CN107436596B - 电动助力转向系统的主辅mcu冗余监控方法 - Google Patents

电动助力转向系统的主辅mcu冗余监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，电动助力转向系统包括电机和MCU模块，所述电机采用继电器进行开停控制，所述MCU模块包括主MCU模块和辅助MCU模块，其中，所述监控方法包括通过主MCU、辅助MCU的两个MCU共同控制一个继电器，当任意一个MCU发出关断继电器指令时，继电器处于关闭状态，切断电机驱动电路的供电，电动助力转向系统切换到机械转向机状态。本发明提供的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，在不需要使用SPI总线通讯的情况下，实现主辅MCU冗余监控的功能，既能解决软件或硬件看门狗方案技术上的先天不足，又比使用SPI总线通讯方式降低系统成本。

Description

电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，涉及电动助力转向系统的电子技术，尤其涉及一种具有双MCU冗余监控的方法。
背景技术
电动助力转向系统属于汽车安全相关部件，对功能安全的要求极高，其功能安全等级为ASIL D级。
因此电动助力转向系统各关键子部件的功能安全要求极高，其中，ECU作为电动助力转向需系统的大脑，其软硬件的安全性设计尤为关键。
在早期的电动助力转向系统安全性设计中，主要使用硬件看门狗或软件看门狗，但是这两种方式都存在一定的缺陷：
(1)使用硬件看门狗虽然具备将MCU重启的功能，但是不能直接切断电动助力转向系统的助力，需要增加额外的辅助电路；
(2)使用软件看门狗可能导致系统频繁重启，在车辆行驶过程中反而会带来其它的安全隐患；
(3)如果故障的起因是MCU的晶振停振，无论使用硬件看门狗还是软件看门狗，都起不到直接切断电动助力转向系统助力的目的；
(4)如果硬件看门狗电路本身发生故障，MCU无法检测。
现有的一些设计使用主辅MCU用串行SPI通信的方式来实现主辅MCU的冗余监控功能。这种方式要求主辅MCU都具有SPI总线通讯设备，对MCU的要求比较高，因此相对来说成本也比较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新的主辅MCU冗余监控方法，在不需要使用SPI总线通讯的情况下，实现主辅MCU冗余监控的功能，既能解决软件或硬件看门狗方案技术上的先天不足，又比使用SPI总线通讯方式降低系统成本。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：
一种电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，包括电动助力转向系统包括电机和MCU模块，所述电机采用继电器进行开停控制，所述MCU模块包括主MCU模块和辅助MCU模块，其中，所述监控方法包括如下步骤：所述主MCU模块和辅助MCU模块共同控制所述继电器，当任意一个MCU模块发出关断继电器指令时，继电器处于关闭状态，切断电机驱动电路的供电，电动助力转向系统切换到机械转向机状态；当辅助MCU模块发现主MCU模块出现故障时，通过辅助MCU模块的一个输出口强制对主MCU模块进行Reset操作。
进一步地，所述主MCU模块和辅助MCU模块通过不同周期的方波进行信息的交互,所述主MCU模块和辅助MCU模块相互监控对方运行状态，当发现任意一个MCU存在故障时，通过另一个MCU关断继电器。
进一步地，在初始阶段，所述主MCU模块通知辅助MCU模块一起进行继电器的导通和关断动作，并分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，判断继电器的控制逻辑是否被正确执行。
进一步地，当主MCU模块向辅助MCU模块发出继电器的导通或关断信号后，如果没有收到辅助MCU模块的反馈信号，则判定为ECU内部信号传输故障。
进一步地，当主MCU模块向辅助MCU模块发出继电器的导通或关断信号，并收到辅助MCU模块的反馈信号后，再分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，如果采样信号与继电器的控制逻辑不符合，则判定继电器出现无法导通或无法关断故障。
进一步地，在轮询阶段，在辅助MCU侧，如果超过第一预设阀值没有检测到握手监控特征方波，或者如果相邻两次检测到握手监控特征方波的时间间隔小于第二预设阀值，则认为主MCU程序运行异常；在主MCU侧，如果超过第一预设阀值没有检测到握手监控响应信号特征方波，或者如果相邻两次检测到握手监控响应信号特征方波的时间间隔小于第二预设阀值，则认为辅助MCU程序运行异常。
