一种具备诊断功能的隔离电路及车辆的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种具备诊断功能的隔离电路，一种车辆。


背景技术：

2.随着汽车技术的快速发展，汽车设计转向电气化，汽车电压电器系统也越来越复杂。高功率电子设备与低压数字控制器在车上并存，它们之间的通信和控制交互日趋增多，这就需要在控制器和电力系统之间进行电气隔离。这种情况和趋势，不但在新型电动汽车(ev)、混合动力电动汽车(hev)和48v轻型混合动力电动汽车(mhev)上存在，而且在小型纯电动汽车、无人快递车、无人环卫车、无人巡逻车(即agv)上同样存在。
3.高压电力系统的电压，在电动汽车上一般是336v或384v，电动大客车一般是580-600v，而低压电力系统包括48v、24v和12v，这些电力系统均需要合理设计隔离，并且需要对隔离信号进行诊断，以获知电气连接是否存在故障，使故障能够快速定位并解决。
4.目前，关于i/o输入输出接口信号的隔离，现有的设计方法基本上都是通过继电器或者光耦来隔离，然后直接驱动负载，控制器不对输出信号的连通性和有效性做检验。
5.现有的i/o接口电路一般直接驱动负载，控制器不对输出信号的连通性和有效性做检验。如果接线存在问题(例如开路或者短路)，那么负载不会工作，同时还可能对隔离电路造成损坏，这种情况就需要人工进行分析和判断，解决问题费时费力，并且造成较大的经济损失。
6.如果负载是具有微处理功能的控制器，一般会设计功能来判断信号的正确性，但是只能报告控制器自身故障，电路的驱动端仍缺失故障信息，这对故障问题的分析排查造成困扰。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种具备诊断功能的隔离电路，一种车辆。
8.为此，本实用新型第一方面，提供了一种具备诊断功能的隔离电路，包括i/o接口隔离电路和诊断控制单元；
9.i/o接口隔离电路包括：光耦u1、二极管d1和d2、电阻r4和r6、输入接口in和输出接口out；
10.诊断控制单元具有使能端en和采样接口adin；
11.光耦u1的第一引脚1连接使能端en，第二引脚2接地，第三引脚3分别连接电阻r4的第一端和二极管d2的阳极，第四引脚4分别连接二极管d1的阴极和输入接口in；
12.二极管d1的阳极连接电路供电电源vcc；二极管d2的阴极连接输出接口out；
13.电阻r4的第二端分别连接电阻r6的第一端和采样接口adin；电阻r6的第二端接地；
14.输入接口in连接负载的正极；输出接口out连接负载的控制信号输入接口；
15.诊断控制单元的工作电压低于负载的工作电压；
16.诊断控制单元通过使能端en输出使光耦u1导通或关闭的信号，控制输入接口in与输出接口out之间导通或不导通，从而控制负载处于工作状态或非工作状态；
17.诊断控制单元将采样接口adin采集的电压与预存的基准电压值进行比较，输出用于表示i/o接口隔离电路与负载的连接状态的信号。
18.优选地，诊断控制单元预存有多个基准电压值；
19.所述多个基准电压值分别为i/o接口隔离电路与负载处于如下多种连接状态中的一种时，电阻r4的第二端和电阻r6的第一端的电压值：
20.输入接口in与负载的正极连接处于正常状态，且输出接口out与负载的控制信号输入接口连接处于正常状态；
21.输入接口in与负载的正极连接处于开路状态，输出接口out无信号输出；
22.输出接口out短路且输出电压为0伏。
23.优选地，诊断控制单元为单片机、微处理器、中央处理器或现场可编程门阵列。
24.优选地，i/o接口隔离电路还包括：电阻r1；
25.电阻r1的第一端分别连接光耦u1的第四引脚4和输入接口in，第二端连接二极管d1的阴极。
26.优选地，i/o接口隔离电路还包括：电阻r2；
27.电阻r2的第一端连接使能端en，第二端连接光耦u1的第一引脚1。
28.优选地，i/o接口隔离电路还包括：电阻r3；
