基于PXI系統(tǒng)的汽車電控類產(chǎn)品測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

霍淑珍（天津市職業(yè)大學(xué)，　天津　300402）

基于PXI系統(tǒng)的汽車電控類產(chǎn)品測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

霍淑珍
（天津市職業(yè)大學(xué)，天津300402）

汽車電控類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對汽車的數(shù)字化控制，被用于不同的汽車子系統(tǒng)中，如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，傳動控制系統(tǒng)，車身控制系統(tǒng)等。論文針對這類產(chǎn)品開發(fā)了適用于該類產(chǎn)品生產(chǎn)制造的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PXI系統(tǒng)為核心，能夠適用于不同電控類產(chǎn)品的生產(chǎn)測試中。在電控類產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中對于產(chǎn)品質(zhì)量提高起到非常重要作用。

PXI；測試系統(tǒng)；LabWindows CVI；汽車電子

0　引言

現(xiàn)代汽車各個子系統(tǒng)中廣泛使用了多種電子控制產(chǎn)品，各個產(chǎn)品功能不同，有著不同數(shù)量和種類的輸入輸出形式，輸入有開關(guān)量，模擬量，頻率信號等，輸出有線圈，電磁閥，電機(jī)等。汽車電子控制單元將各種輸入信號通過信號調(diào)理整形等處理進(jìn)入CPU，通過控制算法計(jì)算，然后通過輸出電路控制系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)定的動作。根據(jù)其不同的應(yīng)用場合，電路復(fù)雜程度不同，控制的目標(biāo)也不相同，所需的測試系統(tǒng)的復(fù)雜程度也就有所區(qū)別。本文設(shè)計(jì)了基于PXI系統(tǒng)的自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通用性，通過更換負(fù)載箱和夾具滿足不同負(fù)載，不同功能多種類產(chǎn)品自動化測試的要求。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該自動測試系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。在硬件設(shè)計(jì)上采用PXI產(chǎn)品提供所需的硬件資源進(jìn)行控制及測量，考慮負(fù)載和輸入量的不確定性設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的卡箱和可以安插在卡槽中的繼電器開關(guān)卡及矩陣開關(guān)卡。單個系統(tǒng)總共安裝5個卡箱，依次分別安裝PIN卡，源設(shè)備矩陣卡，測量設(shè)備矩陣卡，2A繼電器卡和10A繼電器卡。每個機(jī)箱可以安裝12塊卡，機(jī)箱的卡通過總線控制，每塊卡都有自己的片選信號線，公用控制總線和數(shù)據(jù)總線。機(jī)箱的控制通過PCI-DIO96進(jìn)行控制?？梢愿鶕?jù)需要選擇卡的種類和數(shù)量。繼電器開關(guān)卡設(shè)計(jì)成10A和2A兩種規(guī)格。10A卡具有20條通道，總共可以有240路通道。2A卡具有48條通道，總共可以有576條通道。如果需要更大規(guī)格繼電器可以通過2A繼電器進(jìn)行控制。通過采用定制的卡可以節(jié)省成本，避免使用昂貴的PXI型產(chǎn)品而且可以適應(yīng)電控類單元輸出負(fù)載大的特點(diǎn)。通過繼電器開關(guān)卡實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品負(fù)載接通與斷開，模擬各種故障狀態(tài)等。