进一步地，所述第一预设阀值为30ms，所述第二预设阀值为5ms。
进一步地，在轮询阶段，如果主MCU模块需要运行资源高消耗的任务时，发送停止握手特征方波通知辅助MCU模块停止相互监控，并在收到辅助MCU模块的反馈信号后开始执行资源高消耗的任务，并在执行完任务后，通知辅助MCU模块重新开始相互监控。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明使用两个MCU共同控制一个继电器，在上电检测阶段先对继电器的开关逻辑进行诊断，判断两个继电器是否能在两个MCU的控制下按照正确的逻辑动作；在程序轮询运行阶段，两个MCU之间相互监控对方运行状态，当发现任意一个MCU存在故障时，通过无故障的MCU关断继电器来达到系统安全的目的。此外，本发明在增加有限硬件成本的基础上，通过软件监控策略实现故障保护，大大提升电动助力转向系统的性价比。
附图说明
图1为本发明的主辅MCU冗余监控原理示意图；
图2为本发明的主辅MCU方波信息交互协议示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明的主辅MCU冗余监控原理示意图。
请参见图1，本发明提供的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，包括电动助力转向系统包括电机和MCU模块，所述电机采用继电器进行开停控制，所述MCU模块包括主MCU模块和辅助MCU模块，其中，所述监控方法包括如下步骤：所述主MCU模块和辅助MCU模块共同控制所述继电器，当任意一个MCU模块发出关断继电器指令时，继电器处于关闭状态，切断电机驱动电路的供电，电动助力转向系统切换到机械转向机状态；当辅助MCU模块发现主MCU模块出现故障时，通过辅助MCU模块的一个输出口强制对主MCU模块进行Reset操作。
如图2所示，主辅MCU通过不同周期的方波进行信息的交互，主MCU通过SL_I2上不同周期的方波来代表不同的含义，辅助MCU侦测SL_I2的方波周期，并通过SL_O2发送相应周期的信号给主MCU。
由于SL_I2和SL_O2两根线上的方波信号是间歇性的，为了防止信号线的毛刺干扰等引起程序误判断，使用SL_I1和SL_O1作为这两个方波信号的片选信号，仅SL_I1(SL_O1)为高电平期间，辅助(主)MCU侦测SL_I2(SL_O2)上的方波信号周期。
辅助MCU计算SL_I2上信号周期的方法为：
T_I2＝[TIx_1+TIx_2+TIx_3+TIx_4-min(TIx_1,TIx_2,TIx_3,
TIx_4)-max(TIx_1,TIx_2,TIx_3,TIx_4)]/2；
主MCU计算SL_O2上信号周期的方法为：
T_O2＝[TOx_1+TOx_2+TOx_3+TOx_4-min(TOx_1,TOx_2,TOx_3,
TOx_4)-max(TOx_1,TOx_2,TOx_3,TOx_4)]/2；
考虑到检测精度，定义5％的允许偏差。故可定义如下不同的方波周期代表不同的含义：
Figure BDA0001204551990000041
Figure BDA0001204551990000051
双MCU冗余监控由初始阶段的自检测和程序轮询阶段的自检测两个部分的内容组成。
(1)初始阶段双MCU冗余自检测
初始阶段自检测包括两个内容，一方面检测两个MCU之间，另一方面检测继电器的控制逻辑是否能正确地被执行。继电器的控制逻辑如下表：
主MCU指令 辅助MCU指令 继电器状态
关断 导通 关断
关断 关断 关断
导通 关断 关断
导通 导通 导通
1.1主MCU设置Ma_O1为关断继电器状态，然后通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_RelayOn，辅助MCU检测到C_RelayOn方波以后，设置Sl_O3为导通继电器的状态，同时通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发R_RelayOn的信号。
如果主MCU检测不到正确的R_RelayOn信号，则判定ECU内部信号传输故障。
如果主MCU可以检测到正确的R_RelayOn信号，则分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，
IF电池电压－触点电压<诊断阀值