29.电阻r3的第一端连接光耦u1的第四引脚4，第二端连接输入接口in。
30.优选地，i/o接口隔离电路还包括：电阻r5和电容器c1；
31.电阻r5的第一端分别连接采样接口adin和电容器c1的第一极板，第二端分别连接r6的第一端和电阻r4的第二端；
32.电容器c1的第二极板接地。
33.优选地，i/o接口隔离电路还包括：电阻r1、r2、r3、r5和电容器c1；
34.电阻r1的第一端分别连接光耦u1的第四引脚4和电阻r3的第一端，第二端连接二极管d1的阴极；
35.电阻r2的第一端连接使能端en，第二端连接光耦u1的第一引脚1；
36.电阻r3的第二端连接输入接口in；
37.电阻r5的第一端分别连接采样接口adin和电容器c1的第一极板，第二端分别连接r6的第一端和电阻r4的第二端；
38.电容器c1的第二极板接地。
39.优选地，诊断控制单元预存有多个基准电压值；
40.所述多个基准电压值分别为i/o接口隔离电路与负载处于如下多种连接状态中的一种状态时，电阻r5的第一端和电容器c1的第一极板的电压值：
41.输入接口in与负载的正极连接处于正常状态，且输出接口out与负载的控制信号输入接口连接处于正常状态；
42.输入接口in与负载的正极连接处于开路状态，输出接口out无信号输出；
43.输出接口out短路且输出电压为0伏。
44.本实用新型第二方面，还提供了一种车辆，其包括：如前述第一方面提供的具备诊断功能的隔离电路，以及，负载。
45.优选地，所述负载为驱动电机控制器、门锁电机控制器、车载空调控制器、整车控制器、边刷电机、吸风电机、吸水扒电机、驱动电机、滚刷电机、轮毂电机中的一种或多种。
46.优选地，所述车辆为无人驾驶车辆。
47.由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种具备诊断功能的隔离电路和一种车辆。本实用新型通过诊断控制单元输出开关控制信号，来控制i/o接口隔离电路中输入接口in与输出接口out之间的导通状态，从而控制负载的工作状态，以及通过诊断控制单元的采样接口adin采集i/o接口隔离电路上预定采样点的电压，并将采样电压与诊断控制单元预存的基准电压值进行比较，根据比较结果输出用于表示i/o接口隔离电路与负载的连接状态的信号。因而，本实用新型的实施，有利于快速定位负载连接故障和找到解决方案，节省工程实践中的人力物力成本。
附图说明
48.图1为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之一；
49.图2为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之二；
50.图3为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之三；
51.图4为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之四；
52.图5为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之五；
53.图6为本实用新型提供的一种具备诊断功能的隔离电路的原理图之六；
54.图7为本实用新型提供的一种车辆的结构示意图。
具体实施方式
55.为使本实用新型实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分。
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
57.本实用新型提供一种具备诊断功能的隔离电路，如图1所示，该电路包括：i/o接口隔离电路和诊断控制单元，其中，i/o接口隔离电路连接负载。
58.诊断控制单元的工作电压低于负载的工作电压。例如，诊断控制单元的工作电压区间为12伏
±
