汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的製作方法

2023-10-27 06:48:42 3

專利名稱：汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於人員培訓考核技術領域，涉及汽車駕駛員及維修人員培訓考核用 的汽車電氣系統故障的自動模擬裝置。
背景技術：
汽車電氣系統的基本工作模式為汽車電氣系統傳感器採集工作數據，傳遞給汽車 電氣系統控制器，汽車電氣系統控制器對該數據進行處理，輸出控制信號給汽車電氣系統 執行器，控制執行器完成相應動作。如果在傳感器、控制器和執行器之間的電氣信號連接出 現問題，則會造成汽車電氣系統故障。中國專利申請號92224075. 6，名稱「汽車電氣接線及 故障顯示器」給出的方案是各路電器均通過熔斷器接至母線，熔斷器與發光器件並接，一旦 熔斷器熔斷，發光器件則發光，指示故障所在，給維修尋找故障提供方便。該方案不能對汽 車電氣故障隨意人為設置和撤銷，不適用於人員培訓。在汽車電氣系統的培訓中，查找並排除信號連接故障是一項基本並且重要的內 容，也是考核汽車電氣維修人員技能的一項重要內容。目前使用的培訓和考核方式主要有 三種，其一是書面形式，該種方式涉及內容廣泛，但脫離實際，造成實際操作技能的欠缺；其 二是在車外教具或模型上進行，該種形式的問題是受限於教具或模型，內容單一；其三是在 車況良好的實車上反覆拆裝信號連線，設置故障，但是該種方式對車輛損壞較大，成本高， 耗時長。
發明內容本實用新型的目的是解決在汽車電氣系統培訓中不用拆裝實車上電信號的連接 設備，而又能設置實車上的電信號故障，在車上直接進行人員培訓、考核，提出一種汽車電 氣系統故障的自動模擬裝置。實現的技術方案為本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，它包括計算 機和故障設置箱，其特徵是所述故障設置箱包括微處理器、鎖存器組、繼電器驅動器組、繼 電器組和EEPROM ；所述的鎖存器組包括有第一鎖存器、第二鎖存器、第三鎖存器、……、第N 鎖存器；所述的繼電器驅動器組包括有第一繼電器驅動器、第二繼電器驅動器、第三繼電器 驅動器、……、第N繼電器驅動器；所述的繼電器組包括有第一繼電器、第二繼電器、第三繼 電器、……、第N繼電器；第一鎖存器、第一繼電器驅動器、第一繼電器組成模擬電氣故障信 號的第一故障控制通道，第二鎖存器、第二繼電器驅動器、第二繼電器組成模擬電氣故障信 號的第二故障控制通道，第三鎖存器、第三繼電器驅動器、第三繼電器組成模擬電氣故障信 號的第三故障控制通道，……，第N鎖存器、第N繼電器驅動器、第N繼電器組成模擬電氣 故障信號的第N故障控制通道，故障控制通道的個數N取值1 256 ；鎖存器組、繼電器驅 動器組、繼電器組形成的故障控制通道數不少於汽車電氣系統可能發生故障的信號線數， 每個信號線中設置一個繼電器，每個故障控制通道控制一種故障信號模擬；接線時將被模 擬的信號線斷開，繼電器配置外圍電路，布置在斷開的兩段信號線之間，繼電器的公共端接於斷開信號的前段，常閉端接於後段，繼電器的公共端到繼電器的常閉端連線又將斷開的 信號線接通，控制端接於相應繼電器驅動器輸出端，常開端空閒。所述微處理器嵌入汽車電氣系統故障自動模擬處理程序，該程序按如下功能編 制故障設置箱的初始化，根據計算機傳遞來的故障設置指令在故障設置箱中控制繼電器 組完成故障設置功能，在故障設置箱掉電的情況下，保存最近一次計算機傳遞來的故障設 置指令，在故障設置箱再次上電時，自動讀入最近一次故障設置指令，向計算機回傳接收到 的故障設置指令。