- 機動(dòng)車(chē)電源設計的常規限制
- 車(chē)載硬件電源設計
- 嵌入式工控機的系統功能
- 啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程是由車(chē)載電池狀態(tài)和點(diǎn)火狀態(tài)直接控制
- 配有電涌保護器，使其免受電壓峰值造成的損壞
上述車(chē)載系統需要一套復雜的電源管理方案。新一款專(zhuān)為車(chē)載應用設計的研華ARK-1388嵌入式工控機，能夠通過(guò)基于微控器的硬件和軟件來(lái)提供給不同客戶(hù)，非常彈性的安全啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間設定。而啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程是由車(chē)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(chē)載電池系統。這款新型電源管理系統主要適用于出租車(chē)、貨車(chē)、礦車(chē)和公交車(chē)。
電源管理系統的挑戰
不論在什么條件下工作，機動(dòng)車(chē)的電氣系統都必須滿(mǎn)足苛刻的電源要求，如負載突降、冷啟動(dòng)、以及待機時(shí)必須低功耗等。怎樣才能避免交換機充電時(shí)電池電纜斷開(kāi)引起的負載突降？怎樣才能在電壓突然過(guò)高或過(guò)低時(shí)保護電氣系統，如內置車(chē)載空調？怎樣才能保證車(chē)載設備的穩定性和安全性？下面將作解釋。
機動(dòng)車(chē)電源設計的常規限制
如12V電池電源線(xiàn)的電壓瞬變范圍（VIN）非常寬廣，小至6V，，大至87V。典型的車(chē)載電力系統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)很容易擴大到80V峰值以上。
圖1：模擬輸入電壓
由于車(chē)載電子控制單元（ECUS）急劇增加，車(chē)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）電流預算。引擎關(guān)閉時(shí)仍有一些電氣系統單元在運行，這也會(huì )損耗電池。為了控制靜態(tài)（IQ）電流預算，大多數用戶(hù)設置了單個(gè)ECUIQ的最大值。CAN收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控器等設備可消耗ECU的多數IQ預算，因此電源的IQ預算可降到最低。ARK-1388通過(guò)微控器監視車(chē)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(wèn)題，設計師過(guò)去不得不采用獨立的車(chē)載電源模塊將電子設備連接到車(chē)載電源系統。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(chē)載系統的穩定性。
這種附加模塊還給制造商帶來(lái)了額外開(kāi)支，且占據了車(chē)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和軟件智能監控功能，因此可保證安全啟動(dòng)和關(guān)閉。
測試通過(guò)ISO7637認證
ISO-7637-2:2004標準指定測試了客車(chē)以及安裝12V或24V電氣系統的商用車(chē)輛中設備的電瞬態(tài)傳導的兼容性?？顾矐B(tài)失效程度的等級也有定義。該標準適用于所有安裝電氣系統的道路車(chē)輛，不受推進(jìn)模式的約束。
ISO-7637標準附件2中說(shuō)明了車(chē)輛電子設備功能狀態(tài)的區分方法。不同的測試條件說(shuō)明了可能存在的系統工作環(huán)境。功能狀態(tài)分為幾類(lèi)，相應的失效機制也有所不同。選擇的測試等級和測試時(shí)間可根據研華公司和車(chē)輛制造商的約定定義。