矩陣開關(guān)在自動測試系統(tǒng)中占有重要的位置，具有信息交換中樞的作用。信號源、電源等激勵信號通過矩陣開關(guān)能夠自動切換到被測對象的任意輸入端口，相應(yīng)的被測對象輸出端口的信號通過矩陣開關(guān)能夠自動切換到相應(yīng)的測試儀器、儀表［1］。本系統(tǒng)中源設(shè)備矩陣卡與測量矩陣卡是同一種卡，只是連接有區(qū)別。源設(shè)備卡箱的每一塊卡的列線與產(chǎn)品的輸入端相連接同時與PIN卡通過接口相連接。PIN卡提供每個輸入信號的上拉下拉互相接通等操作，同時將信號引入到MIO6031E進(jìn)行A/D測量。該卡模擬了產(chǎn)品輸入信號的上拉下拉操作，而A/ D測量能夠測試所連接管腳的電氣性能。對于電壓或頻率等輸入信號，通過源設(shè)備矩陣卡及卡箱槽中的儀表卡引入到相應(yīng)的信號源。儀表卡安插在卡箱的第一槽中，行總線與卡箱背板的行總線相連接，12組列線可以使每個輸入端連接到最多12種儀器設(shè)備。源設(shè)備卡箱最多可以連接到352路產(chǎn)品的輸入端上。測量矩陣系統(tǒng)可以將測量儀器儀表等設(shè)備連接到產(chǎn)品輸出端或需要測量的任何地方。例如將萬用表NI4070引到某一輸出端進(jìn)行電壓測量，還可以使用四線法進(jìn)行電阻測量等。當(dāng)電壓過高時，可以通過信號調(diào)理電路引入到測量儀表端。測量矩陣卡箱最多可以測量352路信號。所有硬件資源引出到易插拔的VPC連接器上，該連接器可以無限次插拔。待測產(chǎn)品的負(fù)載箱和產(chǎn)品連接用的夾具采用配套的VPC連接器實(shí)現(xiàn)快速更換，從而實(shí)現(xiàn)了不同產(chǎn)品的快速切換。系統(tǒng)各個單元的連接及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1硬件配置及功能

（1）工控機(jī)。選擇工控機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，可以使得系統(tǒng)安插更多的資源，配置更為靈活。PCI插槽中安插PXI機(jī)箱通訊卡，8-Port多串口卡，兩塊PCI-DIO96卡和PCI-8152CAN 卡 。PCIDIO96是具有96通道的數(shù)字I/O卡，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的卡箱提供驅(qū)動并且查詢系統(tǒng)某些傳感器的狀態(tài)。系統(tǒng)可以通過多串口卡和CAN卡PCI-8512與產(chǎn)品進(jìn)行通訊。

（2）PXI設(shè)備?；赑XI總線的測試技術(shù)代表了目前較先進(jìn)的總線測試技術(shù)，其特點(diǎn)是高性能、體積小、低成本，適用于電子系統(tǒng)的組、部件測試［2～7］。系統(tǒng)采用NI PXI-8042型8-Slot機(jī)箱，采用如下硬件：

NI PXI-6115模塊具有4條采樣通道，每通道采樣率10 MS/s，16位垂直分辨率。2路12位模擬輸出，4 MS/s。該板卡輸入通道連接到測量設(shè)備卡槽的儀表卡上，輸出連接到源設(shè)備卡箱的儀表卡上。使用該卡能夠測試電子單元輸出的波形，并且為頻率信號提供輸入。

NI PXI-4070為高性能的數(shù)字萬用表，61/2位測量精度下，測量速度為100 S/s。該設(shè)備提供了對電子單元的電壓、電流和電阻等多種信號的測量能力。

NI PXI-MIO6031E具有64路單端或32路差分型的A/D轉(zhuǎn)化器，分辨率為16bits。在本系統(tǒng)中和PIN卡的每一路相連接，共192路，對電子單元連接到信號源列線的輸入進(jìn)行A/D測量。

（3）臺式設(shè)備。臺式設(shè)備包括可編程電源N6700和其他非PXI型設(shè)備。臺式設(shè)備使用GPIB進(jìn)行通訊控制。

1.2繼電器和矩陣卡結(jié)構(gòu)

繼電器開關(guān)卡和矩陣卡是本系統(tǒng)的核心，滿足了系統(tǒng)靈活配置的要求。在這里以矩陣卡為例介紹本系統(tǒng)的開關(guān)卡，其它卡的驅(qū)動及控制方式類似，只是繼電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了總線結(jié)構(gòu)，同一卡箱內(nèi)的板卡共享總線，滿足該總線結(jié)構(gòu)的開關(guān)單元插入到該總線上，共享總線，一條總線由PCI DIO96的一組I/O進(jìn)行驅(qū)動，原理上不同類型的卡可以插入到同一卡箱中。總線上的數(shù)據(jù)通過緩沖器MC74HC541ADW進(jìn)入板卡，然后進(jìn)入鎖存器MC74HC273ADW。鎖存器的數(shù)量根據(jù)驅(qū)動繼電器的數(shù)量不同而不同，在矩陣開關(guān)卡中有八片鎖存器。鎖存器的CLK端通過與門MC74HC32AD的輸出控制。與門的輸入由板卡的片選信號和MC74HC138AD譯碼器的輸出控制。當(dāng)某個鎖存器有效，鎖存器的輸出驅(qū)動八路Mosfet，通過Mosfet驅(qū)動繼電器動作。背板總線的控制總線包括板卡的片選信號和板卡鎖存器的選擇信號以及鎖存器的復(fù)位信號等。矩陣開關(guān)卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　板卡結(jié)構(gòu)Fig.2 Cards Structure

