汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂霞付，張爽，王乾永，沈斌斌

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制工作方面，ECU愈加凸顯出它的核心作用。同時(shí)，ECU的價(jià)格昂貴且技術(shù)要求越來(lái)越高，ECU的測(cè)試技術(shù)因此變得越來(lái)越重要[1]。以往的人工檢測(cè)方法不僅效率低，也存在準(zhǔn)確性差的問題，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致ECU的損壞。因此，如何提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的測(cè)試技術(shù)和故障診斷水平則變得至關(guān)重要[2]。

本文作者首先給出了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案，然后詳細(xì)介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要以STM32F405VGT6為主控芯片，外加相應(yīng)的功能模塊。軟件部分主要是在RS232工控機(jī)上用C#編寫的一款測(cè)試軟件。通過(guò)Kline線把檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)軟件連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU狀況的檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)各類輸入信號(hào)的模擬以及怎樣對(duì)ECU的輸出信號(hào)進(jìn)行采集。因此，需要綜合考慮ECU的硬件測(cè)試需求，并對(duì)ECU的信號(hào)進(jìn)行研究。最終，將需要檢測(cè)的ECU信號(hào)分為了兩類：數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)[3]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由三層組成：上位機(jī)軟件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備以及待測(cè)ECU。上位機(jī)部分為RS232工控機(jī)，在工控機(jī)上安裝一款具有檢測(cè)功能的測(cè)試軟件，這樣更加方便展示檢測(cè)的過(guò)程以及最終的結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備是以STM32F405VGT6為主控芯片，功能模塊包括數(shù)字量測(cè)試模塊、模擬量測(cè)試模塊、CAN通信模塊、RS232模塊、電源模塊等[4]。待測(cè)ECU通過(guò)A線束、K線束與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備連接，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備通過(guò)RS232通信接口和RS232轉(zhuǎn)Kline模塊與工控機(jī)進(jìn)行連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的通信模塊

2.1 CAN收發(fā)器

在此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，待測(cè)ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備之間的通信采用的是CAN通信。系統(tǒng)中采用的CAN通信模塊是ISO4050,其工作電壓為3.3 V[5]。CAN收發(fā)器的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 CAN總線收發(fā)器

2.2 TL718轉(zhuǎn)換器

TL718轉(zhuǎn)換器主要針對(duì)于解決汽車通信問題，用于連接硬件設(shè)備和上位機(jī)。TL718轉(zhuǎn)換器在協(xié)議方面做了擴(kuò)充，可跟現(xiàn)在的極大部分汽車的各種控制模塊進(jìn)行診斷通信[6]。此系統(tǒng)中主要通過(guò)將主控板的K線接入OBDⅡ接口，再采用TL718轉(zhuǎn)換器接入上位機(jī)，通過(guò)在工控機(jī)上對(duì)測(cè)試軟件進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)ECU的精準(zhǔn)檢測(cè)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)主芯片進(jìn)行選擇，文中選擇的是STM32F405VGT6，然后對(duì)其最小系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按照對(duì)信號(hào)的分類情況對(duì)檢測(cè)模塊進(jìn)行模塊化，接著設(shè)計(jì)相關(guān)的外圍模塊電路，如CAN通信模塊、RS232轉(zhuǎn)Kline模塊和RS232通信接口。圖3為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本文作者主要是針對(duì)ECU的數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，其中數(shù)字量信號(hào)主要包括低怠速開關(guān)信號(hào)、排氣制動(dòng)開關(guān)信號(hào)、主剎車開關(guān)信號(hào)、T50啟動(dòng)開關(guān)信號(hào)、診斷請(qǐng)求開關(guān)信號(hào)、T15開關(guān)信號(hào)和油中有水信號(hào)等，模擬量信號(hào)主要包括加速踏板信號(hào)、軌壓傳感器信號(hào)、機(jī)油壓力和溫度傳感器信號(hào)、冷卻水溫度傳感器信號(hào)等[7]。另外，模擬量信號(hào)中有一類信號(hào)是對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行模擬的，如燃油溫度信號(hào)、冷卻水溫度信號(hào)等。具體的電路設(shè)計(jì)見下面的介紹。

3.1 數(shù)字量信號(hào)的電路設(shè)計(jì)

