VCU学习笔记-VCU信号处理（1）

mengmianren

前言

本文我们学习VCU开发中的信号处理模块的基础知识，再次说明下，我就是个搞能耗开发的小卡拉米，文章内容来自于蹭课记的笔记，铁子们当小说看解解闷就行了。

信号分类

VCU是整车控制系统的中枢，需要时刻对驾驶员各项操作指令、电机、电池等部件状态进行采集、分析、诊断，以实现驾驶员的操作意图，确保车辆安全高效的运行。

VCU需要处理的信号包含硬线信号及CAN线信号两大类。

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硬线信号

VCU采集的硬线信号从表现形式上可以分为数字量信号和模拟量信号。

数字信号（Digital Signal）

在时间和数量上都是离散的物理量称为数字量，最基本的数字量就是0和1，反映到开关上就是指开关的断开（0）、闭合（1）状态，如制动状态、水泵使能状态等。

VCU采集的数字信号主要是采集开关量信号，信号二进制的，即0和1。这里面要注意四个概念：高电平、低电平、高有效、低有效。

高电平是高于逻辑电路中高电平所允许的最小输入电平，低电平是低于逻辑电路中低电平所允许的最大输入电平。如下图所示高低电平边界分别为5V、3V，假设输入电平为6V，捎谄浯笥诟叩缙剿?市淼淖钚∈淙氲缙�5V，则其为高电平；假设输入电平为2.5V，由于其小于低电平所允许的最大输入电平3V，则其为低电平。



而高有效、低有效并不是通过输入电平的高低去判断，而是通过触发芯片相应逻辑运算功能的电平的高低。假设一个端口，当检测到高电平输入就闭合继电器，那这个端口就是高有效；同样当检测到低电平输入就闭合继电器，那这个端口就是低有效。

不知道我有没有掰扯明白，不明吧的话铁子们再查查资料吧，我就这么点本事了。



由于低电平电路的阻抗低，噪声造成的电平变化小，抗干扰能力更强，所以一般推荐使用低有效。

模拟信号（Analog Signal）

信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号，其经过抽样和量化后可以转换为数字量，如踏板开度信号、水温信号等。

由于控制器芯片属于数字元器件，通常需要用ADC（模数转换器）将模拟量信号转化为数字信号才能被控制芯片处理。

VCU硬件电路ADC采集传感器信号，经底层运算处理后得到传感器实际电压值，应用层即可根据该值做相应的逻辑判断。

以加速踏板开度信号为例，其工作过程如下图所示。



驾驶员踩下加速踏板，VCU 采样电路采集到加速踏板传感器的信号，经过底层软件的处理，转换成电压信号，将电压信号传递给应用层，经过应用层的计算即可得到加速踏板开度。



Vin—底层运算处理后输入给应用层的电压；

Vref—ADC的参考电压

Xact—ADC的输出值

Xmax—ADC所能输出的最大值

ADC的输出值及ADC所能输出的最大值均为二进制数，这里面也有几个概念需要注意下：参考电压、位宽、分辨率。

参考电压：ADC所能采集的最大有效电压，也称为基准电压。

位宽：ADC所采用的二进制位数。

分辨率：ADC每个bit表示的电压值，为参考电压与2^n - 1的比值，n表示位宽。

假如ADC采集的数值为500，参考电压为5V，位宽为10位。

由以上参数可得分辨率为5/（2^10 - 1）=0.00489V

输入电压Vin=500*0.00489=2.445V。

则应用层输入电压为2.445V，应用层通过电压值查表即可获得加速踏板开度信息。

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CAN线信号

CAN总线可以实现整车各控制单元之间的信息共享，在Simulink中实现CAN信号处理需要经过以下过程，以读取数据为例。

【1】通过底层CAN驱动模块获取报文数据

【2】根据DBC文件将数据打包成一条CAN消息

【3】将消息按照CAN网络协议解析成有效信号

这里需要用到CAN通讯协议、DBC文件、CAN Pack、CAN UnPack块等。有兴趣的铁子们自己学习下吧，我也不是很了解。



信号处理

常见的数字信号例如：状态信号、制动开关信号、低压上电开关信号、空调开关信号等。常见的模拟信号例如：加速踏板开度信号、真空泵压力信号、控制器温度信号等。

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数字信号处理

对于开关类的信号，一般都是通过机械弹性开关输入，如旋钮、按键等，其本质是触点开关。开关状态的检测使用电压检测，需要不断扫描IO口电平。由于机械触点的弹性作用，通常当机械出点断开、闭合的瞬间会伴随短时的抖动，此时电平是不稳定的，如下图所示。



