基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)ECU自動測試系統(tǒng)

李秀娟，徐惠鋼，謝啟

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)ECU自動測試系統(tǒng)

李秀娟1，2，徐惠鋼2，謝啟2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

論述了基于虛擬儀器技術(shù)的汽車發(fā)動機(jī)ECU自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用各種高精度的板卡模擬ECU各路傳感器信號并對ECU進(jìn)行輸出負(fù)載仿真，同時(shí)通過CAN通訊對其進(jìn)行監(jiān)控。軟件設(shè)計(jì)部分選用TestStand作為測試管理軟件，利用LabVIEW編寫子VI以模塊的形式作為測試序列中的測試項(xiàng)進(jìn)行測試。最后對系統(tǒng)的測試結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

虛擬儀器;發(fā)動機(jī)ECU;自助測試系統(tǒng);TestStand;LabVIEW

0 前言

隨著汽車行業(yè)與電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的汽車采用電子控制單元，作為汽車主控單元的發(fā)動機(jī)也不例外。發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU，Engine Control Unit)也就是車載電腦，其工作原理是采集與ECU相連的各路傳感器的信號進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，用來對發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火、噴油、空燃比、廢氣再循環(huán)等多項(xiàng)參數(shù)的控制［1－2］。由于人們對汽車的動力性能、安全性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能以及環(huán)保性能的要求不斷提高，發(fā)動機(jī)ECU的復(fù)雜程度也在不斷提高，從而使發(fā)動機(jī)ECU的測試項(xiàng)不斷增加。發(fā)動機(jī)ECU測試是發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)和生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，開發(fā)出高效的發(fā)動機(jī)ECU測試平臺對其研發(fā)和生產(chǎn)具有重要意義。

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及各種總線技術(shù)的快速發(fā)展，使得基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)在各種產(chǎn)品的功能檢測和最終質(zhì)量檢測中得到了廣泛應(yīng)用。本文作者采用先進(jìn)的虛擬儀器圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW作為軟件平臺，以TestStand作為測試執(zhí)行管理軟件，設(shè)計(jì)出了一套發(fā)動機(jī)ECU自動測試系統(tǒng)。

1 測試方案設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)利用各種板卡模擬發(fā)動機(jī)ECU各路傳感器的信號，使用負(fù)載箱對發(fā)動機(jī)ECU的各路輸出負(fù)載進(jìn)行模擬，包括正常帶載和故障仿真，通過上位機(jī)以CCP協(xié)議發(fā)送CAN通訊命令，再對發(fā)動機(jī)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)信號采集，將采集的數(shù)據(jù)與事先保存在Excel中的標(biāo)定數(shù)據(jù)的上下限進(jìn)行比較并判斷其是否在標(biāo)定數(shù)據(jù)的上下限范圍內(nèi)。如果采集的數(shù)據(jù)全部在標(biāo)定數(shù)據(jù)的上下限范圍內(nèi)，則被測ECU合格;如果采集的數(shù)據(jù)有一項(xiàng)不在標(biāo)定數(shù)據(jù)的上下限范圍內(nèi)，則被測ECU不合格。整個測試系統(tǒng)主要完成以下測試項(xiàng):

(1)連接性測試

在產(chǎn)品不上電的情況下，通過配置矩陣開關(guān)卡來連接DMM與產(chǎn)品待測管腳，并將DMM設(shè)置為電阻測量，根據(jù)DMM讀取的電阻值來判定測試結(jié)果。

(2)上拉下拉電阻測試

上拉電阻測試即測量產(chǎn)品待測管腳與電源之間的阻值，下拉電阻測試即測量產(chǎn)品待測管腳與地之間的阻值。

(3)上電測試

配置可編程電源來供給產(chǎn)品相應(yīng)電壓，并設(shè)置點(diǎn)火開關(guān)為不同的狀態(tài)，通過DMM讀取產(chǎn)品消耗的電流及各傳感器電源端的電壓值。

