基于CAN的VCU入廠來料檢測系統(tǒng)的研究

周煉，沈永輝，董勇濤

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.天津智行汽車技術(shù)有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，能源需求不斷增加，造成的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，目前已成為制約我國社會(huì)發(fā)展的突出問題[1]，其中比較嚴(yán)重的污染源就是汽車尾氣的排放，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)每年就會(huì)有數(shù)十億噸的污染物排放到大氣中[2]。由于純電動(dòng)汽車環(huán)境污染小、能源來源廣泛等特點(diǎn)能夠在一定程度上緩解環(huán)境問題，因此受到世界各個(gè)國家政府的高度重視，各個(gè)車企在純電動(dòng)汽車的研發(fā)與生產(chǎn)過程中投入大量的人力、物力。但是由于純電動(dòng)汽車復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)，在沒有診斷功能和安全控制策略的情況下，汽車的故障信息獲取起來有一定的難度[3]。汽車電子網(wǎng)絡(luò)化近年來發(fā)展迅速以及純電動(dòng)汽車故障診斷標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一，CAN總線協(xié)議被廣泛用于純電動(dòng)汽車的系統(tǒng)控制，診斷及通訊等方面?；?CAN總線的汽車故障診斷系統(tǒng)目前逐漸成為汽車互聯(lián)網(wǎng)化、智能化的最基本要求[4,5]。

2 整車控制器

整車控制器（VCU）是電動(dòng)汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統(tǒng)的核心部件，在整車控制系統(tǒng)中居于最高層級(jí)，主要負(fù)責(zé)采集制動(dòng)踏板、加速踏板等部件信號(hào)，并對(duì)采集信息進(jìn)行管理、分析和運(yùn)算等[6]，整車控制器的功能作用如圖1所示，整車控制器的功能正常對(duì)于電動(dòng)汽車的重要性是不言而喻的[7]。因此，本文為了提高純電動(dòng)汽車安全性機(jī)器診斷的可靠性，開發(fā)一套基于 CAN總線的整車控制器來料檢測系統(tǒng)，對(duì)整車控制器進(jìn)行相關(guān)測試。

圖1 整車控制器關(guān)系圖

測試系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)與軟件平臺(tái)兩部分組成，用于檢測 VCU硬件接口是否正常工作。硬件系統(tǒng)主要是一些發(fā)生模塊，可實(shí)現(xiàn) CAN通訊和模擬量、開關(guān)量、脈沖量的輸出及模擬量、PWM、開關(guān)量采集，同時(shí)還包括供電單元。軟件平臺(tái)主要是用于測試系統(tǒng)管理，包括測試系統(tǒng)管理以及VCU功能測試等。圖2為測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、PWM信號(hào)的采集與輸出，根據(jù)VCU功能需求對(duì)整套測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。自檢模塊，主要是對(duì)設(shè)備自身通訊正常與否的檢測。電源模塊，主要由程控電源、電源電路、繼電器組成，可程控輸出不同電壓。信號(hào)調(diào)理模塊，主要由開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、模擬量濾波電路、數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路組成。最后就是通過多種數(shù)據(jù)采集板卡組成的數(shù)據(jù)采集與發(fā)生模塊。

圖3 測試系統(tǒng)硬件構(gòu)架圖

3.1 自檢模塊

為了保證測試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，首先需要測試系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此，在對(duì)控制器測試之前，首先完成系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)在自檢過程中，首先需要對(duì)測試系統(tǒng)的輸入通道進(jìn)行相應(yīng)的檢測，然后將輸入通道與輸出通道相連接，通過輸入同代檢測輸出通道是否正常。對(duì)于通信通道檢測，首先將2路CAN通道首先連接在一起，然后采用一個(gè)通道發(fā)送，一個(gè)通道接收地方式檢測通訊是否正常。