0.5伏(大于等于11.5伏，小于等于12.5伏)，负载的工作电压为36伏
±
0.5伏(大于等于36.5伏，小于等于35.5伏)。由于工作电压的不同，诊断控制单元与负载不能直接电连接，因此通过i/o接口隔离电路在二者之间实现电性隔离。
59.在一些实施例中，诊断控制单元可以是单片机(single chip microcomputer，简称scm)、微处理器(micro controller unit，简称mcu)、中央处理器(central process unit，简称cpu)或现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)。
60.在一些实施例中，负载可以是电机控制器(如驱动电机控制器、门锁电机控制器、车载空调控制器、整车控制器)、电机(边刷电机、吸风电机、吸水扒电机、驱动电机、滚刷电机、轮毂电机)等车载电器设备。
61.参见图1，i/o接口隔离电路包括光耦u1、二极管d1和d2、电阻r4和r6、输入接口in和输出接口out；诊断控制单元具有使能端en和采样接口adin。
62.图1中，光耦u1的第一引脚1连接使能端en，第二引脚2接地，第三引脚3分别连接电阻r4的第一端和二极管d2的阳极，第四引脚4分别连接二极管d1的阴极和输入接口in；二极管d1的阳极连接电路供电电源vcc；二极管d2的阴极连接输出接口out；电阻r4的第二端分别连接电阻r6的第一端和采样接口adin；电阻r6的第二端接地；输入接口in连接负载的正极；输出接口out连接负载的控制信号输入接口；负载的正极还连接负载供电电源的正极，负载的负极连接负载供电电源的负极(或接地)。
63.诊断控制单元具有如下功能：
64.(1)控制负载工作状态
65.具体的，诊断控制单元通过使能端en向光耦u1输入使光耦u1不能导通的关闭控制信号，使输入接口in与输出接口out之间不导通，负载的控制信号输入接口没有任何输入，使负载处于非工作状态；或者，诊断控制单元通过使能端en向光耦u1输入使光耦u1能导通的开启控制信号，使输入接口in与输出接口out之间处导通，负载的控制下信号输入接口有信号输入，使负载处于工作状态。
66.(2)诊断i/o接口隔离电路与负载的连接状态
67.具体的，诊断控制单元通过采样接口adin采集i/o接口隔离电路上预定采样点的电压，并将采样电压与诊断控制单元预存的基准电压值进行比较，根据比较结果输出用于表示i/o接口隔离电路与负载的连接状态的信号。图1中，预定采样点为电阻r4的第二端和电阻r6的第一端。
68.在一些实施例中，诊断控制单元预存有多个基准电压值；这些基准电压值是当i/o接口隔离电路与负载处于某种连接状态时，预定采样点的电压值。
69.i/o接口隔离电路与负载的连接状态可以是如下几种状态中的任意一种：
70.状态1：输入接口in与负载的正极连接处于正常状态，且输出接口out与负载的控制信号输入接口连接处于正常状态；此时，若光耦u1导通，则负载处于工作状态，若光耦u1不导通，则负载处于非工作状态；
71.状态2：输入接口in与负载的正极连接处于开路状态(例如，正在进行电性能开路试验，或者输入接口in与负载的正极连接不良)，输出接口out无信号输出；此时，不论光耦u1是否导通，负载均处于非工作状态；
72.状态3：输出接口out短路且输出电压为0伏(例如，正在进行电性能短路试验，或者操作人员误将输出接口out连接到负载的负极，或者操作人员误将输出接口out接地)；此时，不论光耦u1是否导通，负载均处于非工作状态。
73.图1所示的电路结构中，基准电压值需要预先计算并存储在诊断控制单元中。在一些实施例中，基准电压值的计算方式为：
74.(1)状态1中，输入接口in与负载的正极连接正常，且输出接口out与负载的控制信号输入接口连接正常，此时输入接口in与输出接口out导通，输出接口out有信号输入至负
载的控制信号输入接口，从而控制负载x的动作，此时预定采样点(电阻r4的第二端和电阻r6的第一端)的电压值即为状态1对应的基准电压值，该基准电压值可按照公式1计算得到：