(4)輸出漏電流測試

將輸出管腳設(shè)置為高阻態(tài)，再測試輸出管腳上的電流大小。

(5)通信測試

按照CAN通信協(xié)議發(fā)送相關(guān)指令，讀取返回值。(6)輸入信號測試

對于開關(guān)輸入信號，將被測ECU的數(shù)字輸入管腳切換到電源正端或地，對于模擬輸入信號，利用模擬輸出板卡產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，對于頻率輸入信號，利用波形卡生成正弦波或方波信號，然后經(jīng)過信號調(diào)理板卡將信號輸出給被測ECU，再通過CAN通訊讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

(7)輸出信號測試

對于開關(guān)輸出信號，將輸出端連接到仿真負(fù)載箱上，通過CAN通訊發(fā)出開/關(guān)命令，用DMM依次讀取各個數(shù)字輸出的電平。對于PWM輸出信號，將輸出端連接到仿真負(fù)載上，通過CAN通訊發(fā)出控制命令，用DMM依次測量輸出的波形，在軟件中計(jì)算輸出波形的電平、頻率、占空比等。

(8)故障測試

通過配置負(fù)載箱各路負(fù)載的接通或斷開設(shè)置被測ECU為不同的輸出故障，包括開路故障、對電源短路故障以及對地短路故障，用于判斷當(dāng)ECU出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控模塊是否能檢測出故障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上測試需求及發(fā)動機(jī)ECU輸入輸出信號的特點(diǎn)，確定測試所需的相關(guān)硬件設(shè)備，主要包括主控制器、模擬各種類型傳感器信號的設(shè)備、負(fù)載箱、可編程電源、DMM卡、矩陣開關(guān)卡、測試夾具等。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。DI/O卡采用PXI-6514，它具有光隔離的32路輸入與32路輸出端口，用于對氣缸、光柵、指示燈及其他自動化元器件的監(jiān)測與控制;CAN卡選用 PXI-8512，負(fù)責(zé)主控器與ECU之間的通信;PXI-6704模擬輸出卡和PXI-6733波形卡分別為ECU提供模擬輸入和頻率輸入;DMM卡選用PXI-4070，用于采集ECU輸出的電壓、電流及波形信號;可編程電源為ECU提供測試時(shí)所需的不同電壓;矩陣開關(guān)電路用于控制通道信號的接通和斷開;可編程負(fù)載用于ECU的各路輸出信號仿真及故障模擬。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬儀器圖形化開發(fā)環(huán)境Lab-VIEW作為軟件開發(fā)平臺，LabVIEW在操作界面開發(fā)、數(shù)據(jù)庫操作、程控儀器編程等方面具有顯著優(yōu)勢，但由于發(fā)動機(jī)ECU測試測試項(xiàng)多達(dá)200多項(xiàng)，僅用LabVIEW作為開發(fā)工具不僅工作量大、開發(fā)周期長，而且難以維護(hù)和升級。TestStand提供了一種模塊化快速開發(fā)測控系統(tǒng)的方法，使用TestStand作為測試序列管理軟件具有結(jié)構(gòu)清晰、模塊化程度高以及易開發(fā)、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)［3］。另外，TestStand與目前主流測試編程環(huán)境兼容，如NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio和微軟 Visual Basic 和 Visual C++ 等［4－5］。該系統(tǒng)選用 TestStand作為測試管理軟件，利用LabVIEW編寫子VI作為測試序列 (Sequence)中的測試項(xiàng) (Step)，通過適配器接口實(shí)現(xiàn)TestStand和LabVIEW的結(jié)合，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的優(yōu)點(diǎn)。最后利用Lab-VIEW編寫用戶界面，通過調(diào)用相應(yīng)的TestStand API實(shí)現(xiàn)對測試序列的控制，LabVIEW提供了基于ActiveX的TestStand用戶控件，完成載入序列文件、執(zhí)行測試步驟、顯示和保存測試結(jié)果等［6］。整個測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

子VI(例如通訊連接，矩陣開關(guān)通道切換，板卡的打開、關(guān)閉等)編寫成模塊的形式方便插入到測試序列中并實(shí)現(xiàn)代碼重用。下面以CAN通信模塊和矩陣開關(guān)模塊為例進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)介紹。

