車輪抱死。實(shí)現(xiàn)了DYC與ABS電路之間的高速度，高可靠性的切換。

4  可靠性設(shè)計(jì)
4.1  電源的可靠性
    車載電源為蓄電池12V，而74LS373的電壓需要5V，所以在設(shè)計(jì)的過程中涉及到DC-DC的轉(zhuǎn)換。在此，選擇7805，7805是三端穩(wěn)壓器，可以轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的5V電壓。眾所周知，穩(wěn)壓電源直流輸出需要進(jìn)行濾波，開關(guān)電源的輸出噪音主要分兩類:差模噪音和共模噪音。差模噪音主要由輸出部分的開關(guān)管導(dǎo)致的，典型的由開關(guān)二極管產(chǎn)生。加LCR濾波或在二極管上串飽和磁珠能顯著的抑制這種噪音。共模噪音大量存在于隔離開關(guān)電源中，主要由輸入端的開關(guān)管產(chǎn)生。這種噪音通過開關(guān)變壓器耦合到輸出。加LCR濾波幾乎沒效果。解決這種噪音有三個(gè)方法:在輸出和輸入的地之間加個(gè)電容幾百到幾千微微法;在輸入整流之前加幾十毫亨的電源濾波電感;在開關(guān)三極管附近加電容。這里可在導(dǎo)線或電阻上套一個(gè)磁珠，相當(dāng)于功率電感起濾波作用，對高頻有抑制作用，主要是1MHz以上噪聲。
4.2  輸入輸出口可靠性設(shè)計(jì)
    可以采用光電隔離技術(shù)，主要作用:隔離不同電氣特性的電路,如模擬電路和數(shù)字電路，放大電路是模擬電路而增益控制則是數(shù)字電路，增益控制信號(hào)通過光電耦合器件傳遞控制信號(hào)，避免數(shù)字電路和模擬電路發(fā)生耦合，電力電子系統(tǒng)中使用光電隔離開關(guān)，可隔離高電壓電路，實(shí)現(xiàn)低壓電路控制高壓電路，用光電耦合器件傳遞控制信號(hào)。
4.3  PCB設(shè)計(jì)中抗干擾措施
(1) 布局
    考慮PCB尺寸大小，PCB尺寸過大、印制線條長、阻抗增加、抗噪聲能力下降、成本增加;過小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定尺寸后，確定特殊元件位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元件進(jìn)行布局。在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則:盡量縮短高頻元件間連線，設(shè)法減少分布參數(shù)和相互間電磁干擾，易受干擾元件不能挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離;某些元件或?qū)Ь€之間可能有較高電位差，應(yīng)加大它們間的距離，以免放電引出意外短路，帶高電壓元件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方;重量超過15g的元器件，應(yīng)用支架固定然后焊接，那些又大又重、發(fā)熱量多的元件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件;對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)要求，若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方，若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng);應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
(2) 元件布局
    根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則:
    按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。
    以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
    在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。
    位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200×150mm時(shí)，應(yīng)考慮所受機(jī)械強(qiáng)度。
(2) 布線:
    輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。
    當(dāng)銅箔厚度為0.05mm、寬度為l～1.5mm時(shí)，通過2A的電流，溫度不會(huì)高于3度，因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.2～0.3mm導(dǎo)線寬度。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小至5～8mm。
    印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。盡量避免使用大面積銅箔否則，長時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積飼箔時(shí)，用柵狀有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

5  結(jié)束語
    綜上所述，ABS和DYC電路之間的切換由一個(gè)反相器CD4069和兩片74LS373可以完成，電路簡單明了，效率高，價(jià)格便宜，經(jīng)測試運(yùn)行，完全符合功能要求。很好地控制了車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性。