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Lab windows CVI編寫控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。Lab Windows CVI是NI公司推出的虛擬儀器軟件開發(fā)工具［8］。軟件包括用戶界面、儀器設(shè)備控制及驅(qū)動、測試項(xiàng)目、數(shù)據(jù)存儲、路徑控制等幾個部分。交互界面提供了系統(tǒng)的統(tǒng)一的人機(jī)交互接口。數(shù)據(jù)存儲模塊將數(shù)據(jù)存儲到硬盤或者數(shù)據(jù)庫中。路徑控制模塊向CAM服務(wù)器查詢產(chǎn)品生產(chǎn)流程控制信息。軟件組成如圖3所示。具體測試項(xiàng)目的開發(fā)需要系統(tǒng)軟件和產(chǎn)品內(nèi)部測試軟件共同配合，完成整個產(chǎn)品的質(zhì)量測試。產(chǎn)品內(nèi)部測試軟件是獨(dú)立于產(chǎn)品應(yīng)用軟件專門為工廠測試而開發(fā)的。實(shí)際應(yīng)用中可以以多種方式讓產(chǎn)品進(jìn)入測試模式也可以當(dāng)產(chǎn)品測試完成后擦除測試軟件，重新刷寫產(chǎn)品的應(yīng)用軟件。

圖3　軟件組成Fig.3 Software structure

2.1程序流程

系統(tǒng)啟動時，首先讀取系統(tǒng)的INI配置文件，該文件包括SPC，數(shù)據(jù)存儲，產(chǎn)品型號以及對應(yīng)的限值文件，線程配置等信息。然后初始化各個儀器設(shè)備，如果設(shè)備正常，則根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置情況，啟動系統(tǒng)的每個測試線程。系統(tǒng)為多線程模式，可以有一個線程或多個線程。每個線程有自己的交互面板，用于顯示該線程的當(dāng)前型號，測試模式，當(dāng)前狀態(tài)，測試項(xiàng)目等信息。線程啟動后在主窗口內(nèi)顯示各個線程的界面。每個線程對應(yīng)一個產(chǎn)品，所以在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)時，要確定線程及所測產(chǎn)品數(shù)量并且分配好硬件資源。每個線程啟動后，不斷地查詢產(chǎn)品是否開始測試的信號，當(dāng)被觸發(fā)后，開始產(chǎn)品測試序列進(jìn)行產(chǎn)品測試，顯示并判斷系統(tǒng)的每一個項(xiàng)目的測量結(jié)果，根據(jù)設(shè)置情況系統(tǒng)選擇遇到失敗項(xiàng)目后是否進(jìn)行下面的測試內(nèi)容，如果選擇為停止測試，系統(tǒng)則顯示失敗項(xiàng)目并且停止測試，如果選擇不停止，則系統(tǒng)繼續(xù)測試直到所有項(xiàng)目完成。測試項(xiàng)目完成后，顯示產(chǎn)品的測量結(jié)果。并將測試結(jié)果傳入到數(shù)據(jù)庫中。軟件流程如圖4所示。

圖4　程序流程Fig.4 Program flow

2.2測試項(xiàng)目

測試項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)在DLL動態(tài)鏈接庫中。系統(tǒng)啟動時，加載動態(tài)鏈接庫DLL。開發(fā)人員可以只編寫動態(tài)鏈接庫文件實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，不用考慮其它部分的實(shí)現(xiàn)工作。

測試項(xiàng)目DLL文件實(shí)現(xiàn)了電子單元要求的所有測試項(xiàng)目。在測試項(xiàng)目DLL中調(diào)用儀器設(shè)備的驅(qū)動函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對所用儀器設(shè)備的控制，產(chǎn)生需要的激勵信號，或者對于需要測量的量進(jìn)行測量。在編寫DLL代碼時，需要控制某設(shè)備，首先將該設(shè)備的驅(qū)動程序庫加入到軟件的工程項(xiàng)目中。然后，在儀器初始化函數(shù)中將所有用到的儀器進(jìn)行初始化，得到該儀器設(shè)備的驅(qū)動句柄，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對儀器的控制，設(shè)置或讀取所需的信息。

