CN106597322A - 一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在供电电压变化的条件下得到诊断充气钨丝灯泡工作状态的关键参数的电路（以下称充气钨丝灯泡诊断参数运算电路）及其方法,仅以乘法运算及求差运算便可计算出用于诊断灯泡工作状态在不同电压下的理论电流值，利用特定的分压电路、乘法电路、比例运算电路、求差电路组合即可实现对充气钨丝灯泡工作状态的诊断，不依赖可编程器件（如处理器等）即便在车辆系统中的可编程器件（如处理器等）失效也可以保证充气钨丝灯泡的正常工作，保障车辆的行车安全。

Description

一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路

技术领域

本发明涉及一种诊断负载为充气钨丝灯泡的工作状态的关键电路。

背景技术

在汽车行业中通常要求当可编程器件（如处理器等）失效后车辆行驶所必须的功能依旧保持正常。对于部分车辆行驶所必须的灯泡而言（如前后转向灯、刹车灯等），诊断灯泡的工作状态则是保障灯泡正常工作的前提。故而，对于部分灯泡则要求当可编程器件（如处理器等）失效后依旧可以诊断灯泡的工作状态。

检测灯泡的工作状态实则是计算灯泡在不同电压下的理论工作电流并与实际工作电流比较，以判断灯泡当前是处于欠流状态、正常状态或过流状态。车载系统中通常使用充气钨丝灯泡，当一个或多个充气钨丝灯泡与直流恒压电源并联时，灯泡的理论电流值与电压的关系为：

I=I₀×（U/U₀）^0.55

其中U为当前灯泡两端的实际电压，I为流经灯泡的理论电流，U₀为灯泡的测试电压，I₀为灯泡在测试电压下的电流。由于式中的指数运算较为复杂，往往需要依赖可编程器件（如处理器等）完成，这便导致了当可编程器件（如处理器等）失效后无法对灯泡的故障状态进行检测，给行车安全带来隐患。

对此，为了解决上述问题，人们需要一种不依赖可编程器件（如处理器等）也可以诊断充气钨丝灯泡的运算电路。

发明内容

本发明提供了一种不依赖可编程器件（如处理器等）即可以计算灯泡电流、诊断充气钨丝灯泡的运算电路。

本发明所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，包括：

分压电路:分压电路的输入端输入待测灯泡两端的实际电压差X，对该实际电压差X进行分压，输出分压后的待测灯泡两端电压差，记为X₁，分压电路的输出端与乘法电路的输入端连接；

乘法电路：乘法电路第一输入端和第二输入端的输入值均为上述分压电路的输出X₁，乘法电路将第一输入端与第二输入端的值相乘，输出为X₁的平方，即为X₁ ²，乘法电路的输出端与比例运算电路的输入端连接；

比例运算电路：比例运算电路的输入端与乘法电路的输出端连接，比例运算电路对输入端输入的X₁ ²进行比例运算，比例运算电路的比例系数为A,其输出则为AX₁ ²，比例运算电路的输出端与求差电路的输入端连接；

求差电路：求差电路的被减数输入端与分压电路的输出端相连，即输入X₁, 求差电路的减数输入端与比例运算电路的输出端连接，即输入AX₁ ²；求差电路对正向输入端与反向输入的数值进行求差，输出端得到X₁与AX₁ ²的差值，即X₁-AX₁ ²的值。