本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置優點是1.通過計算機自動設置和解除故障。通過計算機的串口 RS232與故障設置箱的微 控制器連接，由微控制器控制繼電器自動完成故障的設置和解除，實現汽車電氣系統在無 損條件下的故障模擬、培訓、考核；2.可實現汽車電氣系統的各種故障模擬，真實反映實車故障情況。包括信號斷路、 與某一信號短路、與電源短路、與地短路、與某可調模擬量電平信號連接、各種類型的故障 間歇性出現、多類型的故障組合；3.實現故障模擬指令掉電存儲，滿足考核現場實際要求。微處理器通過IIC總線 和EEPROM連接，當故障設置箱掉電時，EEPROM保存最近一次的由計算機傳遞來的故障模 擬指令，在故障設置箱再次上電時自動讀取並設置最近一次故障，滿足考核現場實際要求。

圖1本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的結構框圖；圖2模擬汽車電氣系統斷路故障的繼電器外圍電路原理圖；圖3模擬汽車電氣系統短路故障的繼電器外圍電路原理圖；圖4模擬汽車電氣系統電平信號缺陷故障的繼電器外圍電路原理圖；圖5汽車電氣系統故障自動模擬處理程序流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置具體實 施方式作進一步詳細的說明。圖1給出了本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的結構框圖。本實用新 型汽車電氣系統故障自動模擬裝置，它包括計算機100和故障設置箱，所述故障設置箱包 括微處理器200、鎖存器組300、繼電器驅動器組400、繼電器組500和EEPR0M700 ；所述的鎖存器組300包括有第一鎖存器301、第二鎖存器302、第三鎖存器 303、……、第N鎖存器η;所述的繼電器驅動器組400包括有第一繼電器驅動器401、第二繼 電器驅動器402、第三繼電器驅動器403、……、第N繼電器驅動器η ；所述的繼電器組500 包括有第一繼電器501、第二繼電器502、第三繼電器503、……、第N繼電器η，本實施例η 取值70;第一鎖存器301、第一繼電器驅動器401、第一繼電器501組成模擬電氣故障信號 的第一故障控制通道，第二鎖存器302、第二繼電器驅動器402、第二繼電器502組成模擬電 氣故障信號的第二故障控制通道，第三鎖存器303、第三繼電器驅動器403、第三繼電器503 組成模擬電氣故障信號的第三故障控制通道，……，第七十鎖存器370、第七十繼電器驅動器470、第七十繼電器570組成模擬電氣故障信號的第70故障控制通道，鎖存器組300、繼 電器驅動器組400、繼電器組500形成的故障控制通道數不少於汽車電氣系統可能發生故 障的信號線數，例如富康、捷達、桑塔納汽車電氣系統信號數不大於70，本實施例故障控制 通道數η取值70，對於更高級的汽車，電氣系統信號大於富康、捷達、桑塔納汽車，η取值可 達256，每個信號線中設置一個繼電器，一個故障控制通道控制一個電氣信號的故障模擬， 接線時將被模擬的信號線斷開，繼電器配置外圍電路，布置在斷開的兩段信號線之間，繼電 器的公共端接於斷開信號的前段，常閉端接於後段，繼電器的公共端到繼電器的常閉端連 線又將斷開的信號線接通，控制端接於相應繼電器驅動器輸出端，常開端空閒。