汽車多功能交互開關(guān)耐久測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

林搖杰　林候前

摘要：針對汽車多功能交互開關(guān)的耐久測試需求，通過環(huán)境試驗箱、氣缸控制器、測試工裝等硬件模塊，依托控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）現(xiàn)場總線和Modbus通信協(xié)議，設(shè)計了基于LabVIEW軟件的耐久測試系統(tǒng)。實現(xiàn)了在不同工況下多個被測器件（DUT）并行測試的功能，同時能夠智能監(jiān)控整個的測試過程。選用分布在汽車座艙不同區(qū)域的多功能交互開關(guān)進行耐久測試，實際應(yīng)用的結(jié)果表明：該耐久測試系統(tǒng)適用于多個主機廠不同類型的多功能交互開關(guān)；在多DUT并行測試下，該系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行且便于試驗參數(shù)的配置和測試過程的監(jiān)控；試驗結(jié)果便于分析，提高了測試效率。研究結(jié)果為汽車多功能交互開關(guān)耐久測試提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：汽車電子；多功能交互開關(guān)；可靠性試驗；耐久測試系統(tǒng)

中圖分類號：U463；U467；TP27? 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.028

1 前言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化水平的不斷提高，物理按鍵在汽車中的應(yīng)用逐漸減少，多功能開關(guān)的按鍵交互模式將從物理按鍵逐步演變?yōu)橹悄苡|控式交互[1-2]。車用開關(guān)使用耐久性研究，是汽車質(zhì)量與安全性能檢測領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)之一，汽車上眾多不同類型電控開關(guān)的性能優(yōu)劣直接影響汽車開關(guān)的質(zhì)量[3]。

目前，車用開關(guān)疲勞試驗機普遍存在通用性差、試驗效率低和缺少開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控的問題[4]。白瑤等[5]研究了分布式實時車用開關(guān)耐久性測試原理；李尚林[6]研究了基于LabVIEW的汽車玻璃升降器耐久測試系統(tǒng)；唐伎玲等[3、7]基于費樹明[8]設(shè)計的汽車組合開關(guān)耐久性檢測試驗臺，進一步研究了具有通用性和并行性的檢測系統(tǒng)接口設(shè)計和耐久檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。前期的研究集中在以電機為核心驅(qū)動的耐久測試系統(tǒng)，且應(yīng)用于汽車用轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān)和汽車玻璃升降器，而在以氣缸為核心驅(qū)動的耐久測試系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用上沒有研究。因此，研究以氣缸為核心驅(qū)動的耐久測試系統(tǒng)在多功能交互開關(guān)（如方向盤開關(guān)、中控開關(guān)等）的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

本文依據(jù)汽車主機廠對多功能交互開關(guān)按壓耐久的試驗要求，依托LabVIEW測試軟件，設(shè)計了一種智能監(jiān)控按壓過程，滿足多個DUT并行測試，具有通用性的耐久測試系統(tǒng)。

2 耐久測試的試驗要求分析

以A、B、C、D、E為代表的主流汽車主機廠，在按壓耐久測試的試驗標準中規(guī)定了溫濕度和耐久次數(shù)負載譜的分布要求，同時定義了耐久測試持續(xù)時間的計算方法。通過分析上述耐久測試的試驗要求，總結(jié)得出耐久測試系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)需具備的功能。

2.1 溫濕度和耐久次數(shù)負載譜的分布要求

溫濕度和耐久次數(shù)的分布負載譜定義了溫濕度的加載順序以及在每個溫濕度下需要運行的耐久循環(huán)次數(shù)。按照溫濕度和與其相對應(yīng)的耐久循環(huán)次數(shù)的分布情況進行了分析匯總，如表1、表2和表3所示。

通過分析表1、表2和表3中溫濕度和耐久次數(shù)的分布要求，為了實現(xiàn)在不同的溫濕度譜下完成相應(yīng)的耐久次數(shù)的目的，需要環(huán)境試驗箱為DUT提供一個外部的模擬環(huán)境；通過上位機軟件的控制，實現(xiàn)在不同溫濕度的環(huán)境下按壓DUT，達到相應(yīng)的耐久次數(shù)；試驗過程中需要通過測試工裝來執(zhí)行按壓DUT的動作，同時需要監(jiān)控按壓的過程。

2.2 耐久測試持續(xù)時間的計算方式

通過耐久測試持續(xù)時間的計算，可以得出DUT在每個溫濕度下耐久測試持續(xù)的時間和耐久測試完成所需的總時間。下面介紹耐久測試持續(xù)時間的計算方法。

3 耐久測試系統(tǒng)的設(shè)計

為了實現(xiàn)表4所述的功能，耐久測試系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由供電模塊、環(huán)境試驗箱、氣缸控制器、測試工裝、CAN卡和主控制模塊組成。