本发明所述一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，可用于诊断车载系统中充气钨丝灯泡的电流。车载系统中通常使用充气钨丝灯泡作为车载灯泡，当一个或多个充气钨丝灯泡与直流恒压电源并联时，流经灯泡的理论电流值I₁可由式子I₁=I₀×（U₁/U₀）^0.55计算得到，其中U₁为当前灯泡两端的实际电压， U₀为灯泡的测试电压，I₀为灯泡的测试电流。但是，由于在12V的车载电力系统中，灯泡两端的实际电压通常在6V至16V区间内，在此条件下，流经灯泡的理论电流值I₁,则可以由式子I₂=X-AX²+B近似得到，其中I₂为高度近似灯泡理论电流值I₁的近似理论电流值,X为灯泡两端实际电压差，A为放大系数，B为补偿常数。由于B为常数，可以在后续计算中直接减去，故而为了提高运算效率，设置诊断电流值I₃= X-AX²，实际应用中使用诊断电流值I₃对充气钨丝灯泡的工作状态进行诊断。该诊断电流值I₃即为用于判断充气钨丝灯泡工作状态的电流参数，该参数利用分压电路、乘法电路、比例运算电路和求差电路四个基础的电路即可得到，不依赖可编程器件（如处理器等）即可完成对充气钨丝灯泡工作状态的诊断，即便在车辆系统中的可编程器件（如处理器等）失效也可以保证充气钨丝灯泡的正常工作，保障车辆的行车安全。

附图说明

图1为一种诊断充气钨丝灯泡工作状态的运算电路的原理框图。

图2为一种诊断充气钨丝灯泡工作状态的运算电路的电路图。

具体实施方式

车载系统中通常使用充气钨丝灯泡作为车载灯泡，一个或多个充气钨丝灯泡并联由直流恒压电源供电时，流经灯泡的理论电流值I₁可由式一

I=I₀×（U/U₀）^0.55

计算得到，其中U₁为当前灯泡两端的实际电压， U₀为灯泡的测试电压，I₀为灯泡在测试电压下的电流。取U₁=U/4, 则有:

I₂=I₀×（U₁/U₀）^0.55= I₀×(1/4)^0.55×（U/U₀）^0.55=0.466516×I

(精确至小数点后六位)

再将I₂乘上一个比例系数k，使其取值范围适合后续的运算，得到I₁,即:

I₁=k×I₂=k×0.466516×I

其中,k=2.072547×U₀ ^0.55/I₀

对于确定的灯泡而言, U₀和I₀的值是预先确定的， I₁与I只差确定的常数倍,，所以可以用I₁来表征I的大小。并且由于在自然数范围内 I₁与I是一一对应的,所以可以诊断时可直接判断I₁的大小是否在正常范围即可。

由于在12V的车载电气系统中，灯泡两端的实际电压通常在6V至16V区间内，该电压值较大而且后续电路中涉及乘法电路，其电压值会大幅上升，将导致后续器件在高电压状态工作，对器件要求较高，限制了元器件的选择。对此，可本专利对灯泡的实际电压先用分压电路进行分压, 分压后的电压为实际电压的1/4。 在此电压范围内，流经灯泡的理论电流的表征值I₁以安培为单位时的量值,可以由

I₁≈AX₁ ²+X₁+B (式二)

近似得到，其中：

X₁为灯泡两端实际电压差的1/4并且以伏特为单位时的量值；

A为二次项系数, 当其取值为 -0.0501900时近似精度最高 (精确至小数点后 6位)；

B为常数，当其取值为1.2437941时近似精度最高(精确至小数点后 6位)。

由于B为常数，可以在后续计算中直接减去，故而为了简化计算步骤，设I₃ =I₁-B=X₁-A₁X₁ ²，实际应用中使用I₃对充气钨丝灯泡的工作状态进行诊断。

至此，本发明提供了一种获得充气钨丝灯泡在不同电压下理论电流高精度近似值的表征值的方法。本计算方法仅利用乘法运算和求差, 求和运算即可得到灯泡在电压X下的理论电流值高度近似值的表征值，避免了复杂的指数为小数的指数函数计算。该方法既可运用于以非可编程器件组成的电路实现脱离处理器的灯泡诊断功能，也运用于在可编程器件中以简少诊断算法的运算量。