以第一故障控制通道工作為例，工作時向計算機(100)輸入故障設置指令，計算 機(100)生成汽車電氣系統故障模擬信號經RS232總線送微處理器(200)，經微處理器 (200)處理後送相應故障控制通道的鎖存器、該鎖存器經相應繼電器驅動器激發相應的繼 電器，該繼電器動作，繼電器的舌簧由常閉端接線腳轉移至常開端接線腳，模擬該通路的故 障狀態，計算機(100)輸入撤銷故障設置指令，繼電器動作恢復，汽車電氣系統恢復正常 狀態；正常狀態時汽車電氣系統傳感器601的相應傳感器採集的信號加給第一繼電器501 的公共端5腳，該信號由該繼電器的公共端經繼電器的常閉端1腳送到汽車電氣系統控制 器602，再由汽車電氣系統執行器603實施操控汽車相應功能。微處理器(200)通過IIC總 線和EEPR0M(700)連接，EEPROM(700)的作用在於當微處理器(200)掉電時，保存最近一次 由計算機(100)傳遞來的故障模擬指令，在故障設置箱再次上電時自動讀取並設置最近一 次故障。總體線路連接後，列出各個繼電器承擔模擬故障控制的對應關係矩陣表，該矩陣 表提示了每個故障通道對應的汽車電氣系統線路故障，供培訓考核教員設置汽車電氣系統 使用。為了減縮本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的設備量，採用一個繼電 器驅動器帶動多個單體繼電器，目前市場供應的一個繼電器驅動器可以驅動七個單體繼電
ο可以根據汽車類型需要，故障控制通道數配置可增減；故障控制通道配置值取 256時，即可勝任當前桑塔納、捷達、富康品牌汽車電氣系統故障模擬。本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置計算機(100)採用普通的PC機，微 處理器(200)採用NEC78F9234，鎖存器組(300)採用74HC373，繼電器驅動組採用UNL2003， 繼電器組(500)採用普通的電磁繼電器，EEPROM(700)採用AT24C02。計算機(100)和微處 理器(200)之間通過RS232連接。不管哪一種汽車，他們的電氣系統基本故障可歸類，可歸為三，或四，或更多，視具 體汽車而定。下面給出①信號斷路故障、②信號短路故障、③汽車電氣系統電平信號缺陷故 障為例進行說明。①信號斷路故障，如加速踏板傳感器到發動機控制器之間的信號斷路、第一缸噴 油器到發動機控制器之間的信號斷路、左前輪轉速傳感器到ABS控制器之間的信號斷路；②信號短路故障，如右前輪轉速傳感器信號和右前輪轉速傳感器地信號短路、雙 溫度開關與30#電源線短路、前氧傳感器信號和前氧傳感器負極信號短路；③汽車電氣系統電平信號缺陷故障，如發動機控制器的空氣流量計信號輸入引腳接入1. 5V模擬量電平信號、發動機控制器的進氣溫度信號輸入引腳接入2. 3V模擬量電平 信號、發動機控制器的後氧傳感器信號輸入引腳接入0. 9V模擬量電平信號。通過繼電器外圍電路的不同適應性配置，可分別實現上述三種類型故障模擬控 制，下面簡要介紹實現①信號斷路故障、②信號短路故障和③汽車電氣系統電平信號缺陷 故障模擬控制的繼電器外圍電路。本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的第一個實施例為汽車電氣系統 信號線斷路故障的模擬，圖2給出了模擬汽車電氣系統斷路故障的繼電器外圍電路原理 圖；該電路包括有第一繼電器501、第一限流電阻R1、第一限流發光二極體D1。第一繼電器 501的5腳為公共端，1腳為常閉端，2腳為常開端，3腳為控制端，4腳為電源接線端，控制 端3腳通過第一繼電器驅動器401和第一鎖存器301與微控制器200的IO 口連接，由微控 制器200控制3腳電平的高低，4腳接微控制器200的電源正極VCC，來自汽車電氣系統的 某信號A由公共端5腳進入第一繼電器501，由常閉端1腳輸出，在3腳輸入的控制電平為 高，即與4腳電平相同的情況下，第一繼電器501繞組無電流通過，信號A直接通過繼電器 5腳、1腳，信號A處於導通狀態，此時汽車電氣系統正常工作；當繼電器3腳輸入的控制電 平為低，即與微控制器200的電源地電平相同的情況下，此時第一繼電器501的3腳與4腳 間有電位差，第一繼電器501繞組有電流通過，舌簧片偏到常開端2腳，則5腳和2腳連接， 而2腳為空腳，未與其它器件相接，信號A通路受阻，此時汽車電氣系統的信號A處於斷路 狀態，即設置了汽車電氣系統一個信號斷路的故障。