[0075][0076]
其中，v
base
是基准电压值，v
in
是输入接口in的电压，r4是电阻r4的电阻值，r6是电阻r6的电阻值。
[0077]
(2)状态2中，输入接口in与负载的正极之间开路，输出接口out无信号输出，负载处于非工作状态，此时预定采样点(电阻r4的第二端和电阻r6的第一端)的电压值即为状态2对应的基准电压值，该基准电压值可按照公式2计算得到：
[0078][0079]
其中，v
base
是基准电压值，vcc是电路供电电源的输出电压，r4是电阻r4的电阻值，r6是电阻r6的电阻值。
[0080]
(3)状态3中，输出接口out短路且输出电压为0伏，负载处于非工作状态，此时预定采样点(电阻r4的第二端和电阻r6的第一端)的电压值即为状态3对应的基准电压值，该基准电压值可视为等于二极管d2的钳位电压(钳位电压随温度略有微小变化，在某温度下是固定值)。
[0081]
需要说明的是，上述计算基准电压值的方式是在忽略二极管d1、d2的电压电流特性、光耦u1的电压电流特性、输出接口out的负载电路特性等情况下的简化计算方式。具体实施时，还可以利用这些元器件特性对应的具体参数对上述计算公式进行修正校准，得到每种状态下更精准的基准电压值。
[0082]
在预存每种状态对应的基准电压值之后，每当负载上电，诊断控制单元就可以通过采样接口adin采集预定采样点的电压，并将采样电压与预存的每种状态对应的基准电压值进行比较，若采样电压与某一状态对应的基准电压值非常接近(例如二者的差值绝对值小于一预定阈值)，则输出用于表示该种状态的信号。例如，可以通过输出不同电平或者不同波形的信号来表示i/o接口隔离电路与负载的不同连接状态。
[0083]
根据诊断控制单元输出的信号，工作人员可以立即了解i/o接口隔离电路与负载的连接状态，并快速定位故障，采取合理方式解决故障。
[0084]
图1所示电路中各元器件的功能如下：
[0085]
电路供电电源vcc的输出电压远低于负载的工作电压(例如电路供电电源vcc的输出电压可以与诊断控制单元的工作电压一致)，二极管d1的作用是防止从输入接口in输入的电流倒灌进电路供电电源vcc，避免对电路供电电源vcc造成损坏。
[0086]
二极管d2的作用是防止输出接口out与较高电压的外部电源发生短路时造成光耦u1的发射极和集电极击穿，避免光耦u1被击穿损坏。
[0087]
具体实施时，可以根据不同的电压系统，针对二极管d1、d2，选择合适耐压的型号，例如，在一些实施例中，二极管d1选用型号为b560cq(耐压60v)的二极管，二极管d2选用型号为b340a-13-f的二极管。
[0088]
电阻r4和电阻r6的作用是对图1中的隐藏采样点ad处的电压进行分压，以便诊断控制单元可以对预定采样点(电阻r4的第二端和电阻r6的第一端)的电压进行采样，而不是
直接对隐藏采样点ad处的电压直接采样，以免诊断控制单元因直接对隐藏采样点ad采样而被烧坏。
[0089]
如图2所示，相比于图1所示的电路结构，在一些实施例中，i/o接口隔离电路还包括：电阻r1，其中，电阻r1的第一端分别连接光耦u1的第四引脚4和输入接口in，第二端连接二极管d1的阴极。电阻r1能够起到限制所在电路电流的作用，以免二极管d1和电路供电电源vcc因电流过高而损坏。
[0090]
如图3所示，相比于图1所示的电路结构，在一些实施例中，i/o接口隔离电路还包括：电阻r2，其中，电阻r2的第一端连接使能端en，第二端连接光耦u1的第一引脚1。电阻r2能够起到限制所在电路电流的作用，以免光耦u1因电流过高而损坏。
[0091]
如图4所示，相比于图1所示的电路结构，在一些实施例中，i/o接口隔离电路还包括：电阻r3，其中，电阻r3的第一端连接光耦u1的第四引脚4，第二端连接输入接口in。电阻r3能够起到限制所在电路电流的作用，以免当输入接口in连接正常而输出接口out被短路到0v(例如接地)时，光耦u1因电流过高而被烧毁。具体实施时，电阻r3的电阻值可以根据需要进行调整，确保限流后电路中的电流不要超过光耦u1的最大电流即可。