如图1和图2所示，本发明所述的一种诊断充气钨丝灯泡工作状态的运算电路，包括：分压电路:分压电路的输入端输入待测灯泡两端的实际电压差X，对该实际电压差X进行分压，输出分压后的待测灯泡两端电压差，记为X₁，分压电路的输出端与乘法电路的输入端连接；乘法电路：乘法电路第一输入端和第二输入端的输入值均为上述分压电路的输出X₁，乘法电路将第一输入端与第二输入端的值相乘，输出为X₁的平方，即为X₁ ²，乘法电路的输出端与比例运算元的输入端连接；比例运算电路：比例运算电路的输入端与乘法电路的输出端连接，比例运算电路对输入端输入的X₁ ²进行比例运算，比例运算电路的比例系数为A, 其输出则为AX₁ ²，比例运算电路的输出端与求差电路的输入端连接；求差电路：求差电路的被减数输入端与分压电路的输出端相连，即输入X₁, 求差电路的减数输入端与比例运算电路的输出端连接，即输入AX₁ ²。求差电路对正向输入端与反向输入的数值进行求差，输出端得到X₁与AX₁ ²的差值，即X₁-AX₁ ²的值，该值即为待测灯泡的理论电流的表征值I₃以安培为单位时的量值。本运算电路通过分压电路、乘法电路、比例运算电路及求差电路完成对诊断电流值I₃= X₁-AX₁ ²的计算，电路结构简单易搭建，低成本，高效率，并且无需使用可编程器件（如处理器等），解决了现有诊断电路存在的问题。所述比例系数A取值为闭区间[0.045,0.057]内的所有自然数,运算电路所得的I₃ ，误差较小，即可用于诊断得当前充气钨丝灯泡当前的工作状态。当比例系数A取值为0.050190时，由该电路运算得到的理论电流表征值I₃根据计算式I₃ =I₁-B算得到的理论电流值I₁，与流经灯泡的理论电流值I₁最为接近，也即近似精度最高，即理论电流表征值I₃对流经灯泡的理论电流值I₁的表征最准确。

为了保护后级电路的安全，降低最后一级运算放大器的输入阻抗, 增加其输入信号对电磁干扰的抵抗能力，可在求差电路的被减数输入端设置第五电阻R5用以降低求差电路的输入阻抗，第五电阻R5一端与求差电路的被减数输入端连接，另一端与比例运算电路的输出端连接。

如图2所示，所述分压电路包括第一电阻R1和第一电阻R2，第一电阻R1一端作为分压电路的输入端输入待测灯泡两端的实际电压差X，另一端作为分压电路的输出端与乘法电路输入端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2另一端接地。所述乘法电路包括乘法器，乘法器第一输入端和第二输入端的输入值均为待测灯泡两端的电压差X经过分压电路的输出X₁，输出端与比例运算电路的输入端连接。所述比例运算电路包括运算放大器和电阻，该第一运算放大器的同相输入端作为此比例运算电路的输入端与乘法器的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与第三电阻R3和第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端接地，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端作为比例运算电路的输出端与求差电路的输入端连接。所述求差电路包括运算放大器和电阻，该第二运算放大器的同相输入端与第七电阻R7和第八电阻R8连接，第七电阻R7的另一端作为求差电路的被减数输入端输入待测灯泡两端的电压差X，第八电阻R8的另一端接地，第二运算放大器的反相输入端与第九电阻R9和第十电阻R10连接，第九电阻R9的另一端作为求差电路的减数输入端与比例运算电路的输出端连接即输入放大一定比例的待测灯泡两端的电压差值的平方AX₁ ²，第十电阻R10的另一端与第二运算放大器的输出端连接作为求差电路的输出端, 输出待测灯泡两端的电压差的分压X₁减去放大一定比例的待测灯泡两端的电压差值的平方AX₁ ²的值X₁-AX₁ ²。

其中分压电路第一电阻R1与第二电阻的取值满足R1与R2之比在闭区间[0.23,0.27]，并且，求差电路中第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10的阻值相同，以保证待测灯泡两端的电压差X与放大一定比例的待测灯泡两端的电压差值的平方AX²相减的实现。

