整车控制器硬件设计规范 / 四六文摘

1）总则

为了使控制器设计的经济政策，做到控制器功能可靠、质量稳定、技术先进、经济合理和安装维护方便等，制定本规范。

控制器的硬件设计和开发除应执行本规范外，尚应符合现行的国家有关标准、规范和企业标准等的规定。

2）范围

本规范从电路气候防护环节设计规范、PCB设计规范、降额设计规范等几个方面规定了电动汽车用控制器在设计过程中应该遵循的一些基本规范和基本原则。

3）引用标准

GB/T 2423.17 电工电子产品基本环境试验规程试验Ka：盐雾试验方法

GJB／Z 27 电子设备可靠性热设计手册

GJB 450-88 装备研制与生产的可靠性通用大纲

GJB 451-90 可靠性维修性术语

GJB/Z 299A-91 电子设备可靠性预计手册

QJ 1474电子设备热设计规范

4）硬件设计基本原则

经济性：新系统的设计应在满足用户需求的前提下尽可能考虑经济性。
系统性：系统设计应在整体性观点的指导下，使用系统工程的方法设计和建立系统。
模块化结构：对系统进行模块划分，增大模块的独立性，减少模块之间的耦合。
精简性：数据处理步骤要以精简为原则，以便减少系统的出错率。
可控制性：加强系统设计过程中文档资料的管理与控制，应尽量减少人工干预，而采用系统进行控制。
参与性：系统设计过程中，设计人员应增加与用户之间的交流，及时掌握用户要求的变化，尽快使用户了解和熟悉新系统。
阶段性：系统在保证总体目标得以实现的前提下，分阶段实现各子系统目标，并逐步扩大和完善系统。
开发平台选择合理：尽量采用数据库管理系统和可视化的面向对象的程序设计语言进行系统设计与开发。

控制器在工作、运输和储存过程中，受到各种环境因素的影响，可能导致性能降低、失效甚至损坏，因此必须采取防护措施。

环境防护主要包括气候环境、机械环境、电磁环境、生物化学环境等。

1）气候环境

气候环境指温度、湿度、气压、风力、砂尘、雨雪、日辐射等各种自然气候因素。在气候因素中，以温度(高温、低温和循环变化)对电控系统的影响为严重。

为了保证电子元件、器件或整机在允许的温度范围内工作，应采取各种有效的热控制措施。

2）机械环境

机械环境指控制器在工作或运输过程中受到各种机械力（如振动、冲击、离心力和运动机构的摩擦力等）的作用。

其中危害较大的是振动和冲击。控制器是长期工作在振动很强的环境中，当控制器在某种激振频率下发生共振时，若振动加速度值超过控制器本身的极限时，控制器就可能会遭到破坏；此外，长期受到振动或冲击也可能产生疲劳损坏。

因此，必须采取各种防振（隔振）或缓冲措施。

3）电磁环境

电磁环境指控制器在工作过程中，所受到的电磁干扰。

3.1）密封

将控制器密封处理，使其防护等级规定的防护等级。

3.2）三防处理

在结构设计和电路设计时，应采取必要的抵御生物、化学环境影响的防护措施，其中主要是防腐蚀、防潮湿、防霉菌(三防处理)

处理基本方法：设计合理、设备密封、电路板使用“三防漆”

1）模块化设计思想

详细理解设计需求，从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求，遵循模块化设计思路进行硬件原理设计。

2）系统设计原则

根据功能和性能需求制定总体设计方案，遵循如下原则

2.1）简化方案

系统的可靠性是由组成系统的各个单元直到每个元件的可靠性决定的，所以应该尽量提高元器件或独立单元的可靠性。

从失效率的角度,系统的失效率是其所有组成元件的总和。只要能满足系统的性能和功能指标，就尽可能地简化系统结构

2.2）避免片面追求高性能指标和过多的功能

在一定阶段内和力所能及的技术条件下，应注意协调高指标与可靠性的关系。如果给系统定下过高的指标，势必使系统复杂化,一方面使用过多的元器件,直接降低了系统的可靠性；另一方面增加了设计中的不合理、不可靠隐患的机会。

2.3）合理划分软硬件功能

在方案设计时,能够方便地用软件完成的功能一定要坚决地贯彻“以软代硬”的原则。但软件担负的任务过多,既增加开发的难度又不易保证软件的可靠性与实时性。所以需要合理地划分软硬件功能。“以软代硬”至少要在 CPU 时间资源允许、保证系统实时性的前提下进行

