基于PXI的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)

朱昌洪

摘 要： 由于傳統(tǒng)功能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行測(cè)試時(shí)存在偏差高和穩(wěn)定性差的缺陷。因此，提出基于PXI的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PXI總線、電子監(jiān)控測(cè)試模塊、萬(wàn)用表和計(jì)算機(jī)組成。PXI總線對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與初始化測(cè)試，并將數(shù)據(jù)傳輸給電子監(jiān)控測(cè)試模塊。電子監(jiān)控測(cè)試模塊由控制器、供電模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)收發(fā)器和開(kāi)關(guān)控制器組成。供電模塊為電子監(jiān)控模塊供電，檢測(cè)模塊將檢測(cè)出的故障數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)變。開(kāi)關(guān)控制器通過(guò)分析故障信號(hào)進(jìn)行電路的轉(zhuǎn)換或切斷操作?？刂破鞴芸刂麄€(gè)電子監(jiān)控測(cè)試模塊的運(yùn)行流程，并將篩選后的數(shù)據(jù)傳輸給萬(wàn)用表。萬(wàn)用表對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)電壓進(jìn)行放大并傳遞至計(jì)算機(jī)。軟件設(shè)計(jì)部分，給出PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試流程及其故障的排除算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)擁有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： PXI； 汽車(chē)； ECU； 測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)： TN948.2?34； TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0129?0

0 引 言

近十年來(lái)，汽車(chē)電子ECU以其舒適性、經(jīng)濟(jì)性和娛樂(lè)性作為誘惑因素，其全國(guó)裝載率[1?4]已高達(dá)80%。為保證汽車(chē)行駛的安全穩(wěn)定，龐大的汽車(chē)電子ECU市場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)品的功能測(cè)試提出了較高的要求[5?6]。由于傳統(tǒng)功能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行測(cè)試中存在偏差高和穩(wěn)定性差的缺陷。因此，構(gòu)建準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，已成為目前國(guó)際汽車(chē)組織協(xié)會(huì)研究的重要項(xiàng)目。

以往研究的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)均存在一定的缺陷，如文獻(xiàn)[7]提出虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模擬汽車(chē)行駛過(guò)程中的各種障礙，進(jìn)而對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行測(cè)試和故障排除，但這種測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用于特定環(huán)境，且準(zhǔn)確度和故障排除率較低。文獻(xiàn)[8]提出DSPACE汽車(chē)電子ECU仿真測(cè)試系統(tǒng)，其擁有性能優(yōu)越的硬件以及完善的仿真軟件，可對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行完美測(cè)試，但這種測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且在實(shí)際運(yùn)用中汽車(chē)電子ECU無(wú)需進(jìn)行如此復(fù)雜的測(cè)試，因此推廣率較低。文獻(xiàn)[9]提出基于N1硬件平臺(tái)的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以HIL作為理論依據(jù)進(jìn)行汽車(chē)電子ECU的網(wǎng)絡(luò)和功能測(cè)試，但這種系統(tǒng)的檢測(cè)流程較為復(fù)雜，效率低下。

為了解決以上問(wèn)題，提出了基于PXI的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，在PXI總線上添加適合的測(cè)試電路和設(shè)備，構(gòu)建功能完善的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)擁有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 基于PXI的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)由PXI總線模塊、電子監(jiān)控測(cè)試模塊、萬(wàn)用表和計(jì)算機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。PXI總線對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與初始化測(cè)試，并將數(shù)據(jù)傳輸于電子監(jiān)控測(cè)試模塊。電子監(jiān)控測(cè)試模塊將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和信號(hào)放大，并管控著電路的轉(zhuǎn)換和切斷操作。萬(wàn)用表可對(duì)篩選出的數(shù)據(jù)信號(hào)電壓進(jìn)行放大，并將數(shù)據(jù)信號(hào)電壓傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和控制。

1.2 PXI總線模塊設(shè)計(jì)

PXI總線模塊是PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的核心模塊，其主要功能是對(duì)汽車(chē)電子ECU系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、測(cè)試與傳輸。PXI總線模塊由擴(kuò)展卡、數(shù)控二極管、轉(zhuǎn)換卡和PXI拓展器組成，圖2為PXI總線電路原理圖。

由圖2可知，PXI總線模塊工作流程為：將需要進(jìn)行測(cè)試的汽車(chē)電子ECU與PXI總線模塊中的擴(kuò)展卡相連，利用擴(kuò)展卡進(jìn)行汽車(chē)電子ECU的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。因擴(kuò)展卡所需數(shù)據(jù)類(lèi)型較為特殊，故二者在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用某公司設(shè)計(jì)的MXI?4轉(zhuǎn)換芯片，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的算法編制便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