如果將繼電器的3腳再次接高電平，可 使繼電器的5腳和1腳導通，信號A再次處於導通狀態，即恢復了汽車電氣系統信號通路正 常可通過狀態。本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的第二個實施例為汽車電氣系統 連接短路故障的模擬，圖3給出了模擬汽車電氣系統短路故障的繼電器外圍電路原理圖； 該電路包括有第二繼電器502、第二限流電阻R2、第二限流發光二極體D2，第二繼電器502 的5腳為公共端，1腳為常閉端，2腳為常開端，3腳為控制端，4腳為電源接線端，第二繼電 器502的控制端3腳通過第二繼電器驅動器402和第二鎖存器302與微控制器200的IO 口連接，由微控制器200控制3腳電平的高低，4腳接微控制器200的電源正極VCC，來自汽 車電氣系統的某信號A接繼電器的公共端5，繼電器的常閉端1處於不連接狀態，繼電器 的長開端與某信號B連接。在繼電器3腳電平為高，即與繼電器4腳電平相同的情況下，第 二繼電器502繞組無電流通過，信號A不經過繼電器，直接輸出，此時汽車電氣系統正常工 作。當繼電器3腳電平為低，即與微控制器200的電源地電平相同的情況下，此時第二繼電 器502的3腳與4腳間有電位差，第二繼電器502繞組有電流通過，舌簧片偏到常開端2腳， 則5腳和2腳導通，而2腳與某信號B連接，則信號A與信號B短接，即設置了汽車電氣系 統的一個信號的傳輸線與其它信號傳輸線短路的故障狀態。如果將繼電器的3腳再次接高 電平，可以使繼電器的5腳和1腳導通，信號A與信號B斷開，即恢復了汽車電氣系統信號A 的原工作狀態，消除了汽車電氣系統信號故障模擬；在圖3所示的電路原理圖中，信號B可 以是汽車電氣系統的某個傳感器信號或某個執行器信號，也可是汽車電氣系統的電源信號 或地信號，即通過圖3所示的電路原理圖，可以實現汽車電氣系統的信號和電源或地短接。本實用新型汽車電氣系統故障的自動模擬裝置的第三個實施例為汽車電氣系統 電平信號缺陷故障的模擬，圖4給出了模擬汽車電氣系統電平信號缺陷故障的繼電器外圍電路原理圖；該電路包括有第三繼電器503、第三限流電阻R3、第三限流發光二極體D3，第 三繼電器503的5腳為公共端，1腳為常閉端，2腳為常開端，3腳為控制端，4腳為電源接線 端，第三繼電器503的控制端3腳通過繼電器驅動器403和鎖存器303與微控制器200的 IO 口連接，由微控制器200控制3腳電平的高低，4腳接微控制器200的電源正極VCC，車 載蓄電池電源正極經過穩壓電路轉換為與汽車電氣系統控制器供電電源相同的電平，並 將其標記為電源POWER ；電源POWER經過第四電阻R4和可變電阻R5與車載蓄電池的負極 CAR_GND連接；繼電器的常開端2腳同時與第四電阻R4和可變電阻R5連接，第四電阻R4 和可變電阻R5連接成可調分壓電路，通過調整可調電阻R5的阻值可以改變繼電器常開端 2的電位；來自汽車電氣系統的某信號A接繼電器的公共端5，繼電器的常閉端1處於不連 接狀態。在繼電器3腳電平為高，即與繼電器4腳電平相同的情況下，第三繼電器503繞組 無電流通過，信號A不經過繼電器，直接輸出，此時汽車電氣系統正常工作；當繼電器3腳電 平為低，即與微控制器200的電源地電平相同的情況下，此時第三繼電器503的3腳與4腳 間有電位差，第三繼電器503繞組有電流通過，舌簧片偏到常開端2腳，而2腳連接到第四 電阻R4和可變電阻R5之間，則信號A與某可調模擬量電平信號導通，即設置了汽車電氣系 統信號與某可調模擬量電平信號連接的故障。