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日产高空作业车主控电路板的原理分析

  2011年01月10日
1 控制板主要功能及结构该车控制板分为主控制板和AML控制板两部分。二者之问电源系统相互连接外，信号之间通过串行通信连接。1．1主控制板的主要功能(1)监视功能：发生故障时，按照故障的类别在数值显示器上显示出一个专用的故障代码，电路板上的LED会出现闪光。系统对操纵杆的中立状态，车体倾斜与否、电源电压、电磁阀故障以及悬臂长度、悬臂角度、变幅力矩和调平力矩检测器传来的信号进行监测。(2)输出功能：完成行使、变幅、伸缩、回转等功能的输入控制，将对应各操纵杆(行使、变幅、伸缩、回转)动作的模拟信号输出至电磁控制阀、以及缓起动和缓停止的输出控制。(3)调整功能：可由人工对模拟输入值、数字输出值、缓起动和缓停止系数提供调整的手段，并储存在EEPROM中。(4)监控功能：通过设置控制板上的编码开关，能很方便地使模拟输入、数字输入、数字输出、模拟输出、电源电压及实际的量值显示在控制板的显示器上。AMI 板主要功能：对从作业斗及转台上操纵箱传来的模拟信号和从行使、变幅、伸缩、回转及其他控制开关发来的数字信号和传感器检测出的信号进行计算，以验证其与预制的控制及监控参数的一致性，根据计算结果，控制装置向各个执行元件输出控制信号并向操纵箱输出报警信号。

图1 主控板与AML控制板主要结构1．2 主控制板电气结构(如图1所示)我们分析原理发现控制板结构严谨，每一功能部分自成一体。电源部分将车体电源箱提供的24V直流电源变为控制板使用的5V、15V、4．5V电源信号，以完成向电子器件提供电源，进行光电耦合，提供基准电源等。模拟量输入及模拟量输出部分完成行使、变幅、伸缩、回转操作，悬臂长度、悬臂角度检测信号以及电源信号的输入，向行使、变幅、伸缩、回转等操作功能的电磁阀输出。开关量输入部分经过光电耦合及施密特整形电路完成各种操作信号及切换开关的状态读入。开关量输出部分主要完成各种操作信号的显示及报警。这样就给维修提供了很大方便。微处理器部分为控制板的核心，完成数据的运算即对车体的安全保护功能。
2 电路结构及原理分析电路以日立公司生产的H8／500系列H8／532HD6475328CPU(以下称为H8／532)为核心，外部扩展32KBEPROM、32KBSRAM、8KBUPROM 组成微处理器系统，通过NEC公司生产的可编程接口芯片D71055扩展I／O接口。CPU与接口电路之间由1vrL门电路组成功能强大的逻辑关系。H8／532CPU具有大量RAM 及PROM，多个计时器，连续I／O口及8路A／I)转换器，功能强大，有关该芯片的详细资料读者可查询日立公司网站。E PROM主要用来存储车体的状态信号，控制板通过译码电路实现对接口器件的选通，通过接口器件控制车体状态信号的读入、对车体动作信号的输出以及发生故障时的保护。该控制电路板具有很强的保护功能，现将对我们产生较大启发的几点提供给读者，供同行共享。
其一，电源的供给。在微控制器构成的系统中，一般都是直接由电源向CPU供电，而该控制板的电源却由CPU控制，电路工作原理为：当启动按钮按下时，仅向CPU提供较短时间的供电，在按钮按下的过程中，CPU工作，工作初始化所作的事情之一，就是由CPU的第10引脚(P12)发出一高电平信号，经图中集成电路TRA1(型号为TD62083)放大，并由外电源23．5V驱动继电器RY1线圈，而继电器RY1的常开触点闭合，将23．5V直流电源引到控制板，实现主控板的供电。由此可见，只要CPU发生故障，或是因为其他器件的损坏，造成CPU不能工作，将直接切断系统的供电电源，防止出现大的事故。另外，CPU的第51、52引脚(A13、A14)通过程序，控制发光二极管LED3、LED4的亮、暗、闪光等，分别指出控制系统所处的状态(详细说明见日本多田野株式会社提供的说明书)，例如：E2PROM 的信息写入，说明书指出两个发光二极管都无变化，而我们在实际维修时，曾发现，写入信息时LED3闪亮，经检查，E2PROM 当时已损坏。