3.1 供電模塊

供電系統(tǒng)使用220 V交流電對直流電源、環(huán)境試驗箱、電腦、氣缸控制器進行供電。其中直流電源為DUTs供電。

3.2 環(huán)境試驗箱

環(huán)境試驗箱可以根據(jù)試驗要求設(shè)置相應(yīng)的高溫、低溫和濕度，從而為DUTs提供一個外部的模擬環(huán)境。本文選用的環(huán)境試驗箱的參數(shù)為：內(nèi)部空間大約為1 000 L，溫度控制范圍為-40～+180 ℃，濕度控制范圍為10%到98%RH。

3.3 氣缸控制器

氣缸控制器通過線束與電磁閥連接，電磁閥通過氣管與氣缸連接，如圖2所示。氣缸控制器通過接收上位機的指令，控制電磁閥的開閉，從而使氣缸完成伸出和縮回的動作。

3.4 測試工裝

使用測試工裝是為了便于固定DUTs，同時為其提供一個模擬實車的安裝條件。根據(jù)產(chǎn)品的特征，集成在測試工裝上的氣缸模塊通過接收氣缸控制器的指令，使氣缸執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)在不同環(huán)境條件下對DUTs按壓的能力。測試工裝上通常有6個工位可以安裝DUT進行同時測試。

3.5 CAN

CAN具有多主優(yōu)先級總線訪問、非破壞性仲裁機制、配置靈活、錯誤檢測、自動重傳等特點[9]，被廣泛應(yīng)用于道路車輛控制領(lǐng)域。DUTs通過CAN連接，搭建一個模擬實車通信模式的場景。

3.6 主控制模塊

主控制模塊主要包含電腦和上位機軟件。以上位機為中樞系統(tǒng)對各個模塊進行控制和交互：通過CAN與DUTs建立模擬實車通信的模式；通過實驗室網(wǎng)關(guān)控制環(huán)境試驗箱；通過氣缸控制器控制氣缸模塊；同時實現(xiàn)各個模塊之間的信息交換、試驗過程實時監(jiān)控和記錄等功能。

4 耐久測試系統(tǒng)軟件的開發(fā)

本文選用LabVIEW測試軟件，結(jié)合測試方法和標準要求，進行耐久測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)。該軟件使用“生產(chǎn)者/消費者”的主體架構(gòu)[10]，采用圖3所示的基本流程框圖。該軟件的運行邏輯為：首先選擇硬件，然后配置相應(yīng)的試驗參數(shù)，點擊開始運行，軟件根據(jù)配置的試驗參數(shù)按步驟運行，直至耐久次數(shù)達到后結(jié)束，試驗過程采集并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

耐久測試系統(tǒng)的軟件主要包含6個模塊：DUT功能交互模塊、環(huán)境試驗箱控制模塊、氣缸控制模塊、試驗參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、試驗過程實時顯示模塊。軟件的界面如圖4所示。

4.1 DUT功能交互模塊設(shè)計

本文使用Vector公司型號為VN1640的物理接口卡。在“DUT Configuration”軟件界面內(nèi)，配置DUT參數(shù)并選擇對應(yīng)的CAN通道，通過CAN通信技術(shù)，實現(xiàn)DUT與耐久測試軟件之間的功能交互。在“CAN”軟件界面內(nèi)，實時顯示DUT功能交互情況。

4.2 環(huán)境試驗箱控制模塊設(shè)計

在“Climate Control”軟件界面內(nèi)，配置IP地址、溫箱的編號等參數(shù)，通過環(huán)境試驗箱上位機和實驗室網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對溫箱的控制與數(shù)據(jù)交換。環(huán)境試驗箱的控制如圖5所示。

4.3 氣缸控制模塊設(shè)計

4.4 試驗參數(shù)配置模塊設(shè)計

該模塊主要分為7個部分，詳細功能如下：

a.氣缸控制器配置：通過輸入連接類型和網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)氣缸控制器與上位機的通信。

b.電磁閥配置：通過電磁閥編號與其相對應(yīng)的物理按鍵的配對，實現(xiàn)氣缸按壓動作能夠精確地施加到目標按鍵上。

c.按鍵按壓順序配置：可以對DUT上所有按鍵按壓的先后順序進行管理。

d.氣缸伸縮配置：通過對氣缸伸縮動作的分步控制，實現(xiàn)按壓時間、保持時間的設(shè)置，從而可以計算出完成一次按壓需要的時間。

e.按鍵狀態(tài)判斷配置：在氣缸伸縮配置的每一個分步中，設(shè)置按鍵狀態(tài)值判斷和判斷等待時間，以便于測試軟件對每一次按壓過程進行判定，從而利于對失效次數(shù)的統(tǒng)計和分析。

f.按鍵次數(shù)配置：設(shè)置每一個按鍵需要按壓的耐久次數(shù)。

g.溫濕度和耐久次數(shù)的分布負載譜配置：根據(jù)測試標準和需求，設(shè)置溫濕度和與其相對應(yīng)的耐久循環(huán)次數(shù)，最終實現(xiàn)在不同的溫濕度下完成相應(yīng)的耐久次數(shù)。

