汽車車身控制單元軟件可靠性測(cè)試研究

張金葉，史會(huì)英，陳建強(qiáng)

(1.北京汽車股份有限公司，北京 101300；2.易圖通科技(北京)有限公司保定分公司，河北保定 071000)

0 引言

近幾年國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速，相關(guān)的汽車電子行業(yè)也得到極大的促進(jìn)[1]，使得汽車電控單元和傳感器數(shù)量得到廣泛應(yīng)用[2]。舒適性、安全性和多樣性已成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，車身控制模塊(Body Control Module，BCM)是實(shí)現(xiàn)車身功能要求的核心[3]。由于每家零部件供應(yīng)商采用的軟硬件設(shè)計(jì)方案均不同，同一套測(cè)試用例庫(kù)(Test Case Library)往往無法全部覆蓋每一家供應(yīng)商的產(chǎn)品，經(jīng)常會(huì)有隱形軟件Bug未被發(fā)現(xiàn)，一旦這樣的產(chǎn)品流入市場(chǎng)，會(huì)給用戶造成非常大的困惑，甚至改變用戶汽車品牌的忠誠(chéng)度。在汽車行業(yè)內(nèi)，由于BCM屬于黑盒子零部件，很多整車廠(Original Equipment Manufacturer，OEM)并沒有投入太大的精力去研究BCM的軟硬件特點(diǎn)和可靠性測(cè)試方法，大多OEM通過簡(jiǎn)單的臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車生產(chǎn)驗(yàn)證后即投入量產(chǎn)，這使得大量的隱形軟件Bug流入市場(chǎng)，這種方式雖然縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，但通過市場(chǎng)來驗(yàn)證產(chǎn)品問題的方式，也會(huì)給車廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和品牌損失。因此，BCM開發(fā)過程中，整車廠工程師必須與供應(yīng)商軟硬件工程師展開DFMEA、系統(tǒng)測(cè)試方面的工作，通過對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)方案的了解，尋找最佳的測(cè)試方案，設(shè)計(jì)更有針對(duì)性的測(cè)試用例庫(kù)，提高產(chǎn)品的測(cè)試效率。

1 BCM系統(tǒng)RF模塊架構(gòu)分析

圖1是某SUV車型BCM RF模塊框圖，該BCM RF接受模塊采用的IC為MAX7036，而MAX7036只輸出曼徹斯特解碼格式的基帶信號(hào)電平，需要MCU對(duì)RF基帶信號(hào)進(jìn)行軟件解碼，即MCU要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)、解密運(yùn)算，因此對(duì)MCU的軟件資源要求較高，尤其是BCM進(jìn)入低功耗后，RF接收模塊占據(jù)了MCU的大量資源。

圖1 RF模塊架構(gòu)

根據(jù)BCM的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范可知，該BCM集成了遙控鑰匙(Remote Keyless Entry，RKE)和胎壓監(jiān)測(cè)(Tire Pressure Monitor System，TPMS)功能，遙控鑰匙和胎壓傳感器信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式，通過ASK調(diào)制方式，以433.92 MHz的載波發(fā)射出去，RKE和TPMS信號(hào)波特率分別為1.667和4.2 kb/s。 BCM進(jìn)入低功耗后，仍然在周期接收RKE、TPMS的信號(hào)，RKE解碼成功時(shí)BCM會(huì)立即喚醒CAN網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行解閉鎖動(dòng)作，而TPMS喚醒后僅更新EEPROM中的胎壓狀態(tài)，然后立即進(jìn)入低功耗。所以MCU進(jìn)入低功耗后，必須有足夠資源去進(jìn)行解碼，且不會(huì)影響其他子程序的運(yùn)行。