2.4）数字电路有限考虑

尽可能用数字电路代替模拟电路，数字电路稳定性好、抗干扰能力强、可标准化设计、易于器件集成制造。

还要尽可能多地采用集成芯片且集成度越高越好，集成芯片密封性好、机械性能好、焊点少,其失效率比同样功能的分离电路要低得多。

2.5）变被动为主动，提高系统可靠性

在设计方案时,对易遭受不可靠因素干扰的薄弱环节应主动地采取可靠性保障措施，以免在问题发生时被动地应付。

抗干扰技术和容错设计是变被动为主动的两个重要手段

3）元器件合理使用

合理使用一方面是指设计阶段,根据应用条件，选择合适的器件及其工作点;另一方面是指研制阶段对器件进行筛选，使用可靠的器件

3.1）CPU 的选型原则

性价比高；

容易开发：体现在硬件调试工具种类多，参考设计多，软件资源丰富，成功案例多；

可扩展性好；

专用的汽车级 CPU;

3.2）分离半导体器件

在电路设计时,对分离器件主要从电应力、工作频率、型号互换等方面考虑

电压应力：半导体器件均有其耐压的极限值。

电流应力：：器件所承受的大电流。电流大导致温度高

功率频率：由于 PN 结的电容效应,半导体器件有其工作频率的限制，一般多考虑上限频率的影响，工作频率超过该极限则器件的性能将下降甚至失效。另外也不亦用高频器件代替低频器件,那样噪声系数将增大。

型号互换：器件互换性有利于减少 MTTR 指标。互换时主要考虑参数的匹配,如额定工作电压、电流、功率、工作频率范围等。同样功能的分离电路要低的多。

MTTR:指系统从发生故障到维修结束之间的时间段的平均值

3.3）固定电阻和电位器

按照其制造材料分类，如合金型(线绕、合金箔)、薄膜型(碳膜、金属膜)和合成型(合成实芯、合成薄膜、玻璃釉)

在使用固定电阻和电位器时,应考虑下列事项：

阻值稳定性

工作频率

功率负荷

噪声：在设计微弱信号前置放大器时,电阻的噪声系数是一个值得重视的指标。

4）电容器的选用

电容器根据其介质材料的不同可分为无机介质、有机介质和电解介质三类。

电容选用可从如下几个方面选择

频率范围
容量稳定性
噪声性能
电压负荷
承受功率

5）集成电路IC的选择原则

普遍性：所选元器件要被广泛并验证过，尽量少用冷偏芯片；
高性价比：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格较好的元器件，减少成本；
采购方便：尽量选择容易买到，供货周期短的元器件；
持续发展：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件；
可替代：尽量选择 pin to pin 兼容种类比较多的元器件；
向上兼容：尽量选择以前老产品用过的元器件；
资源节约：尽量用上元器件的全部功能和管脚；
尽可能压缩系统器件的品种、规格，提高元器件的复用率;
优先选用功能强、可靠性高的大规模集成芯片

6）其他原则

数字电源和模拟电源分割；
数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地;
阅读所有芯片的设计参考手册，看输入管脚是否需要做外部处理，如果需要，一定要做相应处理，否则可能引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作；
在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计;
必须考虑产品散热问题;

1）PCB布线规则

2）加工工艺

3）工艺边：PCB 板上至少要有一对边留有足够的传送带位置空间，即工艺边

降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值，从而达到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。

但过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生或导致元器件的数量不必要的增加或无法找到适合的元器件，反而对产品的正常工作和可靠性不利。

基本要点：

电阻器和电位器的降额主要是功率降额；
电容器的降额主要是电压和功耗的降额，工作频率也要降额；
数字集成电路主要是对其负载降额，对其应用频率也要降额；
线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压的降额；
晶体管的降额主要是工作电流、工作电压、频率和功耗的降额；
继电器的降额是触点电流的降额；
线圈、扼流圈、电感器、变压器等磁性器件主要是工作电流的降额，其工作电压也要降额；等等

要求产品具有可维修和移维修的特性。要点如下：

在设计时，应该大限度的使产品结构简单、可互换性强、安全性好、识别标志明显等；
在设计时，要求产品人/机结合好，对环境适应能力强；
对关键部件及关键状态要设置测试点并予以标明，以便维护维修时测试；
功能插件采用规范的尺寸和安装结构形式，结构上应防止插反或插混等错误的操作；
壳内部安排应考虑维修和安装的方便；
系统说明书中应附有常见故障的现象、原因和对策的说明，以便用户在力所能及的范围内自行护；
对易损元器件应提供备件。

本设计规范只简单介绍 EMC 的主要原则与结论，为硬件设计过程中做参考。

电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。EMC 就围绕这些问题进行研究。基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波、接地。它们主要用来切断干扰的传输途径。广义的电磁兼容控制技术包括抑制干扰源的发射和提高干扰接收器的敏感度，但已延伸到其他领域。