如果將繼電器的3腳再次接高電平，可以使 繼電器的5腳和1腳導通，信號A與可調模擬量電平信號斷開，即恢復了汽車電氣系統信號 A的原工作狀態，消除了汽車電氣系統信號故障模擬。對於圖2、圖3和圖4所示的電路原理圖中，第一繼電器501、第二繼電器502、第 三繼電器503的外圍電路並接入第一限流電阻R1、第二限流電阻R2、第三限流電阻R3和第 一限流發光二極體D1、第二限流發光二極體D2、第三限流發光二極體D3，採用發光二極體 可以方便觀察繼電器是否動作，利於調試和維修，第一限流電阻R1、第二限流電阻R2、第三 限流電阻R3分別為第一限流發光二極體D1、第二限流發光二極體D2、第三限流發光二極體 D3的保護電阻。本實用新型汽車電氣系統故障自動模擬裝置可以實現的故障模擬並不僅限於圖 2、圖3和圖4所示的三種類型。比如，通過微控制器200控制某一繼電器的控制端3腳間 歇性的輸出高低電平，模擬汽車電氣系統的某一信號處於間歇性的故障；另外，通過微控制 器200控制多個繼電器的控制端3腳處於低電平，模擬汽車電氣系統的多個信號處於多種 故障狀態。具體工作原理不再贅述。故障設置箱的微處理器(200)嵌入汽車電氣系統故障自動模擬處理程序，圖5給 出了汽車電氣系統故障自動模擬處理程序流程圖。如圖1和圖5所示，該程序按圖5給出的 程序流程和如下功能編制故障設置箱的初始化；根據計算機(100)傳遞來的故障設置指 令在故障設置箱中控制繼電器組(500)完成故障設置功能；在故障設置箱掉電的情況下， 保存最近一次計算機(100)傳遞來的故障設置指令，在故障設置箱再次上電時，自動讀入 最近一次故障設置指令；向計算機(100)回傳接收到的故障設置指令，確保在計算機(100) 和故障設置箱包含的微控制器200之間傳遞的故障設置指令的正確性。
權利要求1.一種汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，它包括計算機(100)和故障設置箱，其特 徵是所述故障設置箱包括微處理器000)、鎖存器組(300)、繼電器驅動器組000)、繼電 器組(500)和EEPROM(700)；所述的鎖存器組(300)包括有第一鎖存器(301)、第二鎖存器(302)、第三鎖存器(303)、……、第N鎖存器(η)；所述的繼電器驅動器組(400)包括有第 一繼電器驅動器G01)、第二繼電器驅動器002)、第三繼電器驅動器003)、……、第N繼 電器驅動器(η)；所述的繼電器組(500)包括有第一繼電器(501)、第二繼電器(502)、第三 繼電器(503)、……、第N繼電器(η)；第一鎖存器(301)、第一繼電器驅動器001)、第一 繼電器(501)組成模擬電氣故障信號的第一故障控制通道，第二鎖存器(302)、第二繼電器 驅動器002)、第二繼電器(50 組成模擬電氣故障信號的第二故障控制通道，第三鎖存器(303)、第三繼電器驅動器003)、第三繼電器(50 組成模擬電氣故障信號的第三故障控 制通道，……，第N鎖存器(η)、第N繼電器驅動器(η)、第N繼電器(η)組成模擬電氣故障 信號的第N故障控制通道；鎖存器組(300)、繼電器驅動器組(400)、繼電器組(500)形成的 故障控制通道數不少於汽車電氣系統可能發生故障的信號線數，每個信號線中設置一個繼 電器，每個故障控制通道控制一種故障信號模擬；接線時將被模擬的信號線斷開，繼電器配 置外圍電路，布置在斷開的兩段信號線之間，繼電器的公共端接於斷開信號的前段，常閉端 接於後段，繼電器的公共端到繼電器的常閉端連線又將斷開的信號線接通，控制端接於相 應繼電器驅動器輸出端，常開端空閒。