2 看門狗電路分析

因?yàn)锽CM控制著全車的內(nèi)、外燈系統(tǒng)(遠(yuǎn)近光、位置燈、剎車、轉(zhuǎn)向、位置燈和內(nèi)部的閱讀燈)，一旦BCM的軟件或硬件出現(xiàn)異常，例如行車過程中近光燈突然熄滅，將發(fā)生嚴(yán)重的危害事件，根據(jù)ISO 26262針對(duì)車輛電子系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)要求，BCM的近光燈控制回路應(yīng)有具備看門狗電路，即一旦BCM出現(xiàn)異常，近光燈控制功能應(yīng)快速進(jìn)入跛行模式，以確保夜間車輛高速行駛的安全性。BCM位置燈和近光燈的看門狗電路如圖2所示， 對(duì)看門狗電路分析，可以將其作為MCU工作異常的硬件檢測(cè)端口，這樣在不破壞BCM正常運(yùn)行的前提下，可以通過看門狗電路的狀態(tài)來判斷MCU的工作狀態(tài)。

圖2 近光燈看門狗電路

LIMP_HOME_KICK信號(hào)來自于MCU_Pin92，Q9、C2013、C231和R309組成RC充放電電路，74HC14是6通道反向施密特觸發(fā)器，BCM上電工作后，通過點(diǎn)a可以測(cè)得MCU輸出的不同占空比的方波信號(hào)，BCM正常工作時(shí)，點(diǎn)b的輸入電壓大于VIH(3.15 V)，這樣點(diǎn)c輸出的電壓一直維持在低電平狀態(tài)。當(dāng)BCM軟件出現(xiàn)異常時(shí)，點(diǎn)b電壓小于VIL(1.80 V)，點(diǎn)c會(huì)輸出高電平到U13的Pin9，從而使U13的Pin11始終處于低電平狀態(tài)，這樣當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)處于ON檔位時(shí)，U13驅(qū)動(dòng)近光燈繼電器始終處于吸合狀態(tài)(圖3)，將近光燈持續(xù)點(diǎn)亮。

3 RF模塊測(cè)試方案的制定

通過對(duì)BCM RF模塊功能的分析，BCM在正常工作狀態(tài)時(shí)，常規(guī)測(cè)試即可以驗(yàn)證RF模塊的基本性能，而BCM進(jìn)入低功耗后，BCM接收RKE和TPMS信號(hào)的喚醒率和解碼成功率是一個(gè)關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)。而外部環(huán)境存在同頻干擾信號(hào)時(shí)，RF模塊的誤喚醒率和MCU資源占用率是另外一個(gè)測(cè)試關(guān)鍵項(xiàng)。具體的RF模塊測(cè)試矩陣如表1所示，這里特別強(qiáng)調(diào)的是整車廠和供應(yīng)商工程師的職責(zé)和分工。

圖3 近光燈驅(qū)動(dòng)電路

序號(hào)測(cè)試內(nèi)容測(cè)試條件OEMSupplier1晶振電路匹配實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute2晶振電路測(cè)試(高低溫)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute3Ant-SAW-LNA1-LNA2等各級(jí)之間阻抗匹配實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute4Tank circuit電路調(diào)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute5Data slicer電路調(diào)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute6基帶信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute7工作電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute8傳導(dǎo)靈敏度測(cè)試(常溫)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute9耦合靈敏度/接收帶寬測(cè)試(常溫,GTEM)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute10抗干擾測(cè)試(常溫,GTEM)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute11耦合靈敏度測(cè)試(高低溫)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute12器件誤差對(duì)靈敏度的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境ConfirmExecute13BCM喚醒率和誤喚醒率測(cè)試測(cè)試臺(tái)架&實(shí)車環(huán)境壓力測(cè)試Execute & ConfirmExecute14BCM MCU負(fù)載率測(cè)試測(cè)試臺(tái)架&實(shí)車環(huán)境壓力測(cè)試Execute & ConfirmExecute15RKE測(cè)試方向圖實(shí)車環(huán)境測(cè)試Execute & ConfirmExecute