根據(jù)試驗標準和測試方法，配置不同的試驗參數(shù)，最終實現(xiàn)在不同的溫濕度下，有序地按壓DUT到指定的次數(shù)，同時記錄整個過程中按鍵的狀態(tài)并進行判定。

4.5 數(shù)據(jù)記錄模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)記錄模塊的功能是記錄試驗過程中的事件數(shù)據(jù)和錯誤信息。在“Data View”軟件界面內(nèi)，記錄每個按鍵信號被觸發(fā)的次數(shù)和每一次按壓的事件數(shù)據(jù)。在“Wago Control”軟件界面內(nèi)，記錄每一次耐久測試的完成情況。通過記錄這幾類數(shù)據(jù)，便于快速分析試驗結(jié)果。

4.6 試驗過程實時顯示模塊設(shè)計

試驗過程實時顯示模塊的功能是實時顯示DUT功能的交互情況和耐久試驗的執(zhí)行過程。在“Data View”軟件界面內(nèi)，實時顯示按鍵被觸發(fā)的次數(shù)。在“Wago Control”軟件界面內(nèi)，實時顯示環(huán)境試驗箱的溫濕度，氣缸動作的狀態(tài)和按鍵按壓的情況。在“Visu”軟件界面內(nèi)，按照DUT外觀視圖呈現(xiàn)，便于觀察和判斷按鍵的功能，按壓的順序，DUT的連接是否正常等信息。

5 耐久測試系統(tǒng)的應(yīng)用

選用主流汽車主機廠，同時具有多功能交互功能的開關(guān)作為測試對象，以F、G、H、I、J、K、L、M命名，這些產(chǎn)品分布在汽車座艙的中控區(qū)域、行駛區(qū)域和方向盤上，產(chǎn)品涉及的操作模式有物理按鍵式和觸控式。通過這8個典型項目耐久試驗的實際應(yīng)用，對耐久測試系統(tǒng)長時間連續(xù)運行下的穩(wěn)定性、文件記錄情況、軟件是否便于使用等方面進行了統(tǒng)計和分析，匯總結(jié)果見表5。

由表5可知，該耐久測試系統(tǒng)適用于多個主機廠不同類型的多功能交互開關(guān)的耐久試驗。在多DUT并行測試下，該系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，且便于試驗參數(shù)的配置和測試過程的監(jiān)控，試驗結(jié)果便于分析，提高了測試效率。

6 結(jié)語

研究了不同主機廠對多功能交互開關(guān)按壓耐久的測試要求，開發(fā)了以氣缸為核心驅(qū)動且基于LabVIEW軟件的耐久測試系統(tǒng)，并對該耐久測試系統(tǒng)進行了驗證。通過對多個主機廠不同類型的多功能交互開關(guān)的耐久試驗，驗證了本耐久測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在測試應(yīng)用方面，該系統(tǒng)通過更換測試工裝、局部更新測試軟件模塊，即可滿足不同產(chǎn)品的耐久測試需求，具有通用性和易擴展性的特點。使用該系統(tǒng)不僅縮短了產(chǎn)品耐久性驗證的周期，還提高了工程師對試驗結(jié)果分析的效率。本研究為汽車多功能交互開關(guān)耐久測試提供了技術(shù)支撐。

參考文獻：

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[3]唐伎玲，費樹明，王樂樂，等嵌入式汽車開關(guān)耐久性檢測試驗臺接口[J]長春工業(yè)大學學報，2020，41（6）：608-612

[4]李念峰，趙丹華，高鵬，等車用儀表開關(guān)疲勞壽命檢測系統(tǒng)研究[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication（SEMC 2011 V1），2011：332-334

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[6]李尚林基于LabVIEW的玻璃升降器耐久測試設(shè)備研究[D]長沙：湖南大學，2020

[7]唐伎玲，費樹明車用組合開關(guān)耐久性檢測系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)[J]汽車技術(shù)，2020（5）：59-62

[8]費樹明汽車組合開關(guān)耐久性檢測試驗臺設(shè)計[D]長春：長春工業(yè)大學，2019

[9]ISO 11898-1：2015-12 Road vehicles-Controller area network（CAN）-Part 1：Data link layer and physical signalling[S]

[10]陳樹學，劉萱LabVIEW寶典[M]2版北京：電子工業(yè)出版社， 2017

作者簡介：

林搖杰，男，1987年，工程師，研究方向為汽車電子產(chǎn)品的可靠性試驗驗證與分析。