3.2 電源模塊

在控制器的實(shí)際使用場景中，整車控制器會(huì)出現(xiàn)供電電源電壓過低或者過高狀態(tài)，所以在對(duì) VCU功能進(jìn)行測試評(píng)估時(shí)需要考慮 VCU在欠壓或過壓情況下運(yùn)行能力。目前在市場上的純電動(dòng)乘用車車低壓系統(tǒng)正常供電電壓為12V，商用車為24V，過高電壓通常為18V或36V，過低電壓通常為9V或18V，整個(gè)測試系統(tǒng)能夠模擬整車控制器在常壓、過壓、欠壓及反壓四種工作電壓的輸出。在對(duì)電源輸出控制時(shí)選用了研華 USB-4761板卡進(jìn)行電源控制，可以通過研華 USB-4761板卡控制電源輸出不同電壓值，來滿足測試系統(tǒng)對(duì)VCU供電需求。

3.3 信號(hào)調(diào)理模塊

為了能夠使數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)發(fā)生卡的接口特性和VCU的接口特性保證一致，所以需要在設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)硬件時(shí)需要對(duì)信號(hào)做相關(guān)的調(diào)理。設(shè)備采用的研發(fā)USB-4750板卡中的輸出與采集通道是由板卡內(nèi)置的光耦開關(guān)控制的，輸出狀態(tài)分為高阻態(tài)（懸空）或高邊輸出，結(jié)合控制器端的 PIN腳電路特性，需要做一個(gè)信號(hào)調(diào)理，根據(jù)控制器端的每個(gè)PIN腳的電路特性匹配一個(gè)上拉或者下拉電路，消除整個(gè)電路過程中的高阻態(tài)（懸空），確保研華USB-4750板卡輸出和采集到的狀態(tài)的可靠性。

3.4 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)發(fā)生模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是自動(dòng)化測試系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，主要是通過基于計(jì)算機(jī)或者其它專用測試平臺(tái)測量硬件和軟件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡是一種可以通過 USB、PXI、PCI等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡。根據(jù)整車控制器測試系統(tǒng)功能需求選擇了研華 USB-4750多功能數(shù)據(jù)采集卡、阿爾泰 ART-2831模擬量輸出卡以及周立功 CAN卡，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字量輸入/輸出、 模擬量輸入/輸出和脈沖信號(hào)的輸入/輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，編程語言采用 LabVIEW 進(jìn)行編程。首先，測試系統(tǒng)需要有友好、簡單的人家交互界面，方便測試人員的操作和管理；其次，整個(gè)測試過程結(jié)束之后應(yīng)該提示測試結(jié)果，同時(shí)要保存相應(yīng)的測試報(bào)告，方便后期質(zhì)量的追溯和管理。

根據(jù)整車控制器測試需求和測試內(nèi)容制定測試流程；同時(shí)為了便于系統(tǒng)軟件按的改進(jìn)和擴(kuò)展，系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，各個(gè)模塊功能上相互獨(dú)立，在數(shù)據(jù)傳遞和程序結(jié)構(gòu)上又緊密連接，這樣不僅會(huì)使得程序結(jié)構(gòu)簡單明了，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試和后期的維護(hù)，同時(shí)使測試軟件操作簡易、數(shù)據(jù)交換高效、控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高。測試系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)操作界面

4.1 測試流程總體設(shè)計(jì)

整車控制器是整個(gè)汽車的核心控制部件，相當(dāng)于汽車的大腦，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。所以整車控制器的重要性是不言而喻的，為了保證純電動(dòng)車的人車安全，對(duì)整車控制器進(jìn)行相關(guān)檢測也是很有必要的，整個(gè)測試過程如圖5所示。