擴(kuò)展卡擁有極高的存儲(chǔ)容量和防丟失性能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議的大量存儲(chǔ)。數(shù)控二極管是一種擁有兩個(gè)電極的電路元件，其在工作狀態(tài)下只允許電流從單一方向通過(guò)，并且能夠進(jìn)行電流值的顯示。通過(guò)將擴(kuò)展卡與數(shù)控二極管相連接，可防止系統(tǒng)在不穩(wěn)定的情況下電流逆流形成的數(shù)據(jù)亂碼，也能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電路中的電流值，防止電路元件損傷。

由于經(jīng)由MXI?4轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的協(xié)議數(shù)據(jù)不能被PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的其他模塊所識(shí)別，故在PXI總線模塊中安置轉(zhuǎn)換卡。轉(zhuǎn)換卡能夠?qū)f(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電氣規(guī)范數(shù)據(jù)，并將其傳輸于PXI拓展器。由于汽車(chē)電子ECU在故障狀態(tài)下工作時(shí)的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，且標(biāo)準(zhǔn)范圍并不惟一，故PXI拓展器會(huì)對(duì)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化測(cè)試，將符合規(guī)定范圍附近的數(shù)據(jù)全部留用，再將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸于電子監(jiān)控測(cè)試模塊進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1.3 電子監(jiān)控測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

電子監(jiān)控測(cè)試模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、汽車(chē)電子ECU故障的判定與鎖定以及監(jiān)控單元的自我檢修等功能，可對(duì)電源故障、信號(hào)故障、轉(zhuǎn)速故障和存儲(chǔ)故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該模塊可以對(duì)溫度范圍為[-45 ℃，90 ℃]、用電電壓范圍為[DC 13 V，DC 15 V]的汽車(chē)電子ECU進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)量范圍較大，可完美滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，圖3是電子監(jiān)控測(cè)試模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖。

由圖3可知，電子監(jiān)控測(cè)試模塊由控制器、供電模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)收發(fā)器和開(kāi)關(guān)控制器組成。

控制器是電子監(jiān)控測(cè)試模塊的核心組成部分，管控著模塊中供電系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)收發(fā)器的運(yùn)行流程，一旦發(fā)現(xiàn)以上運(yùn)行流程出現(xiàn)本末倒置或不正常停止的情況，控制器會(huì)對(duì)電子監(jiān)控模塊進(jìn)行初始化操作，以保證PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的正常運(yùn)行及其所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

供電模塊可自動(dòng)為電子監(jiān)控模塊供給能量，其中包含2個(gè)直流電源與2個(gè)交流電源，能夠滿(mǎn)足絕大部分汽車(chē)電子ECU的檢測(cè)用電需求。

檢測(cè)模塊不僅能夠快速檢測(cè)出數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的汽車(chē)電子ECU故障，也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路中電源和接點(diǎn)產(chǎn)生的故障，為PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的持續(xù)工作提供了保障，檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的故障信息數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)收發(fā)器。

信號(hào)收發(fā)器能夠?qū)⒐收闲畔?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成各種類(lèi)型的可視化數(shù)據(jù)信號(hào)（包括正弦信號(hào)、三角信號(hào)、脈沖信號(hào)等），方便開(kāi)關(guān)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。由于不同數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的可視化類(lèi)型不同，而不同可視化類(lèi)型所需轉(zhuǎn)換的電路也不同，當(dāng)解析電路出現(xiàn)故障時(shí)，也需要進(jìn)行電路的切斷操作，故加入開(kāi)關(guān)控制器這一元件進(jìn)行控制。開(kāi)關(guān)控制器接收到信號(hào)收發(fā)器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)解析，并給出是否關(guān)閉、開(kāi)啟電路開(kāi)關(guān)的指令，以進(jìn)行PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)電路的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。采用某公司生產(chǎn)的4P?600M開(kāi)關(guān)控制器，該開(kāi)關(guān)控制器能夠識(shí)別出的信號(hào)范圍較廣，最大開(kāi)關(guān)電流為8 A，最大開(kāi)關(guān)電壓為250 V和DC 40 V，短路電阻值為15 Ω。4P?600M開(kāi)關(guān)控制器內(nèi)部擁有一個(gè)雙向型電源，通過(guò)對(duì)該電源的隔離或者正負(fù)極的對(duì)調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路的轉(zhuǎn)換和切斷。由于信號(hào)收發(fā)器無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出操作，故電路轉(zhuǎn)換或切斷工作運(yùn)行完畢后，信號(hào)收發(fā)器會(huì)自動(dòng)開(kāi)始搜尋開(kāi)關(guān)控制器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制器。最后，控制器將電子監(jiān)控測(cè)試模塊篩選后的數(shù)據(jù)傳輸給萬(wàn)用表。

