- 機動車電源設計的常規(guī)限制
- 車載硬件電源設計
- 嵌入式工控機的系統(tǒng)功能
- 啟動和關閉過程是由車載電池狀態(tài)和點火狀態(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
上述車載系統(tǒng)需要一套復雜的電源管理方案。新一款專為車載應用設計的研華ARK-1388嵌入式工控機，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和關閉時間設定。而啟動和關閉過程是由車載電池狀態(tài)和點火狀態(tài)直接控制。此外，ARK-1388可以同時支持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，機動車的電氣系統(tǒng)都必須滿足苛刻的電源要求，如負載突降、冷啟動、以及待機時必須低功耗等。怎樣才能避免交換機充電時電池電纜斷開引起的負載突降？怎樣才能在電壓突然過高或過低時保護電氣系統(tǒng)，如內(nèi)置車載空調(diào)？怎樣才能保證車載設備的穩(wěn)定性和安全性？下面將作解釋。
機動車電源設計的常規(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。引擎關閉時電池的正常額定電壓為12V，啟動時為14.4V。但是，這個范圍在瞬變狀態(tài)時很容易擴大到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）和關閉（ISD）電流預算。引擎關閉時仍有一些電氣系統(tǒng)單元在運行，這也會損耗電池。為了控制靜態(tài)（IQ）電流預算，大多數(shù)用戶設置了單個ECUIQ的最大值。CAN收發(fā)器、實時時鐘和微控器等設備可消耗ECU的多數(shù)IQ預算，因此電源的IQ預算可降到最低。ARK-1388通過微控器監(jiān)視車載電源狀態(tài)，因此休眠模式時功耗可低于10mA。
為了解決上述問題，設計師過去不得不采用獨立的車載電源模塊將電子設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)_擊和振動時容易損壞，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和軟件智能監(jiān)控功能，因此可保證安全啟動和關閉。
測試通過ISO7637認證
ISO-7637-2:2004標準指定測試了客車以及安裝12V或24V電氣系統(tǒng)的商用車輛中設備的電瞬態(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(tǒng)的道路車輛，不受推進模式的約束。
ISO-7637標準附件2中說明了車輛電子設備功能狀態(tài)的區(qū)分方法。不同的測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，相應的失效機制也有所不同。選擇的測試等級和測試時間可根據(jù)研華公司和車輛制造商的約定定義。
ARK-1388嵌入式工控機已測試適用于12V和24V電池系統(tǒng)。一種測試是電源斷開電感負載時的瞬態(tài)模擬。一種測試是模擬由于連接電汽配線電感在測試裝置并聯(lián)設備中產(chǎn)生的電流突然中斷。還有一種測試是點火裝置關閉后DC發(fā)動機充當動力時的瞬態(tài)模擬。模擬轉(zhuǎn)換過程的結果表明，瞬態(tài)可能發(fā)生，并受分布電容和連接電汽配線電感的影響。
若沒有定義具體值，建議使用I~IV欄的等級。ARK-1388通過適用于12V和24V系統(tǒng)的測試等級III；各個測試脈沖的詳細規(guī)格請參考ISO-7637-2認證。
圖2：ISO-7637-2中用于12V/24V系統(tǒng)的測試等級
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研華硬件電源設計
車載電源保護機制可檢查和監(jiān)控多種系統(tǒng)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。若電壓超過安全值，該機制會通過地面抑制或短接電壓調(diào)節(jié)電氣設備的電壓。
冷啟動是機動車環(huán)境應用中的突出問題。車輛引擎遇冷或凍結一段時間后，機油會變得很黏，需要發(fā)動機增大輸出扭力，進而增大電池電流。這個高電流負載可將點火時的電池電壓降到6V，然后再返回額定電壓13.8V（典型）。但是某些子系統(tǒng)要求整個冷啟動過程中的電壓恒定為5V，這時問題就會產(chǎn)生。這包括ECU、環(huán)境和應急系統(tǒng)微處理器等與車輛安全和性能息息相關的應用。
