- 機(jī)動(dòng)車電源設(shè)計(jì)的常規(guī)限制
- 車載硬件電源設(shè)計(jì)
- 嵌入式工控機(jī)的系統(tǒng)功能
- 啟動(dòng)和關(guān)閉過程是由車載電池狀態(tài)和點(diǎn)火狀態(tài)直接控制
- 配有電涌保護(hù)器，使其免受電壓峰值造成的損壞
上述車載系統(tǒng)需要一套復(fù)雜的電源管理方案。新一款專為車載應(yīng)用設(shè)計(jì)的研華ARK-1388嵌入式工控機(jī)，能夠通過基于微控器的硬件和軟件來提供給不同客戶，非常彈性的安全啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間設(shè)定。而啟動(dòng)和關(guān)閉過程是由車載電池狀態(tài)和點(diǎn)火狀態(tài)直接控制。此外，ARK-1388可以同時(shí)支持12V和24V車載電池系統(tǒng)。這款新型電源管理系統(tǒng)主要適用于出租車、貨車、礦車和公交車。
電源管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
不論在什么條件下工作，機(jī)動(dòng)車的電氣系統(tǒng)都必須滿足苛刻的電源要求，如負(fù)載突降、冷啟動(dòng)、以及待機(jī)時(shí)必須低功耗等。怎樣才能避免交換機(jī)充電時(shí)電池電纜斷開引起的負(fù)載突降？怎樣才能在電壓突然過高或過低時(shí)保護(hù)電氣系統(tǒng)，如內(nèi)置車載空調(diào)？怎樣才能保證車載設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性？下面將作解釋。
機(jī)動(dòng)車電源設(shè)計(jì)的常規(guī)限制
如12V電池電源線的電壓瞬變范圍（VIN）非常寬廣，小至6V，，大至87V。典型的車載電力系統(tǒng)的工作電壓范圍往往只有在9V~16V。引擎關(guān)閉時(shí)電池的正常額定電壓為12V，啟動(dòng)時(shí)為14.4V。但是，這個(gè)范圍在瞬變狀態(tài)時(shí)很容易擴(kuò)大到80V峰值以上。
圖1：模擬輸入電壓
由于車載電子控制單元（ECUS）急劇增加，車載電池的總電流也隨之增加，這就影響到靜態(tài)（IQ）和關(guān)閉（ISD）電流預(yù)算。引擎關(guān)閉時(shí)仍有一些電氣系統(tǒng)單元在運(yùn)行，這也會(huì)損耗電池。為了控制靜態(tài)（IQ）電流預(yù)算，大多數(shù)用戶設(shè)置了單個(gè)ECUIQ的最大值。CAN收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控器等設(shè)備可消耗ECU的多數(shù)IQ預(yù)算，因此電源的IQ預(yù)算可降到最低。ARK-1388通過微控器監(jiān)視車載電源狀態(tài)，因此休眠模式時(shí)功耗可低于10mA。
為了解決上述問題，設(shè)計(jì)師過去不得不采用獨(dú)立的車載電源模塊將電子設(shè)備連接到車載電源系統(tǒng)。這種多為客制化的外置模塊在受到?jīng)_擊和振動(dòng)時(shí)容易損壞，因此削弱了車載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
這種附加模塊還給制造商帶來了額外開支，且占據(jù)了車輛空間。而研華產(chǎn)品采用整合化方案，且具有硬件電源保護(hù)和軟件智能監(jiān)控功能，因此可保證安全啟動(dòng)和關(guān)閉。
測(cè)試通過ISO7637認(rèn)證
ISO-7637-2:2004標(biāo)準(zhǔn)指定測(cè)試了客車以及安裝12V或24V電氣系統(tǒng)的商用車輛中設(shè)備的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的兼容性?？顾矐B(tài)失效程度的等級(jí)也有定義。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有安裝電氣系統(tǒng)的道路車輛，不受推進(jìn)模式的約束。
ISO-7637標(biāo)準(zhǔn)附件2中說明了車輛電子設(shè)備功能狀態(tài)的區(qū)分方法。不同的測(cè)試條件說明了可能存在的系統(tǒng)工作環(huán)境。功能狀態(tài)分為幾類，相應(yīng)的失效機(jī)制也有所不同。選擇的測(cè)試等級(jí)和測(cè)試時(shí)間可根據(jù)研華公司和車輛制造商的約定定義。
ARK-1388嵌入式工控機(jī)已測(cè)試適用于12V和24V電池系統(tǒng)。一種測(cè)試是電源斷開電感負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)模擬。一種測(cè)試是模擬由于連接電汽配線電感在測(cè)試裝置并聯(lián)設(shè)備中產(chǎn)生的電流突然中斷。還有一種測(cè)試是點(diǎn)火裝置關(guān)閉后DC發(fā)動(dòng)機(jī)充當(dāng)動(dòng)力時(shí)的瞬態(tài)模擬。模擬轉(zhuǎn)換過程的結(jié)果表明，瞬態(tài)可能發(fā)生，并受分布電容和連接電汽配線電感的影響。