1.4 萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

由于電子監(jiān)控測(cè)試模塊輸出數(shù)據(jù)的信號(hào)電壓范圍是[-10 V，10 V]，而汽車(chē)電子ECU供電電壓一般為15 V，需要將輸出數(shù)據(jù)的信號(hào)電壓進(jìn)行放大才能夠被PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)所使用，因此在系統(tǒng)電路中引入萬(wàn)用表這一元件。選用某公司設(shè)計(jì)的KEW1019R萬(wàn)用表，該萬(wàn)用表具有自動(dòng)充放電能力，可在電源故障的情況下連續(xù)正常工作180 h，且準(zhǔn)確度高、顯示清晰、過(guò)載能力強(qiáng)，圖4是KEW1019R萬(wàn)用表連接電路圖。

分析圖4可知，萬(wàn)用表不僅可以對(duì)數(shù)據(jù)的信號(hào)電壓進(jìn)行放大，也可檢測(cè)PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)中各電路元件（包括電阻、電容、電感等）的工作性能，便于第一時(shí)間對(duì)損壞或不符合系統(tǒng)電路需求的元件進(jìn)行更換，令所獲取到的汽車(chē)電子EUC測(cè)量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。在電路中加入了緩沖器，這是為了防止萬(wàn)用表突然輸出過(guò)大的放大電壓損壞電路其他元件。放大后的電壓被傳輸于計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用LabVIEW軟件對(duì)PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行編程。LabVIEW軟件擁有巨大的編程數(shù)據(jù)庫(kù)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、通用接口總線、設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，為程序的調(diào)試提供了便利。系統(tǒng)的測(cè)試流程為：首先讀取PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的配置文件，為整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作做好準(zhǔn)備。配置文件主要有：統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、系統(tǒng)配件類(lèi)型、極限文件和主機(jī)配置類(lèi)型等。系統(tǒng)初始化后便可以開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集與篩選工作，測(cè)試流程啟動(dòng)后，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)不符合事先設(shè)定的電氣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)采集，采集和篩選工作同時(shí)進(jìn)行，采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定數(shù)值后，測(cè)試工作開(kāi)始。當(dāng)檢測(cè)出汽車(chē)電子ECU具有某項(xiàng)故障時(shí)，則自動(dòng)將此故障輸出并保存至計(jì)算機(jī)中。循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、篩選和檢測(cè)工作，直至將所有故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢。圖5為系統(tǒng)測(cè)試流程圖。

%循環(huán)測(cè)試并存儲(chǔ)結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PIX汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)在裝有某汽車(chē)電子ECU的汽車(chē)上分別進(jìn)行虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試和PIX汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試，現(xiàn)假設(shè)兩輛汽車(chē)的行駛初始速率和加速度均相同，分別記錄兩輛汽車(chē)的位移、實(shí)時(shí)速度和系統(tǒng)給出指令的時(shí)間，經(jīng)分析后繪制出曲線圖。

圖6、圖7分別為虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性和本文功能測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

可以看出，虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確度曲線較為雜亂，且平均準(zhǔn)確度僅為55%，無(wú)法對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，對(duì)汽車(chē)的行駛安全造成了一定影響；而本文測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度曲線較為平穩(wěn)，平均測(cè)試準(zhǔn)確度較高，為80%，驗(yàn)證了PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖8、圖9分別為虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)故障排除曲線和本文功能測(cè)試系統(tǒng)故障排除曲線。通過(guò)分析兩個(gè)功能測(cè)試系統(tǒng)的故障排除率即可確定二者穩(wěn)定性能的優(yōu)劣情況。

由圖8、圖9可知，虛擬汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)在下達(dá)指令的初期故障排除率較高，但曲線整體呈大幅度下降趨勢(shì)，即系統(tǒng)穩(wěn)定性較低；而本文測(cè)試系統(tǒng)的故障排除曲線較為穩(wěn)定，故障排除率的最大值和最小值分別為99%和83%，故障排除率整體較高且波動(dòng)較小，驗(yàn)證了PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文提出基于PXI的汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PXI總線、電子監(jiān)控測(cè)試模塊、萬(wàn)用表和計(jì)算機(jī)組成。PXI總線對(duì)汽車(chē)電子ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與初始化測(cè)試，并將數(shù)據(jù)傳輸給電子監(jiān)控測(cè)試模塊。電子監(jiān)控測(cè)試模塊由控制器、供電系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)收發(fā)器和開(kāi)關(guān)控制器組成。供電系統(tǒng)為電子監(jiān)控模塊供電，檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)出的故障數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)變。開(kāi)關(guān)控制器通過(guò)分析故障信號(hào)進(jìn)行電路的轉(zhuǎn)換或切斷操作?？刂破鞴芸刂麄€(gè)電子監(jiān)控測(cè)試模塊的運(yùn)行流程，并將篩選后數(shù)據(jù)傳輸給萬(wàn)用表。萬(wàn)用表對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)電壓進(jìn)行放大并傳遞至計(jì)算機(jī)。軟件設(shè)計(jì)部分，給出了PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試流程及其故障的排除算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PXI汽車(chē)電子ECU功能測(cè)試系統(tǒng)擁有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

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