測試人員打開上位機(jī)測試軟件，通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)入測試主界面后，點(diǎn)擊“打開采集卡”按鈕，此時(shí)測試系統(tǒng)會(huì)先進(jìn)行自檢，如果自檢成功，系統(tǒng)功能及板卡功能正常，才可以進(jìn)行系統(tǒng)測試，并且“自檢”指示燈點(diǎn)亮。接下來點(diǎn)擊“開始自動(dòng)測試”按鈕，此時(shí)系統(tǒng)才開始了整車控制器的相關(guān)測試。在測試工程可分成兩個(gè)步驟進(jìn)行：參數(shù)配置和功能測試。

參數(shù)配置主要是對(duì)整車控制器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，包括其類型、型號(hào)及端口等。同時(shí)還會(huì)配置 CAN通訊板卡類型及波特率的設(shè)置等。功能測試主要是對(duì)整車控制器的電性能和相關(guān)功能測試。測試完成后會(huì)將測試結(jié)果存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)本地，便于品質(zhì)管理及數(shù)據(jù)追蹤。

圖5 系統(tǒng)軟件測試流程框圖

4.2 功能測試

功能測試主要是包括通訊檢測、模擬信號(hào)檢測和數(shù)字信號(hào)檢測。其中通訊檢測主要是針對(duì)整車控制器的 CAN通訊功能進(jìn)行檢測；模擬信號(hào)檢測主要包括電壓信號(hào)和脈沖信號(hào)的檢測；數(shù)字信號(hào)檢測則主要包括數(shù)字量的輸入輸出和繼電器驅(qū)動(dòng)檢測，功能測試流程如圖6所示。

圖6 功能測試流程圖

4.2.1 通信檢測

圖7 CAN通信測試流程圖

純電動(dòng)汽車整車控制器通常具有 CAN通信端口，在對(duì)整車控制器進(jìn)行功能測試時(shí)就是通過 CAN端口反饋信息完成測試的，所以需要對(duì)CAN端口先進(jìn)行測試。圖7為整車控制器CAN通信檢測的測試流程。首先，進(jìn)行CAN初始化，初始化完成需要對(duì)發(fā)送信息參數(shù)急接收信息參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后將接收到的CAN報(bào)文參數(shù)和發(fā)送的CAN報(bào)文參數(shù)進(jìn)行比較，如果發(fā)送的和接收的數(shù)據(jù)能夠相同則說明測試通過。

4.2.2 模擬信號(hào)檢測

模擬信號(hào)檢測主要包括對(duì)整車控制器的工作電壓模擬測試和脈沖信號(hào)測試。

（1）工作電壓模擬測試

測試規(guī)范與項(xiàng)目參考 ISO16750-2 《道路車輛電氣與電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第二部分電氣載荷》，如直流供電測試、過壓測試、疊加交流測試、供電電壓變化測試、供電電壓閃斷重連測試等。具體測試項(xiàng)目如下（舉例 VCU常壓供電12V）。通過程控電源為VCU輸出常壓、過壓、欠壓、反壓4種不同工作電壓，同時(shí)并激活VCU，通過上位機(jī)檢測CAN通訊功能，并根據(jù)VCU反饋報(bào)文判斷VCU電壓耐受性是否合格，工作電壓模擬測試如表1所示。

表1 工作電壓模擬測試

（2）模擬輸入口測試

通過模擬板卡控制輸出相應(yīng)電壓，然后發(fā)送 CAN查詢報(bào)文，通過反饋報(bào)文判斷 VCU模擬輸入口是否正常，模擬輸入口測試如表2所示。

表2 模擬輸入口測試

（3）PWM輸入口測試

表3 PWM輸入口測試

通過軟件控制板卡輸出PWM信號(hào)，然后向VCU發(fā)送CAN查詢報(bào)文，根據(jù)VCU反饋報(bào)文判斷VCU PWM輸入口是否正常，PWM輸入口測試如表3所示。

另外模擬輸出口、PWM 輸出口測試和輸入測試方法相同，最后將測試系統(tǒng)相應(yīng)通道采集后數(shù)據(jù)和請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)對(duì)比誤差不大于 5%則判定測試合格。系統(tǒng)模擬信號(hào)檢測流程如圖8所示。