若沒有定義具體值，建議使用I~IV欄的等級(jí)。ARK-1388通過適用于12V和24V系統(tǒng)的測(cè)試等級(jí)III；各個(gè)測(cè)試脈沖的詳細(xì)規(guī)格請(qǐng)參考ISO-7637-2認(rèn)證。
圖2：ISO-7637-2中用于12V/24V系統(tǒng)的測(cè)試等級(jí)
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研華硬件電源設(shè)計(jì)
車載電源保護(hù)機(jī)制可檢查和監(jiān)控多種系統(tǒng)狀態(tài)，并發(fā)出故障警報(bào)。
電源保護(hù)機(jī)制可防止設(shè)備可能遭受反極性造成的損壞。即使電池裝反了，或者DC電源接反，該機(jī)制也可使DC供電設(shè)備正常工作。
設(shè)備還配有電涌保護(hù)器，使其免受電壓峰值造成的損壞。若電壓超過安全值，該機(jī)制會(huì)通過地面抑制或短接電壓調(diào)節(jié)電氣設(shè)備的電壓。
冷啟動(dòng)是機(jī)動(dòng)車環(huán)境應(yīng)用中的突出問題。車輛引擎遇冷或凍結(jié)一段時(shí)間后，機(jī)油會(huì)變得很黏，需要發(fā)動(dòng)機(jī)增大輸出扭力，進(jìn)而增大電池電流。這個(gè)高電流負(fù)載可將點(diǎn)火時(shí)的電池電壓降到6V，然后再返回額定電壓13.8V（典型）。但是某些子系統(tǒng)要求整個(gè)冷啟動(dòng)過程中的電壓恒定為5V，這時(shí)問題就會(huì)產(chǎn)生。這包括ECU、環(huán)境和應(yīng)急系統(tǒng)微處理器等與車輛安全和性能息息相關(guān)的應(yīng)用。
研華的理想電源方案還支持負(fù)載突降。電池電纜斷開時(shí)，若交換機(jī)在充電，而電路上還有其它電流負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)載突降。引擎運(yùn)行時(shí)可能由于電纜腐蝕，連接不穩(wěn)定或故意斷開而切斷電池。交換機(jī)充電時(shí)若電池突然斷開，瞬時(shí)電壓峰值可高達(dá)80V。這種情況下多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能會(huì)崩潰。負(fù)載突降幅值取決于電池?cái)嚅_時(shí)交換機(jī)的速率和當(dāng)前集電量。而負(fù)載突降脈沖持續(xù)時(shí)間主要取決于當(dāng)前集電電路的持續(xù)時(shí)間和脈沖幅值。多數(shù)新交換機(jī)的負(fù)載突降幅值受附加限制二極管的限制。
研華軟件電源設(shè)計(jì)
除了硬件電源管理功能，研華產(chǎn)品還具有軟件智能監(jiān)控特性。安裝的微控器可穩(wěn)定車載電源系統(tǒng)。用戶友好的實(shí)用程序接口可允許用戶自行設(shè)置時(shí)序和電壓。例如，延遲時(shí)間的多組電源可通過實(shí)用程序和硬件跳線進(jìn)行設(shè)置。覆蓋設(shè)置時(shí)將發(fā)出報(bào)警提示。
用戶可通過跳線將電源設(shè)置為“車輛模式”或“ATX模式”。設(shè)置為“車輛模式”時(shí)，基于微控器的PIC軟件會(huì)檢查車輛的點(diǎn)火和電池狀態(tài)。系統(tǒng)啟動(dòng)前，軟件會(huì)自動(dòng)判斷電池類型，并檢查閥值電壓為12V還是24V。若電池電壓足夠啟動(dòng)系統(tǒng)，軟件會(huì)檢查點(diǎn)火狀態(tài)。實(shí)用程序中設(shè)置的點(diǎn)火電壓很高，如8V以上。軟件會(huì)確保計(jì)算系統(tǒng)在點(diǎn)火打開前不自動(dòng)啟動(dòng)。進(jìn)行點(diǎn)火打開和關(guān)閉切換時(shí)，系統(tǒng)電源會(huì)順利啟動(dòng)。穩(wěn)定電壓的時(shí)序狀態(tài)可按默認(rèn)值設(shè)置，如10s以后。若電壓在設(shè)定值后沒有穩(wěn)定下來，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PIC軟件會(huì)持續(xù)監(jiān)控電池電壓狀態(tài)。若電量不足，驅(qū)動(dòng)會(huì)接到通知，然后系統(tǒng)會(huì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉。
