汽车电子设计概论—接口篇（1）
一、引子
十年前加盟VD，进入汽车电子领域，把人生的黄金岁月（35-42）奉献给了VD，一个有着美好开局的故事却以悲剧收场。艰辛的维权伴随着噩梦绵绵，也许光阴已经所剩无多。猛然醒来，如果一生就此了结，我能给这个世界留下什么呢？从今天开始和大家分享十年来汽车电子设计心得，希望对后来者能有所帮助。
我们知道，提到电子元器件、电子产品，经常说到“商用级”、“工业级”、“汽车级”、“军用级”、“宇航级”。其实国际上对元器件诸如此类的划分并不存在一个统一的规范，更多的是生产商对自己生产的元器件的一个分类。单从这些名字看，使用者也不难揣测出各级的优劣。决定这些分类的参数有些很好理解，比如工作温度（商用级一般在0~70℃，工业级一般在-40~85℃，汽车级一般在-40~125℃…），有些就比较专一，比如平均无故障时间。其实我这里不是想要来普及元器件的分级知识，我只是让大家知道这汽车级还是一个比较高的级别。
汽车为什么需要这么高的级别呢，因为汽车牵涉到安全性，人命关天。汽车电子核心技术在哪里？--安全、稳定、可靠、通用化。
安全可靠往往是不可分的，安全性、可靠性主要和硬件相关，良好的硬件设计再辅以软件配合，产品安全性会大幅提高。产品哪些方面会引发安全隐患呢？
从软件角度看，程序的执行的有效性、程序和参数本身的可靠性（现在程序和参数都存在flash里，方便修改的同时，也存在被误改的可能性）。所以对程序和参数的有无保护以及保护的有效性直接和产品的安全息息相关。
和稳定相关的因数有哪些呢？
从硬件角度看，选用的电子元器件必须适应汽车这个环境。汽车电器又是怎样一个工作环境呢？宽广的温度环境--从-40~125℃，各种各样的干扰源--汽车喇叭、点火线圈、大功率的感性负载等等，这些干扰一方面会直接导致一些电路产生“误动作”。负载的变化--输出要有“余量”，并要考虑各种各样的极限情况。
从软件角度看，程序总有“跑飞”的可能性，你的产品在实验室测试OK，不代表在车上就好使，因为车上会有各种各样的干扰。这些干扰导致CPU内集成电路的“异动”，这是导致程序跑飞的直接原因。程序跑飞，后果可能很严重。对于仅仅有测试功能的汽
车电器产品来说，那只是数据错误。对于有控制功能的系统来说，后果就很严重了，比如发动机点火控制。
通用性又是一个什么概念呢？我们知道，汽车电器在汽车里的价值比例越来越高了。一方面汽车电器的智能化程度越来越高了。另一方面，汽车电器不断推成出新，品种越来越多了。由此可见，汽车电器间的配合越来越复杂了。
电器间配合有两个方面，硬件接口间的匹配，软件协议的一致。从硬件角度看，如果设计既能兼顾现有电器接口，又能前瞻未来发展方向，其通用性就非常好了。软件方面采用国际主流的协议，或者具备自适应能力，自动选择系统中现有协议来交换数据，那更胜一筹了。
二、汽车电器接口设计
1.开关信号接口
开关信号接口，是所有接口里最简单，因为简单，所以重视不够，故而问题最多。汽车厂很大一部分时间都花费在协调电器信号匹配上。信号的匹配无非是输出和输入信号的匹配，更进一步讲就是输入电路要正确解析出输出信号的有效形态。
开关信号的有效形态有哪些呢？常见的开关信号的有效形态有“高有效”、“低有效”、“悬空有效”三种形式。汽车点火线圈
“悬空有效”听起来怪，但从电特性上讲，没有歧义。比如反映刹车贴片磨损状况的信号，刹车贴片尚可
用时，信号是对地导通的，刹车贴片过度磨损而导致不能用时，信号变成悬空，此时仪表应报警。
信号另两种有效形态“高有效”和“低有效”显然是两种互为对立的、相对的形态。“高”和“低”一定是相对于某个“门槛”而言，这个“门槛”大多是电压门槛。一切歧义都来自对这个门槛界定。在进行信号匹配时，就是让输入电路设定的“门槛”和输出电路设定的门槛“一致”即可。