[0092]
如图5所示，相比于图1所示的电路结构，在一些实施例中，i/o接口隔离电路还包括：电阻r5和电容器c1；其中，电阻r5的第一端分别连接采样接口adin和电容器c1的第一极板，第二端分别连接r6的第一端和电阻r4的第二端；电容器c1的第二极板接地。电阻r5和电容c1构成低通滤波器，用于滤除采样接口adin所采集信号中的波动噪声。
[0093]
如图6所示，相比于图1所示的电路结构，在一些实施例中，i/o接口隔离电路还包括：电阻r1、r2、r3、r5和电容器c1；其中，电阻r1的第一端分别连接光耦u1的第四引脚4和电阻r3的第一端，第二端连接二极管d1的阴极；电阻r2的第一端连接使能端en，第二端连接光耦u1的第一引脚1；电阻r3的第二端连接输入接口in；电阻r5的第一端分别连接采样接口adin和电容器c1的第一极板，第二端分别连接r6的第一端和电阻r4的第二端；电容器c1的第二极板接地。其中，各个元器件的作用与图1～图5所示电路结构中相应元器件的作用相同，此处不再赘述。
[0094]
在图6所示的电路结构中，预定的采样点为电阻r5的第一端和电容器c1的第一极板，基准电压值为电阻r5的第一端和电容器c1的第一极板的电压值。
[0095]
在图6所示的电路结构中，预先计算并存储在诊断控制单元中的基准电压值可按照如下方式计算：
[0096]
(1)状态1对应的基准电压值可按照公式3计算得到：
[0097][0098]
其中，v
base
是基准电压值，v
in
是输入接口in的电压，r3是电阻r3的电阻值，r4是电阻r4的电阻值，r6是电阻r6的电阻值。
[0099]
(2)状态2对应的基准电压值可按照公式4计算得到：
[0100][0101]
其中，v
base
是基准电压值，vcc是电路供电电源的输出电压，r1是电阻r1的电阻值，
r4是电阻r4的电阻值，r6是电阻r6的电阻值。
[0102]
(3)状态3对应的基准电压值可视为等于二极管d2的钳位电压。
[0103]
基于相同的发明构思，本实用新型还提供一种车辆，如图7所示，该车辆包括：移动本体，具备诊断功能的隔离电路(图1～图6所示的任意一种)以及，负载。其中，具备诊断功能的隔离电路可以起到控制负载的工作状态、诊断i/o接口隔离电路与负载的连接状态的功能。其工作原理可参考前述对图1～图6所示任意一种具备诊断功能的隔离电路的介绍，此处不再赘述。
[0104]
在一个具体示例中，图7所示的车辆为无人驾驶清扫车，该无人驾驶清扫车配置有：移动本体(基于无人驾驶技术实现陆表移动功能)、边刷(用于清扫路面灰尘)、边刷电机(用于驱动边刷，即负载)、具备诊断功能的隔离电路(其电路结构如图6所示)。该示例中，具备诊断功能的隔离电路中的诊断控制单元选用型号为英飞凌aurix系列tc297的单片机，tc297型单片机的工作电压为5伏，边刷电机的工作电压为24伏。
[0105]
tc297型单片机和边刷电机通过i/o接口隔离电路实现电性隔离，一方面，tc297型单片机通过向i/o接口隔离电路发送开关控制信号，实现控制边刷电机执行清扫路面工作的功能，另一方面，tc297型单片机通过对i/o接口隔离电路上的预定采样点采集电压，并将其与基准电压值比较，实现对i/o接口隔离电路与负载的连接状态进行诊断的功能。
[0106]
随着现代汽车电子电气系统日趋复杂，故障的排查难度不断增加，通过本实用新型提供的具备诊断功能的隔离电路，可以在实现低压控制器控制高压负载工作的同时具备诊断负载连接状态的功能，便于快速定位负载连接故障和找到解决方案，节省工程实践中的人力物力成本。
[0107]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。