以低怠速開關(guān)信號(hào)為例，圖4為低怠速開關(guān)信號(hào)的電路設(shè)計(jì)。該電路的設(shè)計(jì)原理為繼電器原理[8]。利用繼電器的開關(guān)來(lái)控制信號(hào)，當(dāng)繼電器接通時(shí)，K5開關(guān)將和5腳接通，否則會(huì)接6腳。同樣的，排氣制動(dòng)開關(guān)信號(hào)等也是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

圖4 低怠速開關(guān)信號(hào)電路

3.2 模擬量信號(hào)的電路設(shè)計(jì)

以加速踏板信號(hào)為例，圖5為加速踏板信號(hào)的電路設(shè)計(jì)部分。首先在TIM2CH4一端輸入脈沖信號(hào)，然后通過(guò)濾波電路、跟隨電路、放大電路后得到加速踏板的模擬量信號(hào)[9]。軌壓傳感器信號(hào)等的設(shè)計(jì)原理同理。

圖5 加速踏板電路

3.3 溫度模塊的設(shè)計(jì)

以進(jìn)氣溫度傳感器信號(hào)為例，圖6為進(jìn)氣溫度的電路設(shè)計(jì)部分。此系統(tǒng)采用74HC4051八路電阻芯片來(lái)進(jìn)行溫度的模擬[10]。不同的電阻值表示不同的溫度值，因此電阻值的改變可以模擬溫度值的變化。冷卻水溫度等信號(hào)的電路設(shè)計(jì)同理。

圖6 進(jìn)氣溫度電路

4 系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是在RS232工控機(jī)上用C#開發(fā)的一款測(cè)試軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過(guò)程的展示過(guò)程和對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。圖7所示為上位機(jī)的程序流程圖，可以看出此系統(tǒng)首先對(duì)通信進(jìn)行測(cè)試，其中包括CAN線和Kline線的檢測(cè)，當(dāng)測(cè)試通過(guò)之后開始進(jìn)行模擬量的測(cè)試，若測(cè)試未通過(guò)則軟件界面會(huì)顯示failed；在對(duì)模擬量測(cè)試后若是測(cè)試通過(guò)則開始對(duì)數(shù)字量進(jìn)行檢測(cè)，若測(cè)試未通過(guò)則軟件界面顯示failed；在數(shù)字量測(cè)試通過(guò)后整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)束，若數(shù)字量測(cè)試通過(guò)則整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果為通過(guò)，否則軟件界面顯示failed。

圖7 上位機(jī)測(cè)試流程

5 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

圖8所示為整體系統(tǒng)的實(shí)物圖，可以看出：待測(cè)的ECU通過(guò)A端子線束和K端子線束和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行連接，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備與LED連接，并且通過(guò)RS232通信接口和Kline轉(zhuǎn)232模塊與工控機(jī)連接。為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的箱子，將發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)設(shè)備和工控機(jī)合理地放置在箱子內(nèi)，同時(shí)，該箱子可以放置線束等，可以實(shí)現(xiàn)便捷攜帶。

圖8 系統(tǒng)的整體實(shí)物

6 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

在對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，首先用此檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)待測(cè)的ECU進(jìn)行檢測(cè)，ECU硬件測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程如圖9所示，該系統(tǒng)會(huì)依次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)并給出具體的檢測(cè)結(jié)果，最終的檢測(cè)結(jié)果界面如圖10所示，系統(tǒng)會(huì)給出failed和pass兩種結(jié)果。然后再對(duì)每個(gè)ECU進(jìn)行人工復(fù)檢，再將兩次的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。大量的測(cè)試證明：此系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU的診斷檢測(cè)。因此可以證明該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷檢測(cè)系統(tǒng)的工作性能良好，系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)較為合理，結(jié)果可靠。

圖9 系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程

圖10 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

7 總結(jié)

此系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于ECU生產(chǎn)測(cè)試中。試驗(yàn)和使用表明：該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU診斷檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地完成對(duì)ECU的工作性能和可使用性的評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以很好地應(yīng)用于ECU的生產(chǎn)過(guò)程，降低測(cè)試人員工作強(qiáng)度的同時(shí)又增加了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。