研華的理想電源方案還支持負載突降。電池電纜斷開時，若交換機在充電，而電路上還有其它電流負載，就會產(chǎn)生負載突降。引擎運行時可能由于電纜腐蝕，連接不穩(wěn)定或故意斷開而切斷電池。交換機充電時若電池突然斷開，瞬時電壓峰值可高達80V。這種情況下多數(shù)計算機系統(tǒng)可能會崩潰。負載突降幅值取決于電池斷開時交換機的速率和當前集電量。而負載突降脈沖持續(xù)時間主要取決于當前集電電路的持續(xù)時間和脈沖幅值。多數(shù)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(jiān)控特性。安裝的微控器可穩(wěn)定車載電源系統(tǒng)。用戶友好的實用程序接口可允許用戶自行設置時序和電壓。例如，延遲時間的多組電源可通過實用程序和硬件跳線進行設置。覆蓋設置時將發(fā)出報警提示。
用戶可通過跳線將電源設置為“車輛模式”或“ATX模式”。設置為“車輛模式”時，基于微控器的PIC軟件會檢查車輛的點火和電池狀態(tài)。系統(tǒng)啟動前，軟件會自動判斷電池類型，并檢查閥值電壓為12V還是24V。若電池電壓足夠啟動系統(tǒng)，軟件會檢查點火狀態(tài)。實用程序中設置的點火電壓很高，如8V以上。軟件會確保計算系統(tǒng)在點火打開前不自動啟動。進行點火打開和關閉切換時，系統(tǒng)電源會順利啟動。穩(wěn)定電壓的時序狀態(tài)可按默認值設置，如10s以后。若電壓在設定值后沒有穩(wěn)定下來，系統(tǒng)會自動關閉。
系統(tǒng)運行時，PIC軟件會持續(xù)監(jiān)控電池電壓狀態(tài)。若電量不足，驅(qū)動會接到通知，然后系統(tǒng)會在設定時間內(nèi)自動關閉。
PIC軟件也會檢查點火狀態(tài)。車輛點火裝置關閉后，操作系統(tǒng)會延遲關閉，待數(shù)據(jù)保存好后徹底關閉。延遲時間為30s（斷電延遲）~180s（硬斷電延遲），取決于軟件設置。若系統(tǒng)由于某種原因不能順利關閉，硬斷電延遲設定將確保數(shù)據(jù)自動強制進入待機模式，避免車上電池電力被耗盡，造成車子無法開動。
研華嵌入式工控機管理器提供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位、點火和電池狀態(tài)；根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)節(jié)最小電壓；根據(jù)應用目的延遲啟動/關閉時序；并可通過UI信息或郵件給服務器發(fā)出警報。
嵌入式工控機的系統(tǒng)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，特別適合多樣化、苛刻的車載環(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、被動冷卻和散熱有效。IMS調(diào)查報告顯示，嵌入式工控機在以后幾年內(nèi)形勢最好的市場在于交通和基礎建設領域。嵌入式堅固型嵌入式工控機憑借其實用性、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(shù)字看板和客戶信息系統(tǒng)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(tǒng)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。無風扇IPC設計、鋁質(zhì)外殼以及有限的內(nèi)部接線，保證了多應用的高可靠性。由于散熱性能良好，工業(yè)電腦專用于戶外和機動車應用。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時鐘頻率），Intel?82945GM芯片組，以及板載2GBDDR2內(nèi)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(guī)格，可以進行無線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支持雙獨立顯示，分別適用于駕駛員和乘客。此外，設備還帶有4個USB2.0接口、4個串行端口、4個帶隔離的數(shù)字輸入接口和2個帶繼電器的數(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6W立體聲左右通道擴音器，有助于克服噪音問題。數(shù)據(jù)存儲通過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。
針對車載應用，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)的電源控制機制。啟動/關閉延遲時序可通過實用程序快速設置。
圖3：ARK-1388車載嵌入式工控機
研華整合化方案取代了外部電源管理模塊，并保證了車載應用的穩(wěn)定性。緊湊型ARK-1388嵌入式工控機系統(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，是車載應用的理想選擇。