2.根據權利要求1所述的汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，其特徵是所述汽車 電氣系統信號線斷路故障模擬的繼電器外圍電路包括有第一繼電器(501)、第一限流電阻 (Rl)、第一限流發光二極體(Dl)，第一繼電器(501)的控制端3腳通過第一繼電器驅動器(401)和第一鎖存器(301)與微控制器Q00)的IO口連接，由微控制器(200)控制3腳電 平的高低，4腳接微控制器Ο00)的電源正極VCC，來自汽車電氣系統的某信號A由公共端 5腳進入第一繼電器(501)，由常閉端1腳輸出，常開端2腳為空腳。
3.根據權利要求1所述的汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，其特徵是所述汽車 電氣系統信號線短路故障模擬的繼電器外圍電路包括有第二繼電器(502)、第二限流電阻 (R2)、第二限流發光二極體(D2)，第二繼電器(502)的控制端3腳通過第二繼電器驅動器(402)和第二鎖存器(302)與微控制器(200)的IO口連接，由微控制器(200)控制3腳電 平的高低，4腳接微控制器Ο00)的電源正極VCC，來自汽車電氣系統的某信號A接繼電器 的公共端5，繼電器的常閉端1處於不連接狀態，繼電器的常開端與某信號B連接。
4.根據權利要求1所述的汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，其特徵是所述述汽車 電氣系統信號線電平信號缺陷故障模擬的繼電器外圍電路包括有第三繼電器(503)、第三 限流電阻(R3)、第三限流發光二極體(D3)，第三繼電器(503)的控制端3腳通過繼電器驅 動器(40 和鎖存器(30 與微控制器Q00)的IO 口連接，由微控制器(200)控制3腳電 平的高低，4腳接微控制器O00)的電源正極VCC，車載蓄電池電源正極經過穩壓電路轉換 為與汽車電氣系統控制器供電電源相同的電平，並將其標記為電源POWER ；電源POWER經 過第四電阻(R4)和可變電阻(R5)與車載蓄電池的負極CAR_GND連接；繼電器的常開端2 腳同時與第四電阻(R4)和可變電阻(R5)連接，第四電阻(R4)和可變電阻(R5)連接成可 調分壓電路，通過調整可調電阻(R5)的阻值可以改變繼電器常開端2的電位；來自汽車電 氣系統的某信號A接繼電器的公共端5，繼電器的常閉端1處於不連接狀態。
5.根據權利要求1所述的汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，其特徵是所述的第N 鎖存器(η)、第N繼電器驅動器(η)、第N繼電器(η)組成模擬電氣故障信號的第N故障控 制通道中的N取值1 256。
專利摘要本實用新型屬於人員培訓考核技術領域，涉及電氣系統故障的自動模擬裝置。其目的是解決不用拆裝實車設備，在實車上設置故障，提出一種汽車電氣系統故障的自動模擬裝置，它包括計算機和故障設置箱，所述故障設置箱包括微處理器、鎖存器組、繼電器驅動器組、繼電器組和EEPROM；繼電器布置在斷開的電氣信號線之間，微處理器控制繼電器動作，斷開或接通電氣信號線，實現故障模擬。優點是不用拆散實車設備，實現汽車電氣系統在無損條件下的故障模擬、培訓、考核；模擬故障類型多，效果真實，設備簡單，成本低。
文檔編號G09B25/02GK201877066SQ200920266379
公開日2011年6月22日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者李峰, 王大方 申請人:李峰, 王大方