考虑方面

1）PCB的布局方面

晶振尽可能靠近处理器。
模拟电路与数字电路占不同的区域。
高频放在 PCB 板的边缘，并逐层排。
用地填充空着的区域。

2）布线

电源线与回线尽可能靠近，好的方法各走一面。
为模拟电路提供一条零伏回线，信号线与回程线数目之比小于 5：1。
针对长平行走线的串扰，增加其间距或在走线之间加一根零伏线。
其他

3）屏蔽

高频射频屏蔽的关键是反射，吸收是低频磁场屏蔽的关键机理。

4）接地

好的接地方式：树形接地。
信号电路屏蔽罩的接地。
对电缆屏蔽层处理
其他

5）滤波

选择 EMI 信号滤波器滤除导线上工作不需要的高频干扰成份，解决高频电磁辐射与接收干扰
尽可能对芯片的电源去耦

基本安全要求

防止人身触电；（电击危险）
防人身受过高温度的危害；
防人身受机械不稳定性和运动部件的危害；（机械危险）
防止起火；
防爆炸；
防止辐射；
防化学危险

安全术语

绝缘分类

基本绝缘对危险带电零部件所加的提供防触电基本保护的绝缘。
附加绝缘基本绝缘以外所使用的独立绝缘，以便在基本绝缘一旦失效时提供防触电保护。
双重绝缘同时具有基本绝缘和附加绝缘的绝缘。
加强绝缘对危险带电零部件所加的单一绝缘，其防触电等级相当于双重绝缘

散热设计参考国标或航标有关规范

如<<GJBZ 27-1992 电子设备可靠性热设计手册>>

<<QJ 1474-1988 电子设备热设计规范>>设计规范。

整车控制器硬件设计

确定控制器的成本目标

确定控制器的技术参数（功能和性能）

能支持基于模型的设计，以方便主机厂二次开发。
至少具有三路 CAN。
至少具有 16 路数字输入/输出通道，4 路 AD 通道，AD 通道的分辨率至少在 8 位以上；至少 2路 PWM 输出；对外提供2路电源。
工作电压范围 9~32±10%DVC。
使用温度范围：-40℃~125℃。
使用湿度范围：≤95%RH。
防护等级：IPxx。
满足一般汽车电器电磁兼容要求

1）控制器造型和尺寸

统一性原则：物理认识和精神感受统一
时空性原则：根据人的心理感觉，使造型产生生命力的感觉
用户需求：满足用户需求

2）初步结构设计

安装在密闭的金属壳内
外壳打密封胶；

3）主控制芯片的选型

选用汽车级的主控制芯片，如飞思卡尔16BIT或32BIT系列芯片

1）总体设计思路

本控制器设计采用模块化设计思想，整个控制器电路由以下几个功能部分组成，如图：

CPU 模块为控制器的处理器单元。
power 电源模块为控制器电源部分，为控制器提供必需的电源。
Digital_input 模块为数字输入部分，为控制器外部数字量输入部分。
Digital_output 模块为数字输出部分，为控制器的数字量输出部分。
Analog_input 模块为控制器的模拟量输入部分。
Communication 部分为控制器通讯功能模块，为控制器提供通讯。

电源电路经过型号为IB0505S的DC/DC电源隔离后分别给MCU、CAN电路、RS232电路芯片供电，这样设计目的是为了减少相互干扰，提供硬件抗干扰性，也解决外部对内部电路电磁干扰问题。

时钟电路可用于控制整个系统的运行节奏，图中的X101为16M有源晶振，可保证系统时钟的可靠性。此时保证MCU的PE7引脚接地。

下半部分为看门狗电路，在程序执行出错时，可通过看门狗消除复位，X5043不仅有降压检测，复位控制，且具有保护功能的4K容量的EEPROM,它有一个四线构成的SPI总线方式操作，其擦写周期至少有100W次，并且写好的数据能够保存100年

BDM复位电路有两个功能：

1）手动复位，R122和C114组成上电复位电路，按下图中S101键，系统即可复位重新启动；

2）BDM功能，BDM(Backgroud Dubug Mode,后台调试模式)，是一种调试技术，也叫BDM调试器，它的基本基本原理是在MCU片内嵌入一个智能化的通信模块，通过单线通信协议与外界通信，该智能化通信模块名称为BDM模块。利用BDM模块可完成以下三项功能：1-可以对片内Flash进行擦除和写入操作，完成应用程序的下载；2-实现应用程序的的动态调试和静态调试；3-配置和修复MCU内部资源。