圖8 電壓模擬型號(hào)測試流程圖

4.2.3 數(shù)字信號(hào)檢測

數(shù)字信號(hào)檢測主要是針對(duì)整車控制器輸入口測試和輸出口測試。

（1）數(shù)字輸入口測試

通過軟件控制繼電器對(duì) VCU進(jìn)行供電，供電后發(fā)送CAN查詢報(bào)文，根據(jù) VCU反饋報(bào)文是否與預(yù)期結(jié)果判斷VCU數(shù)字輸入口是否正常。測試方式如表4所示。

表4 數(shù)字輸入口測試

（2）數(shù)字輸出口測試

通過軟件發(fā)送端口驅(qū)動(dòng)報(bào)文，VCU接受到報(bào)文使能驅(qū)動(dòng)口輸出高電平或者低電平，此時(shí)板卡采集相應(yīng)端口，判斷VCU驅(qū)動(dòng)口是能是否正常，數(shù)字輸出口測試如表5所示。

表5 數(shù)字輸出口測試

數(shù)字信號(hào)測試流程如圖9所示。

圖9 數(shù)字信號(hào)測試流程圖

4.2.4 測試報(bào)告生成

整車控制器電來料入廠檢測設(shè)備一鍵式操作，測試過程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在測試完成后，測試結(jié)果自動(dòng)保存，可以.csv格式保存設(shè)備本地，可以存檔Access數(shù)據(jù)庫，也可以上傳至廠家系統(tǒng)云端，測試報(bào)告生成功能的開發(fā)需要利用NI LabVIEW的Report Generation Toolkit報(bào)告生成工具包，生成報(bào)告程序如圖10所示。測試報(bào)告包括VCU序列號(hào)、測試時(shí)間、測試人員、測試項(xiàng)目及測試結(jié)果等。同時(shí)可通過上位機(jī)界面對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，可通過測試結(jié)果是否合格、檢測時(shí)間、測試 VCU序列號(hào)進(jìn)行篩選查詢。數(shù)據(jù)可設(shè)有管理員登錄名和登陸密碼，保證數(shù)據(jù)庫的安全性。

圖10 測試報(bào)告生成模塊程序

5 測試結(jié)果分析

在測試系統(tǒng)對(duì)整車控制器進(jìn)行測試過程中，首先是對(duì)整車控制器電性能進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)給整車控制器提供過壓18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V的工作電壓，持續(xù)一分鐘后切換到 12V±0.5V常壓供電，同時(shí)上位機(jī)檢測整車控制器的 CAN通訊功能，如果整車控制器通訊正常則表示其電性能正常，圖11為上位機(jī)輸出正常電壓12V±0.5V、過壓 18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V曲線。接下來測試系統(tǒng)開始對(duì)整車控制器的其他功能進(jìn)行測試（數(shù)字量、模擬量等）最終在每一項(xiàng)測試完成之后，存儲(chǔ)成 Excel格式測試報(bào)告。整車控制器測試結(jié)果如圖12所示。

圖11 電性能測試曲線圖

圖12 測試報(bào)告

通過測試報(bào)告可以清晰看出整車控制器的各個(gè)檢測項(xiàng)目以及其檢測結(jié)果還有整車控制器的最終檢測結(jié)果，檢測人員與維修人員可以精準(zhǔn)定位控制器的缺陷項(xiàng)目，提高生產(chǎn)與售后維修效率。

6 結(jié)論

經(jīng)過大量試驗(yàn)證明所開發(fā)的基于 CAN總線的整車控制器測試系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、測試精度高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，整套測試系統(tǒng)完全可用于純電動(dòng)汽車的整車控制器的各項(xiàng)性能的測試，有廣泛的推廣使用價(jià)值。本測試系統(tǒng)目前已投入市場使用，測試過程均為自動(dòng)化測試，能很大程度上降低整車控制器的測試成本。