PIC軟件也會(huì)檢查點(diǎn)火狀態(tài)。車輛點(diǎn)火裝置關(guān)閉后，操作系統(tǒng)會(huì)延遲關(guān)閉，待數(shù)據(jù)保存好后徹底關(guān)閉。延遲時(shí)間為30s（斷電延遲）~180s（硬斷電延遲），取決于軟件設(shè)置。若系統(tǒng)由于某種原因不能順利關(guān)閉，硬斷電延遲設(shè)定將確保數(shù)據(jù)自動(dòng)強(qiáng)制進(jìn)入待機(jī)模式，避免車上電池電力被耗盡，造成車子無法開動(dòng)。
研華嵌入式工控機(jī)管理器提供XP/XPe環(huán)境下的用戶友好接口；根據(jù)需要顯示電源電壓準(zhǔn)位、點(diǎn)火和電池狀態(tài)；根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)節(jié)最小電壓；根據(jù)應(yīng)用目的延遲啟動(dòng)/關(guān)閉時(shí)序；并可通過UI信息或郵件給服務(wù)器發(fā)出警報(bào)。
嵌入式工控機(jī)的系統(tǒng)功能
研華電源管理方案基于功能強(qiáng)大、靈活的嵌入式工控機(jī)產(chǎn)品線，特別適合多樣化、苛刻的車載環(huán)境應(yīng)用。嵌入式嵌入式工控機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、被動(dòng)冷卻和散熱有效。IMS調(diào)查報(bào)告顯示，嵌入式工控機(jī)在以后幾年內(nèi)形勢(shì)最好的市場(chǎng)在于交通和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域。嵌入式堅(jiān)固型嵌入式工控機(jī)憑借其實(shí)用性、抗振性以及惡劣環(huán)境應(yīng)用的適用性,使這種趨勢(shì)更加明朗。數(shù)字看板和客戶信息系統(tǒng)是目前嵌入式工控機(jī)的流行應(yīng)用。
研華嵌入式工控機(jī)是運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的緊湊、堅(jiān)固型計(jì)算機(jī)，如Windows?CE、Windows?XPe或LinuxEmbedded。
嵌入式工控機(jī)大大改善了惡劣環(huán)境應(yīng)用的性能。工業(yè)電腦沒有整合硬盤或旋轉(zhuǎn)組件，因此抗沖擊和抗振性比較高。無風(fēng)扇IPC設(shè)計(jì)、鋁質(zhì)外殼以及有限的內(nèi)部接線，保證了多應(yīng)用的高可靠性。由于散熱性能良好，工業(yè)電腦專用于戶外和機(jī)動(dòng)車應(yīng)用。研華提供具有可擴(kuò)展計(jì)算和I/O性能、功能完善的ARK嵌入式工控機(jī)。
新型ARK-1388嵌入式工控機(jī)屬于超緊湊型ARK-1300系列，特別適用于空間有限的應(yīng)用。低功耗計(jì)算機(jī)方案整合了Intel?CeleronMULV423或Intel?CoreTM2DuoU7500處理器（帶1.06GHZ時(shí)鐘頻率），Intel?82945GM芯片組，以及板載2GBDDR2內(nèi)存。
嵌入式工控機(jī)電腦提供了靈活的GSM/GPRS/EDGE或UMTS/HSDPA模塊安裝空間，并具有50通道GPS功能，便于整合特別的導(dǎo)航模塊。該產(chǎn)品符合802.11b/gWLAN規(guī)格，可以進(jìn)行無線LAN通信。前面板還帶有VGA和18/36-bitLVDS接口，便于連接顯示屏或觸摸屏。ARK-1388支持雙獨(dú)立顯示，分別適用于駕駛員和乘客。此外，設(shè)備還帶有4個(gè)USB2.0接口、4個(gè)串行端口、4個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入接口和2個(gè)帶繼電器的數(shù)字輸出接口。為了娛樂和客戶信息起見，ARK-1388音頻輸出接口通過一個(gè)6W立體聲左右通道擴(kuò)音器，有助于克服噪音問題。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過CF卡可高達(dá)8GB。
研華嵌入式工控機(jī)ARK-1388可在-20°C~60°C寬溫條件下正常工作（Intel?CeleronM處理器），或者高達(dá)55°C（Intel?Core2DuoCPU），并支持9V~32V寬泛電源輸入。
針對(duì)車載應(yīng)用，ARK-1388可控制媒介和信息系統(tǒng)，通過UMTS/HSDPA或GSM/GPRS/EDGE下載數(shù)據(jù)。工業(yè)電腦還整合了能夠監(jiān)視車輛引擎和電池狀態(tài)的電源控制機(jī)制。啟動(dòng)/關(guān)閉延遲時(shí)序可通過實(shí)用程序快速設(shè)置。
圖3：ARK-1388車載嵌入式工控機(jī)
研華整合化方案取代了外部電源管理模塊，并保證了車載應(yīng)用的穩(wěn)定性。緊湊型ARK-1388嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)不僅節(jié)省空間，還避免了額外開支。其工業(yè)電腦規(guī)格支持寬溫工作，并抗沖擊和抗振動(dòng)，是車載應(yīng)用的理想選擇。
