車載電源控制和電源設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　如今車隊(duì)管理創(chuàng)新技術(shù)已有了巨大進(jìn)步。無論貨車、公交車、出租車還是其它運(yùn)輸工具都運(yùn)用了無線衛(wèi)星定位系統(tǒng)，調(diào)度員可藉此了解所有車輛的位置、狀態(tài)和油耗狀況，因而大大改善了對車隊(duì)的控制和管理。乘客也得到了更好的服務(wù)。顯示屏可提供各種娛樂內(nèi)容， 以及實(shí)用、實(shí)時的信息，如出發(fā)和到達(dá)時間、天氣欄和緊急通知。

　　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和關(guān)閉時間設(shè)定。而啟動和關(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可以同時支持12 V和24 V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、以及待機(jī)時必須低功耗等。怎樣才能避免交換機(jī)充電時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)動車電源設(shè)計(jì)的常規(guī)限制
　　如12 V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 ~ 16 V。引擎關(guān)閉時電池的正常額定電壓為12 V，啟動時為14.4 V。但是，這個范圍在瞬變狀態(tài)時很容易擴(kuò)大到80 V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)閉時仍有一些電氣系統(tǒng)單元在運(yùn)行，這也會損耗電池。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ECU IQ的最大值。CAN收發(fā)器、實(shí)時時鐘和微控器等設(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)，因此休眠模式時功耗可低于10 mA。

　　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(hù)和軟件智能監(jiān)控功能，因此可保證安全啟動和關(guān)閉。

測試通過ISO 7637認(rèn)證
　　ISO-7637-2:2004標(biāo)準(zhǔn)指定測試了客車以及安裝12 V或24 V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(jī)已測試適用于12 V和24 V電池系統(tǒng)。一種測試是電源斷開電感負(fù)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(shè)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)動機(jī)充當(dāng)動力時的瞬態(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。ARK-1388通過適用于12 V和24 V系統(tǒng)的測試等級III；各個測試脈沖的詳細(xì)規(guī)格請參考ISO-7637-2認(rèn)證。

圖2：ISO-7637-2中用于12 V / 24 V系統(tǒng)的測試等級

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。

　　冷啟動是機(jī)動車環(huán)境應(yīng)用中的突出問題。車輛引擎遇冷或凍結(jié)一段時間后，機(jī)油會變得很黏，需要發(fā)動機(jī)增大輸出扭力，進(jìn)而增大電池電流。這個高電流負(fù)載可將點(diǎn)火時的電池電壓降到6 V，然后再返回額定電壓13.8 V（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5 V，這時問題就會產(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，若交換機(jī)在充電，而電路上還有其它電流負(fù)載，就會產(chǎn)生負(fù)載突降。引擎運(yùn)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(jī)充電時若電池突然斷開，瞬時電壓峰值可高達(dá)80 V。這種情況下多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能會崩潰。負(fù)載突降幅值取決于電池?cái)嚅_時交換機(jī)的速率和當(dāng)前集電量。而負(fù)載突降脈沖持續(xù)時間主要取決于當(dāng)前集電電路的持續(xù)時間和脈沖幅值。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)置時序和電壓。例如，延遲時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，基于微控器的PIC軟件會檢查車輛的點(diǎn)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12 V還是24 V。若電池電壓足夠啟動系統(tǒng)，軟件會檢查點(diǎn)火狀態(tài)。實(shí)用程序中設(shè)置的點(diǎn)火電壓很高，如8 V以上。軟件會確保計(jì)算系統(tǒng)在點(diǎn)火打開前不自動啟動。進(jìn)行點(diǎn)火打開和關(guān)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(rèn)值設(shè)置，如10 s以后。若電壓在設(shè)定值后沒有穩(wěn)定下來，系統(tǒng)會自動關(guān)閉。

　　系統(tǒng)運(yùn)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(shè)定時間內(nèi)自動關(guān)閉。

　　PIC軟件也會檢查點(diǎn)火狀態(tài)。車輛點(diǎn)火裝置關(guān)閉后，操作系統(tǒng)會延遲關(guān)閉，待數(shù)據(jù)保存好后徹底關(guān)閉。延遲時間為30 s（斷電延遲）~ 180 s（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。
　　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/關(guān)閉時序；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)勢在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、被動冷卻和散熱有效。IMS調(diào)查報(bào)告顯示，嵌入式工控機(jī)在以后幾年內(nèi)形勢最好的市場在于交通和基礎(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Linux Embedded。

　　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® Celeron M ULV 423或Intel® CoreTM 2 Duo U7500處理器（帶1.06 GHZ時鐘頻率），Intel® 82945GM芯片組，以及板載2 GB DDR 2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802.11 b/g WLAN規(guī)格，可以進(jìn)行無線LAN通信。前面板還帶有VGA和18/36-bit LVDS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USB 2.0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6 W立體聲左右通道擴(kuò)音器，有助于克服噪音問題。數(shù)據(jù)存儲通過CF卡可高達(dá)8 GB。

　　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® Celeron M處理器），或者高達(dá)55°C（Intel® Core 2 Duo CPU），并支持9 V ~ 32 V寬泛電源輸入。

　　針對車載應(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/關(guān)閉延遲時序可通過實(shí)用程序快速設(shè)置。

圖3：ARK-1388車載嵌入式工控機(jī)

結(jié)論
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，是車載應(yīng)用的理想選擇。

車載電源設(shè)計(jì)具有硬件電源保護(hù)和軟件智能監(jiān)控功能，可保證安全啟動和關(guān)閉。

相關(guān)資料：
ARK-1388產(chǎn)品介紹 http://www.advantech.com.cn/pressroom/corporate_news.aspx?doc_id={EBA6CC14-AFA2-4027-9E61-826D4046BF3

ARK-1388 FLASH演示http://www.advantech.com.tw/ePlatform/promote/ARK-1388/index.aspx
更多該系列產(chǎn)品信息 http://www.advantech.com/ePlatform/box-ipc

關(guān)于研華
自1983年創(chuàng)立以來，研華以其遠(yuǎn)見卓識和誠實(shí)守信而在產(chǎn)業(yè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域擁有一席之地。研華同時也是Intel嵌入式與通訊聯(lián)盟 (Embedded & Communications Alliance) Premier Member。通過與解決方案伙伴的密切合作，我們能夠?yàn)楦鞣N工業(yè)應(yīng)用提供完整的解決方案。研華的產(chǎn)品和解決方案涵蓋3個領(lǐng)域：嵌入式計(jì)算機(jī)平臺事業(yè)群 (Embedded ePlatform Organization)、服務(wù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)事業(yè)群(eServices & Applied Computing Group)以及工業(yè)自動化事業(yè)群 (Industrial Automation Group)。研華擁有3400多名專職員工，在18個國家、39個主要城市之間形成了一個廣泛的技術(shù)支持和營銷網(wǎng)絡(luò)，因此可以為全球的客戶提供快速的上市服務(wù)。更多信息，請查詢www.advantech.com.cn