图2 主控制板供电图
其二，器件生产厂家的一致性。众所周知，电子器件产品在逻辑功能上有许多器件是具有相同功能的，例如D71055与INTEL公司的8255，CA51与LM324。但是，不同的生产厂家对信号电平、信号含义的理解上是有区别的，主控板在选择器件原则上几乎全部是日立公司生产的电子元器件，这就从另外一个角度保证了主控板工作的可靠性。我们在实际分析时也发现，同样的E PROM，用不同公司生产的28C64写入结果就不一样，用ATM公司生产的28C64，就不能写入数据，甚至引起器件的损坏。
第三，自制“看门狗”形成系统的复位控制。主控制板中具有复位功能芯片的复位引脚统一连接到CD4538芯片的第7引脚。CD4538芯片是一个可重复置位的单稳多谐振荡器，引脚l、2接入振荡电阻及振荡电容，在A端(引脚4)接地情况下，B端(引脚5)加入一下降沿脉冲，形成置位信号，Q端(引脚6)出现正脉冲，相应的Q反端(引脚7)出现一负脉冲，脉冲的持续时间取决于RC时间常数，系统正常工作时，CPU通过一定的逻辑关系定时向B端发一下降沿脉冲，使得在一定时间内(该时间长度小于RC时间常数)，Q反端就始终维持低电平，而一旦CPU发生程序的“跑飞”，或是受到干扰，或者说与CD4538 B端具有直接或间接逻辑关系的集成电路发生故障，使得CPU没有定期向B端发出负脉冲，那么CD4538的Q反端在经历了RC时间常数的低电平之后，将返回到高电平状态，此高电平信号作为复位信号将CPU等器件进行复位，避免出现其他故障逻辑功能的统一编码。由图中可以发现，控制板每一器件，全部由两级译码芯片提供译码，分别控制EPROM、E PROM、D71055芯片的片选，以及后级电路的逻辑输入、显示驱动芯片的控制等。
3 实例分析我们根据所分析的原理，对几块出现故障的主控板进行分析测试，找到故障原因，现举例说明。
某块板LED4显示灯亮，控制板不工作分析：根据多田野株式会社提供的说明书，LEIM亮表示CPU出现故障，加电源，发现加不上(即继电器RY1不吸合)，参照图2，更换CPU，电源能加上了，初步确定CPU坏了，然后取下CPU，向周围器件加入TTL电平，发现74HC32工作逻辑不正常，更换一片则故障排除。
继电器RY2上电吸合，系统不工作分析：继电器2的吸合路径是IC14(D71055)某引脚经TRA1线性放大后由23．5V驱动继电器线圈的。根据说明书介绍，继电器2是不应该上电吸合的，检查TRA1芯片，发现其工作正常。检查D71055，发现每个引脚输出均为高电平状态。查阅相关资料，D71055芯片在复位时的输出状态每个口均应为低电平，用示波器检测，发现每个引脚的波形均带有不同程度的“毛刺”，据此可判定芯片D71055已损坏，更换，则正常。
CPU等器件一直加载复位信号维修某块板时发现，CPu、D71055等芯片一直加载着复位信号，造成CPu不工作，由原理分析判断，提供此信号的相关器件较多，除CIM538、74HC32、74HC154、74HC138外，影响WR写信号的器件如D71055等也可造成写信号的不正常，进而影响到复位信号，类似这样的故障现象，修理者必须具备较高的专业素养和维修经验，来判断真正损坏的器件，否则会造成因判断失误而影响整机的修理，我们遇到的这个故障是因为控制板的D71055芯片的损坏造成了不能提供WR写信号。
数据线一直拉高分析原理时我们看出，CPU的数据线、控制线和地址线全部由上拉电阻拉高，这就给维修带来方便，只需将CPU取下，如果与CPU三总线有关联的器件发生损坏，那就会将相应的总线拉低，只需直接切断相应的连线线，观察总线电平的高低，便可确定器件的好坏。
(5)控制板开关量输出电路该板具有50路开关量输入，26路开关量输出。开关量输入检测车体的各种状态信号，经由光电隔离器件TLP521实现电的隔离，隔离后由施密特触发器进行整形，扩展接口D71055读人数据。开关量输出电路见图3，开关量由扩展芯片D71055的每个引脚输出，经信号放大(TD62076)，提供大功率达林顿管SLA4061的基极电流，使SLA4061工作在截止、导通两种状态，控制报警装置与所接的24V电源的接通与关闭，实现电磁阀、信号指示灯的控制。检测时只需在输入端加入一个TTL高电平，在集电极与24V电源之间串接一
个假负载，就可判断输出电路的好坏。