ARK-1388嵌入式工控機已測試適用于12V和24V電池系統。一種測試是電源斷開(kāi)電感負載時(shí)的瞬態(tài)模擬。一種測試是模擬由于連接電汽配線(xiàn)電感在測試裝置并聯(lián)設備中產(chǎn)生的電流突然中斷。還有一種測試是點(diǎn)火裝置關(guān)閉后DC發(fā)動(dòng)機充當動(dòng)力時(shí)的瞬態(tài)模擬。模擬轉換過(guò)程的結果表明，瞬態(tài)可能發(fā)生，并受分布電容和連接電汽配線(xiàn)電感的影響。
若沒(méi)有定義具體值，建議使用I~IV欄的等級。ARK-1388通過(guò)適用于12V和24V系統的測試等級III；各個(gè)測試脈沖的詳細規格請參考ISO-7637-2認證。
圖2：ISO-7637-2中用于12V/24V系統的測試等級
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研華硬件電源設計
車(chē)載電源保護機制可檢查和監控多種系統狀態(tài)，并發(fā)出故障警報。
電源保護機制可防止設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，該機制也可使DC供電設備正常工作。
設備還配有電涌保護器，使其免受電壓峰值造成的損壞。若電壓超過(guò)安全值，該機制會(huì )通過(guò)地面抑制或短接電壓調節電氣設備的電壓。
冷啟動(dòng)是機動(dòng)車(chē)環(huán)境應用中的突出問(wèn)題。車(chē)輛引擎遇冷或凍結一段時(shí)間后，機油會(huì )變得很黏，需要發(fā)動(dòng)機增大輸出扭力，進(jìn)而增大電池電流。這個(gè)高電流負載可將點(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）。但是某些子系統要求整個(gè)冷啟動(dòng)過(guò)程中的電壓恒定為5V，這時(shí)問(wèn)題就會(huì )產(chǎn)生。這包括ECU、環(huán)境和應急系統微處理器等與車(chē)輛安全和性能息息相關(guān)的應用。
研華的理想電源方案還支持負載突降。電池電纜斷開(kāi)時(shí)，若交換機在充電，而電路上還有其它電流負載，就會(huì )產(chǎn)生負載突降。引擎運行時(shí)可能由于電纜腐蝕，連接不穩定或故意斷開(kāi)而切斷電池。交換機充電時(shí)若電池突然斷開(kāi)，瞬時(shí)電壓峰值可高達80V。這種情況下多數計算機系統可能會(huì )崩潰。負載突降幅值取決于電池斷開(kāi)時(shí)交換機的速率和當前集電量。而負載突降脈沖持續時(shí)間主要取決于當前集電電路的持續時(shí)間和脈沖幅值。多數新交換機的負載突降幅值受附加限制二極管的限制。
研華軟件電源設計
除了硬件電源管理功能，研華產(chǎn)品還具有軟件智能監控特性。安裝的微控器可穩定車(chē)載電源系統。用戶(hù)友好的實(shí)用程序接口可允許用戶(hù)自行設置時(shí)序和電壓。例如，延遲時(shí)間的多組電源可通過(guò)實(shí)用程序和硬件跳線(xiàn)進(jìn)行設置。覆蓋設置時(shí)將發(fā)出報警提示。
用戶(hù)可通過(guò)跳線(xiàn)將電源設置為“車(chē)輛模式”或“ATX模式”。設置為“車(chē)輛模式”時(shí)，基于微控器的PIC軟件會(huì )檢查車(chē)輛的點(diǎn)火和電池狀態(tài)。系統啟動(dòng)前，軟件會(huì )自動(dòng)判斷電池類(lèi)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，軟件會(huì )檢查點(diǎn)火狀態(tài)。實(shí)用程序中設置的點(diǎn)火電壓很高，如8V以上。軟件會(huì )確保計算系統在點(diǎn)火打開(kāi)前不自動(dòng)啟動(dòng)。進(jìn)行點(diǎn)火打開(kāi)和關(guān)閉切換時(shí)，系統電源會(huì )順利啟動(dòng)。穩定電壓的時(shí)序狀態(tài)可按默認值設置，如10s以后。若電壓在設定值后沒(méi)有穩定下來(lái)，系統會(huì )自動(dòng)關(guān)閉。
系統運行時(shí)，PIC軟件會(huì )持續監控電池電壓狀態(tài)。若電量不足，驅動(dòng)會(huì )接到通知，然后系統會(huì )在設定時(shí)間內自動(dòng)關(guān)閉。