该电路的输出电压以伏特为单位时的量值近似等于与以安培为单位的诊断电流特征值I₃的量值。由于其量值近似故可直接以电路输出的量值作为诊断电流表征值。

需注意的是本实例只是给出乘法电路，比例运算电路，求差电路的一种搭建方法，在实际应用中搭建乘法电路，放大电路及求差电路的方法很多，在此发明中不一一详述，但任意与本发明所述的乘法电路，比例运算电路和求差电路起到相同作用、实现相同功能、达到相同目的的电路结构都应属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于，包括：

分压电路：分压电路的输入端输入待测灯泡两端的实际电压差X，对该实际电压差X进行分压，输出分压后的待测灯泡两端电压差，记为X₁，分压电路的输出端与乘法电路的输入端连接；

乘法电路：乘法电路第一输入端和第二输入端的输入值均为上述分压电路的输出X₁，乘法电路将第一输入端与第二输入端的值相乘，输出为X₁的平方，即为X₁ ²，乘法电路的输出端与比例运算电路的输入端连接；

比例运算电路：比例运算电路的输入端与乘法电路的输出端连接，比例运算电路对输入端输入的X₁ ²进行比例运算，比例运算电路的比例系数为A，其输出则为AX₁ ²，比例运算电路的输出端与求差电路的输入端连接；

求差电路：求差电路的被减数输入端与分压电路的输出端相连，即输入X₁, 求差电路的减数输入端与比例运算电路的输出端连接，即输入AX₁ ²；求差电路对正向输入端与反向输入的数值进行求差，输出端得到X₁与AX₁ ²的差值，即X₁-AX₁ ²的值。

2.根据权利要求1所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述求差电路的被减数输入端设置有第五电阻R5用以降低求差电路的输入阻抗，第五电阻R5一端与求差电路的被减数输入端连接，另一端与比例运算电路的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述比例系数A取值为闭区间[0.045, 0.057]内的所有自然数。

4.根据权利要求3所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述比例系数A取值为0.050190。

5.根据权利要求1-4任意所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述分压电路包括第一电阻R1和第一电阻R2，第一电阻R1一端作为分压电路的输入端输入待测灯泡两端的实际电压差X，另一端作为分压电路的输出端与乘法电路输入端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2另一端接地。

6.根据权利要求5任意所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述分压电路第一电阻R1与第二电阻的取值满足R1与R2之比在闭区间[0.23,0.27]内的所有自然数。

7.根据权利要求1-4任意所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述乘法电路包括乘法器，乘法器第一输入端和第二输入端的输入值均为待测灯泡两端的电压差X经过分压电路的输出X₁，输出端与比例运算电路的输入端连接。

8.根据权利要求1-4任意所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述比例运算电路包括运算放大器和电阻，该第一运算放大器的同相输入端作为此比例运算电路的输入端与乘法器的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与第三电阻R3和第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端接地，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端作为比例运算电路的输出端与求差电路的输入端连接。

9.根据权利要求1-4任意所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述求差电路包括运算放大器和电阻，该第二运算放大器的同相输入端与第七电阻R7和第八电阻R8连接，第七电阻R7的另一端作为求差电路的被减数输入端输入待测灯泡两端的电压差X，第八电阻R8的另一端接地，第二运算放大器的反相输入端与第九电阻R9和第十电阻R10连接，第九电阻R9的另一端作为求差电路的减数输入端与比例运算电路的输出端连接即输入放大一定比例的待测灯泡两端的电压差值的平方AX₁ ²，第十电阻R10的另一端与第二运算放大器的输出端连接作为求差电路的输出端, 输出待测灯泡两端的电压差的分压X₁减去放大一定比例的待测灯泡两端的电压差值的平方AX₁ ²的值X₁-AX₁ ²。

10.根据权利要求9所述的一种充气钨丝灯泡诊断参数运算电路，其特征在于：所述求差电路第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10的阻值相同。