3.1 CAN標(biāo)定協(xié)議及CAN通訊模塊程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過標(biāo)定的發(fā)動機(jī)ECU會將輸入信號的采集結(jié)果存放在ECU相應(yīng)的內(nèi)存單元中，以便為查表運(yùn)算提供數(shù)據(jù)依據(jù)，所以測試系統(tǒng)必須通過相應(yīng)的通信方式從ECU的內(nèi)存單元讀取ECU的信號采集結(jié)果［7］。CCP［8］(CAN Calibration Protocol，CAN 標(biāo)定協(xié)議)是基于CAN總線的ECU標(biāo)定協(xié)議規(guī)范，以CAN報(bào)文的形式來實(shí)現(xiàn)，支持11位標(biāo)準(zhǔn)消息幀和29位擴(kuò)展消息幀，CCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)依賴兩則CAN消息:命令接收對象 (CRO)和數(shù)據(jù)傳輸對象 (DTO)。在Polling通信模式下，當(dāng)從設(shè)備收到主設(shè)備發(fā)送的一則CRO后，必須反饋一則DTO。

在LabVIEW中安裝相應(yīng)的工具包后可以直接使用CAN通信函數(shù)，CAN通訊配置模塊程序如圖3所示。首先配置CAN網(wǎng)絡(luò)，主要包括設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)接口名稱、波特率、數(shù)據(jù)大小等。然后配置CAN對象，主要設(shè)置CAN對象名稱、發(fā)送和接收ID、通信類型等，CAN對象名稱格式為“CANx::STDy”或者 “CANx::XTDy”，STD表示標(biāo)準(zhǔn)幀，XTD表示擴(kuò)展幀。打開CAN以后，按照CCP協(xié)議消息傳輸格式發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)，在程序退出時(shí)關(guān)閉CAN。

圖3 CAN通信配置模塊程序

3.2 矩陣開關(guān)模塊程序設(shè)計(jì)

在發(fā)動機(jī)ECU測試過程中，需要對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且在不同的測試流程中需要獲取不同數(shù)據(jù)通道的信號。以往通常通過增加A/D采樣前端的模擬開關(guān)數(shù)目來解決，但同樣也增加了測試系統(tǒng)的復(fù)雜性以及軟件操作的重復(fù)性工作;或者采用多個分立的繼電器單獨(dú)控制，切換不同的數(shù)據(jù)通道到A/D采集，但需要較多的外接數(shù)字 I/O口，使得系統(tǒng)的走線十分復(fù)雜，增加了測試系統(tǒng)的規(guī)模［9］。該測試系統(tǒng)選用矩陣開關(guān)PXI-2532來實(shí)現(xiàn)多路通道之間的切換，它是一塊具有512個交叉點(diǎn)的高速矩陣開關(guān)模塊，只需要在軟件中進(jìn)行配置，將需要采集的通道連接到測試儀表端口，矩陣開關(guān)模塊軟件界面如圖4所示。

圖4 矩陣開關(guān)模塊軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測試系統(tǒng)分析

只有確保ECU測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，才能保證被測ECU的出廠質(zhì)量，那么就要對ECU測試系統(tǒng)進(jìn)行分析。所謂測試系統(tǒng)分析，是指用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來了解測試系統(tǒng)中的各個波動源及其對測量結(jié)果的影響，最后給出該測試系統(tǒng)是否合乎使用要求的明確判斷［10］。工程上通常用測試系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性來研究其統(tǒng)計(jì)特性，也就是通常所說的“GRR研究”，傳統(tǒng)的方法是測試者通過手工計(jì)算。該系統(tǒng)在研究測試系統(tǒng)分析方法的基礎(chǔ)上，采用LabVIEW編寫分析軟件對發(fā)動機(jī)ECU測試系統(tǒng)進(jìn)行分析。