PIC軟件也會(huì )檢查點(diǎn)火狀態(tài)。車(chē)輛點(diǎn)火裝置關(guān)閉后，操作系統會(huì )延遲關(guān)閉，待數據保存好后徹底關(guān)閉。延遲時(shí)間為30s（斷電延遲）~180s（硬斷電延遲），取決于軟件設置。若系統由于某種原因不能順利關(guān)閉，硬斷電延遲設定將確保數據自動(dòng)強制進(jìn)入待機模式，避免車(chē)上電池電力被耗盡，造成車(chē)子無(wú)法開(kāi)動(dòng)。
研華嵌入式工控機管理器提供XP/XPe環(huán)境下的用戶(hù)友好接口；根據需要顯示電源電壓準位、點(diǎn)火和電池狀態(tài)；根據電池狀態(tài)調節最小電壓；根據應用目的延遲啟動(dòng)/關(guān)閉時(shí)序；并可通過(guò)UI信息或郵件給服務(wù)器發(fā)出警報。
嵌入式工控機的系統功能
研華電源管理方案基于功能強大、靈活的嵌入式工控機產(chǎn)品線(xiàn)，特別適合多樣化、苛刻的車(chē)載環(huán)境應用。嵌入式嵌入式工控機的主要優(yōu)勢在于結構緊湊、可靠性高、被動(dòng)冷卻和散熱有效。IMS調查報告顯示，嵌入式工控機在以后幾年內形勢最好的市場(chǎng)在于交通和基礎建設領(lǐng)域。嵌入式堅固型嵌入式工控機憑借其實(shí)用性、抗振性以及惡劣環(huán)境應用的適用性,使這種趨勢更加明朗。數字看板和客戶(hù)信息系統是目前嵌入式工控機的流行應用。
研華嵌入式工控機是運行嵌入式操作系統的緊湊、堅固型計算機，如Windows?CE、Windows?XPe或LinuxEmbedded。
嵌入式工控機大大改善了惡劣環(huán)境應用的性能。工業(yè)電腦沒(méi)有整合硬盤(pán)或旋轉組件，因此抗沖擊和抗振性比較高。無(wú)風(fēng)扇IPC設計、鋁質(zhì)外殼以及有限的內部接線(xiàn)，保證了多應用的高可靠性。由于散熱性能良好，工業(yè)電腦專(zhuān)用于戶(hù)外和機動(dòng)車(chē)應用。研華提供具有可擴展計算和I/O性能、功能完善的ARK嵌入式工控機。
新型ARK-1388嵌入式工控機屬于超緊湊型ARK-1300系列，特別適用于空間有限的應用。低功耗計算機方案整合了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內存。
嵌入式工控機電腦提供了靈活的GSM/GPRS/EDGE或UMTS/HSDPA模塊安裝空間，并具有50通道GPS功能，便于整合特別的導航模塊。該產(chǎn)品符合802.11b/gWLAN規格，可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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支持雙獨立顯示，分別適用于駕駛員和乘客。此外，設備還帶有4個(gè)USB2.0接口、4個(gè)串行端口、4個(gè)帶隔離的數字輸入接口和2個(gè)帶繼電器的數字輸出接口。為了娛樂(lè )和客戶(hù)信息起見(jiàn)，ARK-1388音頻輸出接口通過(guò)一個(gè)6W立體聲左右通道擴音器，有助于克服噪音問(wèn)題。數據存儲通過(guò)CF卡可高達8GB。
研華嵌入式工控機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55°C（Intel?Core2DuoCPU），并支持9V~32V寬泛電源輸入。
針對車(chē)載應用，ARK-1388可控制媒介和信息系統，通過(guò)UMTS/HSDPA或GSM/GPRS/EDGE下載數據。工業(yè)電腦還整合了能夠監視車(chē)輛引擎和電池狀態(tài)的電源控制機制。啟動(dòng)/關(guān)閉延遲時(shí)序可通過(guò)實(shí)用程序快速設置。
圖3：ARK-1388車(chē)載嵌入式工控機
研華整合化方案取代了外部電源管理模塊，并保證了車(chē)載應用的穩定性。緊湊型ARK-1388嵌入式工控機系統不僅節省空間，還避免了額外開(kāi)支。其工業(yè)電腦規格支持寬溫工作，并抗沖擊和抗振動(dòng)，是車(chē)載應用的理想選擇。