要理解输出信号门槛，显然，首先要理解信号的输出电路形态。
图1是四种常见的输出电路形式，
输出1是“高有效”，无效时悬空,VHmin=Vb
输出2是“低有效”，无效时悬空,VLmax=GND
输出3是“高有效”，无效时悬空,VHmin=Vb-Vce
输出4是“低有效”，无效时悬空,VLmax=GND+Vce
Vb为系统供电电压，Vce为三极管的饱和导通电压。
图1 常见输出接口形式
输出1、2是理想的输出，对任意形式的输入接口应当不存在匹配的问题。输出3、4输出多了一个三极管导通饱和电压。对于输出3来说，只要输入信号的的“高有效”门槛设定在Vb-Vce以下，就能辨别出信号的有效状态来。而对于输出4来说，只要输入信号的的“低有效”门槛设定在GND+Vce以上，就能辨别出信号的有效状态来。
至此似乎信号的有效形式还是挺容易的嘛，其实不然，因为没有考虑的输出电路保护。保护电路提高输出接口的安全性的同时，也带来了副作用。我们就通过实例，看看输出电路的保护方法、保护机理以及其副作用。
图2 增加了保护电路的输出
图2 增加了限流电阻和保护二极管的输出电路，这是一种最简易的保护方法。如果没有限流电阻，输出3如果对地短路，三极管会烧毁。同理，如果输出4对电源短路也会烧毁。虽说对地或对火直接短路是2种极限异常情形，却也是常见的典型。实际上，三极管上消耗的功率Pt=Vce*Ic，只要消耗功率Pt大于三极管本身能承受的额定功率，三极管就会烧毁。
选择合适功率和合适阻值的限流电阻，可以避免三极管和限流电阻本身都不会受伤。考虑短路是事故的极限情况，
Ic=(Vb-Vce)/Rs
Pt=Vce*Ic=Vce*(Vb-Vce)/Rs
假设三极管的额定功率为Ptmax，则能推导出最小Rs，记为Rsmin
Pt<Ptmax
(Vce*(Vb-Vce)/Rs)<Ptmax
Rs>Vce*(Vb-Vce)/Ptmax
Rsmin= Vce*(Vb-Vce)/Ptmax
记电阻上消耗功率为Pr,
Pr=/Rs
选择限流电阻功率不要小于/Rs，否则限流电阻也会烧毁。所以只要选择电阻大于Vce*(Vb-Vce)/Ptmax，功率大于/Rs的电阻，整个输出电路是安全的。
现在输出电路是安全了，但副作用就接踵而至了，副作用在哪里？因为有了限流电阻，输出信号的电压值再也不是常量了。因为随着负载的不同，输出电流就发生了变化。有了输出电流的变化，限流电阻上的电压就会发生变化，记输出电流为Io、限流电阻上的电压为Vs、输出电压为Vo，则
Vs=Io*Rs
Vo=Vb-Vce-Io*Rs
这里Vb、Vce、Rs都是已知量，Io是一个与输入电路相关的量，Io越小，输出电压相对越稳定，Io小到一定程度，可以忽略分量Io*Rs对Vo的影响。当然Io太小了，电路的抗干扰性就差，关于抗干扰原理，我们在后续章节里再探讨。
但是Io是一个和输入电路相关联的，我们还是以例子来说明，输入、输出内在的关系。
图3 输出3/输入3接口
图3是一种典型的输入/输出匹配电路，Qo导通，表明输出有效，只要保证Vn大于三极管基极偏置电压Vbi,Qn将会导通，S1为低的有效状态；Qo截至，表明输出无效，只要保证Vn小于于三极管基极偏置电压Vbi,Qn将会截止，S1为高的无效状态。现在分析一下如何选择Rn和Rb的阻值，使得状态解析正常。
假设Ib为流过Rb的电流，
Vn=Ib*Rb
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