则认定继电器已经导通，与继电器控制逻辑不符合，出现继电器无法关断故障；
1.2主MCU设置Ma_O1为关断继电器状态，然后通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_RelayOff，辅助MCU检测到C_RelayOff方波以后，设置Sl_O3为关断继电器的状态，同时通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发R_RelayOff的信号。
如果主MCU检测不到正确的R_RelayOff信号，则判定ECU内部信号传输故障。
如果主MCU可以检测到正确的R_RelayOff信号，则分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，
IF电池电压－触点电压<诊断阀值
则认定继电器已经导通，与继电器控制逻辑不符合，出现继电器无法关断故障；
1.3主MCU设置Ma_O1为导通继电器状态，后通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_RelayOff，辅助MCU检测到C_RelayOff方波以后，设置Sl_O3为关断继电器的状态，同时通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发R_RelayOff的信号。
如果主MCU检测不到正确的R_RelayOff信号，则判定ECU内部信号传输故障。如果主MCU可以检测到正确的R_RelayOff信号，则分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，
IF电池电压－触点电压<诊断阀值
则认定继电器已经导通，与继电器控制逻辑不符合，出现继电器无法关断故障；
1.4主MCU设置Ma_O1为导通继电器状态，然后通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_RelayOn，辅助MCU检测到C_RelayOn方波以后，设置Sl_O3为导通继电器的状态，同时通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发R_RelayOn的信号。
如果主MCU检测不到正确的R_RelayOn信号，则判定ECU内部信号传输故障。
如果主MCU可以检测到正确的R_RelayOn信号，则分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，
IF电池电压－触点电压<诊断阀值
则认定继电器已经导通，与继电器控制逻辑符合，无故障；否则，认为继电器关断，与继电器控制逻辑不符合，出现继电器无法导通故障。
(2)轮询阶段双MCU冗余互检测
2.1主MCU通知辅助MCU开始轮询互相监测
初始诊断结束后，如果检测到无故障发生，通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_StartMonitor，通知辅助MCU开始双MCU冗余自检测，辅助MCU检测到方波信号C_StartMonitor后，通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发方波信号R_StartMonitor。
如果主MCU在发出C_StartMonitor后的一定时间内(如10ms)不能检测到R_StartMonitor，则认定方波通信故障。
2.2轮询相互监控
在2.1所述的StartMonitor检测通过以后，主MCU每隔10ms通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_Monitor，辅助MCU检测到方波信号C_StartMonitor后，通过SL_O1和SL_O2向主MCU回发R_Monitor的方波信号。
在辅助MCU侧，如果满足下列条件则认为主MCU程序运行异常：
(1)超过30ms没有检测到C_Monitor特征方波
(2)相邻两次检测到C_Monitor特征方波的时间间隔小于5ms
在主MCU侧，如果满足下列条件则认为辅助MCU程序运行异常：
(1)超过30ms没有检测到R_Monitor特征方波
(2)相邻两次检测到R_Monitor特征方波的时间间隔小于5ms
2.3停止相互监控
在主MCU侧，在某些特定情况下主MCU需要进行一些花销时间比较长的任务而不能运行其他任务，比如发送C_Monitor特征方波，在这种情况下，如果辅助MCU继续进行监控，就会误报故障。