為了確保RKE功能的穩(wěn)定性，整車廠主要針對(duì)表1中的13—15項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試BCM 進(jìn)入休眠狀態(tài)后的MCU負(fù)載率，為了保證測(cè)試的真實(shí)性，可以通過檢測(cè)RF模塊的RF_ON、ASK_IN，以及看門狗電路的LIMP_HOME_KICK(a)b、LIMP_HOME(c)的波形，并觀察近光燈繼電器的動(dòng)作，就可以間接地判斷MCU的工作狀態(tài)，這種通過監(jiān)控硬件的測(cè)試方式，可以避免因在MCU中植入測(cè)試程序而影響測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，測(cè)試方案如圖4所示。

將BCM的硬線觸發(fā)源全部處于未激活狀態(tài)，用CANOE向BCM發(fā)出休眠指令，待BCM進(jìn)入休眠后，調(diào)節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器，基波信號(hào)433.92 MHz，容差小于±70 kHz，基帶信號(hào)采用與RKE信號(hào)同樣的編碼方式，傳輸速率從4.2 kb/s開始，按照0.1 kb/s的步長(zhǎng)，逐級(jí)調(diào)節(jié)基帶信號(hào)的速率。當(dāng)基帶信號(hào)接近9 kHz時(shí)，LIMP_HOME_KICK信號(hào)波形(點(diǎn)a)高電平脈寬為5 ms，低電平脈寬為90 ms，如圖5所示。此時(shí)點(diǎn)b的波形會(huì)發(fā)生一定的變化，波形最低點(diǎn)為3.8 V，變化周期為90 ms，波形如圖6所示。此時(shí)點(diǎn)c仍然為低電平，所以近光燈狀態(tài)不會(huì)改變。

圖4 測(cè)試方案

圖5 點(diǎn)a波形圖

圖6 點(diǎn)b波形圖一

當(dāng)基帶信號(hào)接近10 kHz，此時(shí)MCU發(fā)出LIMP_HOME_KICK信號(hào)開始錯(cuò)亂， 點(diǎn)b波形周期已達(dá)276 ms，低于2.0 V的時(shí)間為85 ms。此時(shí)，Limp_Home信號(hào)的高電平觸發(fā)時(shí)間達(dá)到52 ms，足可以使SK5871開啟近光燈繼電器，所以近光燈必然會(huì)被誤點(diǎn)亮(閃爍)，如圖7—圖8所示。

圖7 點(diǎn)b波形圖二

圖8 點(diǎn)c波形圖

從圖9也可以觀察到LIMP_HOME_KICK異常時(shí)，RF_ON信號(hào)也變?yōu)榱烁唠娖?，說明MCU此時(shí)出現(xiàn)誤喚醒的情況，已經(jīng)在連續(xù)進(jìn)行RF信號(hào)的解碼。一旦用戶在日常車輛使用時(shí)遇到這種問題，必然會(huì)引起極大的心里恐慌，由于BCM不會(huì)記錄這類故障代碼，這也會(huì)給售后故障診斷帶來非常大的困難。

通過這種壓力測(cè)試，可以證明該BCM RF模塊在進(jìn)入低功耗后，MCU存在資源占用率較高的情況，導(dǎo)致看門狗電路短暫性誤觸發(fā)。同樣，在BCM喚醒后，按照同樣的試驗(yàn)條件進(jìn)行壓力測(cè)試，現(xiàn)BCM輸出PWM波形的I/O口同樣出現(xiàn)了信號(hào)瞬斷的現(xiàn)象。

圖9 系統(tǒng)異常波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上的測(cè)試用例分析，說明在BCM開發(fā)過程中，僅通過常規(guī)的正向測(cè)試，是很難發(fā)現(xiàn)車輛在特殊環(huán)境中出現(xiàn)的異常情況。很多國(guó)產(chǎn)車型電器系統(tǒng)偶發(fā)性故障居高不下，一個(gè)很重要的原因就是整車廠的開發(fā)工程師對(duì)電子產(chǎn)品的硬件和軟件架構(gòu)不熟悉，因此編寫的測(cè)試用例往往僅限于功能邏輯測(cè)試，而忽略了產(chǎn)品深層次或系統(tǒng)性的軟件測(cè)試。