故数字量的信号通常需要进行去抖动处理，当检测到开关状态变化时，先等待一段时间，让抖动消失后再进行一次状态检测，当两次检测状态相同时，认为开关状态稳定，输出当前开关状态。

去抖动处理常用的有硬件去抖和软件去抖。硬件去抖通常是在硬件中添加滤波电路，对抖动产生的异常波动进行平滑处理。软件去抖是通过延时函数过滤抖动，不需要增加硬件成本，其处理方式如下图所示。



对于系统安全、可靠性考虑，需要对一些关键部件、功能进行冗余设计，如制动开关信号。通常设置两路制动开关信号，一路为常开开关，一路为常闭开关。常开开关用于制动状态的判断，常闭开关用于信号校验。当两路制动开关信号不一致时，认为制动开关信号状态有效；当两路制动开关信号一致，则认为制动开关信号状态无效，整车需进行限速、降功率等措施。

制动开关信号的冗余设计策略如下表所示。



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模拟信号处理

模拟信号一般会经过信号采集、数据转换、故障诊断、数据协调、信号输出几个环节。以加速踏板信号为例，其过程如下图所示。



信号采集

加速踏板传感器通常由踏板轴磁铁和舳???槌桑?奔铀偬ぐ逋耆?认率保?舳???拇磐?芏茸畲螅?涑鲎畲蟮缪梗坏奔铀偬ぐ逋耆?煽?保?舳???磐?芏茸钚。?涑鲎钚〉缪埂�

加速踏板与制动踏板类似，通常采用双通道输入，一路作为状态判断，一路作为状态监测。检测通道输入的电压值为主通道电压值的一半，如下图所示。



数据转换

加速踏板电压与开度通常采用1-D lookup Table模块进行转换，其对应的关系如下：



对于数据滤波一般采用一阶低通滤波即可。一阶低通滤波又叫一阶惯性滤波，允许低频信号正常通过，禁止高频信号通过。工程上运用低通滤波通常为了剔除信号的毛刺和干扰。

其基本理论公式为：


式中：α为滤波系数，X ( n ) 为本次采样值，Y ( n?1 ) 为上次滤波输出值，Y ( n ) 为本次滤波输出值。故障诊断
加速踏板信号故障通常分两种，一种是电压超阈值故障、一种是电压不一致故障。

受传感器特性决定，加速踏板传感器有效电压范围是确定的，当VCU采集的传感器电压值超出有效电压范围时，认为传感器出现电压超阈值故障。如上表，某车辆加速踏板主通道信号有效的电压范围1~4.8V，假设采集到一个0.5V或5V的电压，那么就意味着出现了电压超阈值故障。

在同一加速踏板位置，两路加速踏板信号的电压值应保持两倍关系，若两路加速踏板开度差超过一定范围时，就认为出现电压不一致故障，如下图所示。



数据协调

诊断完成后，需要根据加速踏板信号的有效性判断具体使用哪路信号，其策略为：

【1】两路信号均有效，并且信号一致时，采用主通道信号

【2】两度信号均有效但不一致时， VCU使用两度踏板开度最小值（或平均值），同时发送加速踏板一级故障。

【3】仅一路信号有效时，VCU采用该路信号，同时发送加速踏板一级故障。

【4】两路信号均无效时，VCU将减速踏板开度置0，同时发送加速踏板二级故障。

结语

本文介绍了VCU信号处理模块的基础知识，简单介绍了数字信号及模拟信号的处理方式，希望对给铁子们了解VCU开发有所帮助。