因此，本发明特别设计了停止监控的特征方波。在主MCU需要运行这些花销时间长的任务之前，主MCU通过SL_I1和SL_I2发送方波信号C_StopMonitor，辅助MCU检测到特征方波信号C_StopMonitor后，停止对主MCU的监控，并通过SL_O1和SL_O2回发特征方波型号R_StopMonitor。主MCU检测到R_StopMonitor后，开始执行花销时间长的任务。
执行完花销时间长的任务后，重复2.1及2.2，主辅MCU重新开始相互监控。
(3)故障处理
3.1主MCU检测到辅助MCU任意故障以后，将通过Ma_O1关断继电器，转向系统切换为机械转向系统，本驾驶循环不再提供助力，确保系统安全。等待点火开关关闭后记录相关故障信息到ECU的数据存储空间中。
3.2辅助MCU检测到主MCU任意故障以后，将通过SL_O3关断继电器，转向系统切换为机械转向系统，本驾驶循环不再提供助力，确保系统安全。同时，通过SL_O4将主MCU重启。在此情况下，主MCU重启后，主MCU程序内部将识别重启源为与辅助MCU相连的SL_O3端口，本驾驶循环不在提供任何助力，等待点火开关关闭后记录相关故障信息到ECU的数据存储空间中。
特别的，目前已有的技术中，在主MCU程序跑飞的情况下，需要辅助MCU利用其内部数据存储空间暂存故障相关信息，主MCU在重新点火恢复正常后查询辅助MCU的数据存储空间来判断其自身是否曾经发生故障。因而对辅助MCU的要求都比较高，成本也比较高。本发明所提出的技术方案，不需要辅助MCU有内部数据存储空间，也不需要SPI通讯功能，对辅助MCU的要求更低，因此也节约了成本。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，所述电动助力转向系统包括电机和MCU模块，所述电机采用继电器进行开停控制，所述MCU模块包括主MCU模块和辅助MCU模块，其特征在于，所述监控方法包括如下步骤：
所述主MCU模块和辅助MCU模块共同控制所述继电器，当任意一个MCU模块发出关断继电器指令时，继电器处于关闭状态，切断电机驱动电路的供电，电动助力转向系统切换到机械转向机状态；
当辅助MCU模块发现主MCU模块出现故障时，通过辅助MCU模块的一个输出口强制对主MCU模块进行Reset操作；
所述主MCU模块和辅助MCU模块通过不同周期的方波进行信息的交互,所述主MCU模块和辅助MCU模块相互监控对方运行状态，当发现任意一个MCU存在故障时，通过另一个MCU关断继电器；
在轮询阶段，在辅助MCU侧，如果超过第一预设阀值没有检测到握手监控特征方波，或者如果相邻两次检测到握手监控特征方波的时间间隔小于第二预设阀值，则认为主MCU程序运行异常；在主MCU侧，如果超过第一预设阀值没有检测到握手监控响应信号特征方波，或者如果相邻两次检测到握手监控响应信号特征方波的时间间隔小于第二预设阀值，则认为辅助MCU程序运行异常；
在轮询阶段，如果主MCU模块需要运行资源高消耗的任务时，发送停止握手特征方波通知辅助MCU模块停止相互监控，并在收到辅助MCU模块的反馈信号后开始执行资源高消耗的任务，并在执行完任务后，通知辅助MCU模块重新开始相互监控。
2.如权利要求1所述的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，其特征在于，在初始阶段，所述主MCU模块通知辅助MCU模块一起进行继电器的导通和关断动作，并分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，判断继电器的控制逻辑是否被正确执行。
3.如权利要求2所述的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，其特征在于，当主MCU模块向辅助MCU模块发出继电器的导通或关断信号后，如果没有收到辅助MCU模块的反馈信号，则判定为ECU内部信号传输故障。
4.如权利要求2所述的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，其特征在于，当主MCU模块向辅助MCU模块发出继电器的导通或关断信号，并收到辅助MCU模块的反馈信号后，再分别对继电器触点电压与电池电压进行采样，如果采样信号与继电器的控制逻辑不符合，则判定继电器出现无法导通或无法关断故障。
5.如权利要求1所述的电动助力转向系统的主辅MCU冗余监控方法，其特征在于，所述第一预设阀值为30ms，所述第二预设阀值为5ms。
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