陈都 张贤辉 许刚

摘 要 本文基于功能性与可靠性要求介绍了工程机械车载ECU系统的硬件设计思路，围绕电源模块、微处理器、数据存储、人机交互功能与I/O单元等方面，对ECU硬件系统的设计方案进行详细探讨，以期为同类型控制器产品的设计与开发提供借鉴意义。

关键词 工程机械;车载ECU;硬件系统

引言

电子控制单元（ECU）又被称为车辆专用微机控制器和“车载电脑”，主要由电源、微处理器、数据模块、接口等电路组成，利用输入接口采集车辆上各种传感器的信息，经由数据存储、运算处理后利用输出接口将结果发送至执行元件，完成整体运行过程，达成相应控制目标。

1ECU系统硬件结构

1.1 系统功能需求

不同于普通商用车，工程机械车辆通常在车辆内部安装有压力、长度、角度、风速等多个传感器单元，用于采集车辆工况信息，起到安全控制作用，这对系统的实时性和采样精度有更高的要求。工程机械车载ECU一般拥有丰富的I/O单元，主要用于控制电磁阀，从而间接或直接参入各机械部件的运动控制。在人机交互方面，工程机械车辆逐渐向大尺寸高清液晶显示屏方向发展，以便能接入多路摄像头信息，使机手能在操作室内实时监控周边状况，保证作业安全。此外，系统还应具备扩展接口、安全保护、黑匣子数据存储等功能[1]。

1.2 系统硬件结构

系统硬件主要由底层板、核心板两部分组成，利用板级连接器完成硬件结构的连接（结构如图1所示）。其中核心板主要由微处理器与数据存储器组成，主要负责数据处理、逻辑控制及实现算法。底层板则包含数据采集/输出、数据通信、人机交互接口等电路，构成了核心板与外部的信息交互平台。

2系统各模块单元设计

2.1 电源模块设计

基于三级电源管理模式进行电源模块设计：在第一级设计上，采用集成DC-DC开关电源将蓄电池+24V电压转换为+6V，DC-DC具有效率高、输入输出压差大、OCP过流保护等优点，适合用作设备的前级电源;在第二级设计上，利用电源转换电路将DC-DC提供的+6V电压转换为+3.3V、+1.8V电压为核心板供电，并负责整个系统的电源管理;在第三级设计上，则是利用电源转换电路将DC-DC提供的+6V电压转换为+5V、+3.3V 电压为各接口外设提供电源;第二、第三级的电源转换电路可以选用纹波较小的线性稳压器[2]。

此外，电源系统在设计时需满足ISO7637.2规范，以保证ECU在各种车况下能稳定可靠运行。

2.2 微处理器选型设计

考虑到ECU的运行需求及满足车规级应用环境，选用飞思卡尔的i.MX6x系列产品作为微处理器。i.MX6x基于ARM Cortex-A9平台，工作温度为-40°C～85°C，最高支持工作频率1.2GHz，具备HD 1080P编码和解码能力，集成各类 I/O，包括 HDMI v1.4、MIPI 和 LVDSdisplay 端口、MIPI CSI-2 摄像、千兆以太网、多个 USB 2.0 和 PCI Express，能有效满足ECU各种软硬件设计需求。

2.3 数据存储设计

内存可以选用当前主流的512MB或1GB的DDR3芯片，外部存储器除了选用传统的NandFlash外，还可以选用eMMC产品。eMMC在封装中集成了一个控制器，提供标准接口并管理闪存，使得设计方不但可以简化存储设计，还能专注于产品其他部分开发，缩短向市场推出产品的时间。

工程机械车载ECU系统一项重要功能就是记录车辆作业时的黑匣子数据，需要设计一块独立、稳定的存储器。基于黑匣子数据记录特点，该存储器应该具备高速读写、无限次擦除、数据非易失等要求，铁电存储器FRAM就是符合這种设计要求的器件。

2.4 人机交互设计

工程机械车载ECU是显控一体的设备，直接或间接涉及了设备的运动控制、安全策略等方面，良好的人机交互功能，能有效保证设备安全作业。大尺寸高清液晶屏可以接入多路摄像头信息，为机手提供良好的视觉环境;音频电路、LED电路从声、光两方面提供了预警信息;矩阵键盘为机手操作设备提供了便捷性。

2.5 I/O单元

I/O单元在设计上采用隔离措施，防止外部设备产生的浪涌冲击对核心板造成影响。I/O单元还应具备短路、断路、防反接等保护功能，防止外部异常接线导致ECU损坏。在驱动能力设计上，应根据实际情况合理选择参数并留有一定的裕量。目前，Infineon公司提供了一系列集成的高端、低端驱动芯片，如BTS723GW，大大优化了I/O驱动电路设计。

3结束语

工程机械车载ECU是车辆的核心设备，除了要满足功能性需求外，还应具备较高的稳定性、可靠性，产品在投产前应进行完备的环境可靠性试验和EMC可靠性试验，相关试验可以参考ISO 7637、GB/T19951等规范。

参考文献

[1] 王昊，吴勇.基于ARM单片机的汽车发动机故障诊断系统的研究[J].电子测试，2019（19）：110-111，85.

[2] 苏杭.汽车CAN数据总线系统常见故障与检修[J].建筑工程技术与设计，2018（10）：4185.