以DMM卡測量油門傳感器電源電壓為例進(jìn)行驗(yàn)證，選取10個ECU樣品，由3名操作員分別進(jìn)行3次測試并把測試的結(jié)果導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行分析運(yùn)算，得到如圖5所示的分析結(jié)果。

均值圖指示測試系統(tǒng)是否合格，如果所有的點(diǎn)都在控制線內(nèi)，則產(chǎn)品間變差淹沒在測試系統(tǒng)重復(fù)性誤差中，不可接受。當(dāng)超出控制線的點(diǎn)越多且評價(jià)人都有失控點(diǎn)，表明測試系統(tǒng)辨別產(chǎn)品間變差的能力越強(qiáng)。極差圖指示操作員采取的測量方法是否一致，如果操作員都有失控點(diǎn)，說明測試系統(tǒng)對操作員的操作技術(shù)是敏感的，需要改進(jìn)。圖5中均值圖和極差圖均表明該測量過程受控。系統(tǒng)能夠區(qū)分部件的不同類別數(shù)目為18＞5，總的量具R＆R在總變差中所占的百分比為7.21%＜10%，上述分析結(jié)果表明測試系統(tǒng)完全能夠勝任測量任務(wù)的要求，可用于發(fā)動機(jī)ECU產(chǎn)品的終檢測試。圖6為測試系統(tǒng)分析運(yùn)算部分程序框圖。

圖5 測試系統(tǒng)分析界面

圖6 測試系統(tǒng)分析運(yùn)算部分程序框圖

5 結(jié)束語

利用功能強(qiáng)大的TestStand測試程序管理軟件和當(dāng)前最流行的虛擬儀器LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)出了一套高效的發(fā)動機(jī)ECU自動測試系統(tǒng)，模塊化的程序設(shè)計(jì)方便用戶對測試系統(tǒng)的升級和維護(hù)，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的優(yōu)點(diǎn)，不僅縮短了測試系統(tǒng)開發(fā)周期，而且極大地提高了測試系統(tǒng)的工作效率。

［1］陳虹，宮洵，胡云峰，等.汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望［J］.自動化學(xué)報(bào)，2013，39(4):322 －346.

［2］王建.汽車現(xiàn)代測試技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013.

［3］王浩偉，陳振林，錢進(jìn)，等.基于TestStand的計(jì)量軟件介紹［J］.計(jì)測技術(shù)，2009，29(6):50 －53.

［4］NITestStand Reference Manual.TestStand Help［Z］.2012.

［5］NIDeveloper Zone.What is NITestStand［Z］.2012.

［6］王浩偉，陳振林，錢進(jìn)，等.基于TestStand的計(jì)量軟件介紹［J］.計(jì)測技術(shù)，2009，29(6):50－53.

［7］韓偉.汽油發(fā)動機(jī)ECU綜合性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:武漢科技大學(xué)，2008.

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［9］刁春敏.基于PXI和虛擬儀器的汽車發(fā)動機(jī)電控單元測試系統(tǒng)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

［10］王世翔.應(yīng)用Minitab進(jìn)行測試系統(tǒng)分析［J］.電子工程師，2007，33(6):15 －18，24.

Automatic Test System of ECU Based on Virtual Instrument Technology

LIXiujian1，2，XU Huigang2，XIE Qi2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China;2.School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China)

The design of ECU automatic test system based on virtual Instrumentwas discussed.Using a variety of high precision cards to simulate senor signals of the ECU and output load of ECU was also simulated in this system.Simultaneously，the ECUwasmonitored via CAN communication.In partof software design，choosing TestStand as testmanagement software，and using sub-VIwritten by LabVIEW as step of sequence in the form ofmodule for testing.At the end，the test results of system were analyzed to verify the reliability and stability of the system.

Virtual instrument;Engine control unit;Automatic test system;TestStand;LabVIEW

TH 71;TP29

A

1001－3881(2015)21－138－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.033

2014－08－29

蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 (SGZ2012062)

李秀娟 (1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚵悴考y試技術(shù)、智能檢測與控制技術(shù)。E－mail:lixiujuanfd@163.com。