例如對電源的初始化的操作如下：

agN67xx_init（"USB0：2391：2311：MY43016809：0：：INSTR"，VI_FALSE，VI_TRUE，&ag_6700）；

該函數(shù)根據(jù)第一個參數(shù)所提供的儀器設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的名稱得到該儀器設(shè)備的操作句柄，并將其存放在變量ag_6700內(nèi)。對于該儀器設(shè)備的操作如下：

gN67xx_outputVoltCurr（ag_6700，2，46，0.5）；

agN67xx_setOutputEnabled（ag_6700，2，1）；

第一個函數(shù)設(shè)置電源二通道的電壓值為46伏，電流限壓值為0.5安。第二個函數(shù)將電源的輸出設(shè)為使能狀態(tài)。

針對所設(shè)計(jì)的板卡系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)了驅(qū)動函數(shù)例如對于繼電器控制卡，其驅(qū)動代碼如下：

RlyCnt（"68"，ON）；RlyCnt（"68"，OFF）；

該函數(shù)將設(shè)置68號繼電器的開關(guān)狀態(tài)。

對于開關(guān)陣列卡的驅(qū)動函數(shù)如下：

RlySetScan（21，1，INST_DMMV，NO_INST，NO_SCAN，NO_INST，NO_INST，NO_SCAN，NO_SCAN，NO_INST，NO_ INST，NO_SCAN，NO_INST，NO_INST）；

該函數(shù)設(shè)置了將列線21和列線1連接到萬用表1的正負(fù)兩端。后面的參數(shù)可以設(shè)定是否連接到其他儀器設(shè)備。如果將21和1顛倒位置，則將1連接到萬用表的正端，21連接到萬用表的負(fù)端。

有了儀器的控制和開關(guān)動作的驅(qū)動后可以較容易的實(shí)現(xiàn)測試項(xiàng)目的要求。例測量如產(chǎn)品的某一管腳開路狀態(tài)下的電壓值，測試代碼實(shí)現(xiàn)如下：

RlySetScan（15，1，INST_DMMV，NO_INST，NO_SCAN，NO_INST，NO_INST，NO_SCAN，NO_SCAN，NO_INST，

NO_INST，NO_SCAN，NO_INST，NO_INST）；

Sleep（100）；

DmmGetMeas（&dwResult， DMM_SAMPLE_1，DMM_TIMEOUT_1s，DMM_ARM_IMM）；

CheckLimits（CurrentState，TestInfo，dwResult）；

首先現(xiàn)將萬用表的兩端連接到該管腳和產(chǎn)品的地上，然后等待100毫秒的電氣穩(wěn)定時間，測量兩端的電壓值。

當(dāng)所有測試項(xiàng)目完成后或者遇到失敗項(xiàng)目且不要求繼續(xù)測試的情況下，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置將結(jié)果存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫或者硬盤上記錄測試結(jié)果。

3　結(jié)論

系統(tǒng)完成后，首先進(jìn)行單產(chǎn)品1000次循環(huán)測試，系統(tǒng)MSA及CPK分析，性能測試結(jié)果參考文獻(xiàn)：

滿足Gage R&R＜10%，CPK＞1.67等TS2審核要求。在正式產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，實(shí)踐證明該系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，能夠滿足不同種類的電子單元測試指標(biāo)的需要。

［1］張毅剛，杜威達(dá)．一種矩陣開關(guān)MA模塊的設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2011，6.

［2］項(xiàng)學(xué)智，開湘龍，張振宇，等．基于PXI總線的矩陣開關(guān)模塊設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2013，12.

［3］宋栓軍．基于PXI總線的遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，24.

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Test System Design for Electric Control Units of Vehicles Based on PXI System

HUO Shu-Zhen
（Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300402，China）

Digital control technology is very important parts in vehicle control by using electronic control units such as engine control，transmission control and body control.In this paper，the testing system which is suitable for mass production quality control is introduced.The system is based on PXI system and can be configured to use in different products and is proved to be efficient in control the product quality.

PXI；test system；Labwindows CVI；vehicle electronic

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.040

1002-6673（2015）05-107-04

2015-03-15

霍淑珍（1976-），女，副教授。研究方向：電機(jī)控制，自動檢測，控制理論。