汽車ABS ECU燒錄測試一體機設(shè)計與應用

王 巍,吳凱悅,吳法海

(1.浙江萬向精工有限公司，浙江 杭州 311202；2.萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

防抱死制動系統(tǒng)(anti-lock braking system,ABS)是在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用電子控制技術(shù)構(gòu)成的一種機電一體化系統(tǒng)[1]。它對于防止車輪抱死、提高制動效率、操縱穩(wěn)定性以及降低交通事故發(fā)生率發(fā)揮了重要作用[2]。電子控制單元(electronic control unit,ECU)作為ABS執(zhí)行機構(gòu)的核心部件，在整個系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。為保證ECU的正常工作，生產(chǎn)時需要對ECU產(chǎn)品進行檢測。判斷ECU產(chǎn)品是否合格，則需要檢測各個部件及其功能是否正常。檢測包括多方面，如電磁閥驅(qū)動電路的檢測、輪速采集功能的檢測、生產(chǎn)信息讀寫的檢測等。由于ECU的檢測涉及項目較多，如果由人工完成檢測，會浪費大量時間與精力。為了提高檢測準確率和效率，需要開發(fā)一套準確、高效的自動化檢測系統(tǒng)。為了滿足檢測時對各設(shè)備兼容性的要求，系統(tǒng)軟件使用LabVIEW進行開發(fā)。

1 燒錄測試一體機功能需求

1.1 測試對象分析

本文所設(shè)計的燒錄測試一體機的測試對象為乘用車液壓 ABS的ECU。 ECU是ABS 執(zhí)行機構(gòu)的核心控制部件，由硬件執(zhí)行層和軟件算法層組成。

ECU硬件執(zhí)行層主要由六個模塊[3]構(gòu)成。

①電源監(jiān)控模塊。其功能為將汽車電瓶電源轉(zhuǎn)化為單元內(nèi)部所需的標準穩(wěn)定電壓，并持續(xù)進行監(jiān)控。

②輪速傳感器信號處理模塊。其功能為濾波、整形和放大輪速信號。

③ABS閥線圈驅(qū)動模塊。其功能為控制ABS電磁閥導通和關(guān)斷。

④ABS電機驅(qū)動模塊。其功能為輸出ABS電機驅(qū)動信號。

⑤ABS警告燈控制模塊。其功能為輸出儀表盤ABS 警告燈控制信號。

⑥通信模塊。其功能為與外部設(shè)備進行控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線及K總線的通信協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)。

ECU軟件算法層的功能為實時監(jiān)控四個輪速傳感器輸入的信號，計算出汽車的參考車速、各車輪速度和減速度，得到各車輪滑移率；將滑移率與設(shè)定的滑移率控制門限值進行比較，從而根據(jù)設(shè)定的控制邏輯得出各通道電磁閥的動作模式和時間，以防車輪抱死情況的出現(xiàn)[4]。

作為本文測試對象，某系列ECU爆炸圖如圖1所示。

圖1 ECU爆炸圖Fig.1 Exploded diagram of ECU

ABS執(zhí)行機構(gòu)所有功能的運行均依賴于ECU的正常工作。若ECU不合格，則無法在緊急工況下保護人車安全。因此，ABS控制器在生產(chǎn)下線時必須進行測試驗證。

1.2 燒錄測試系統(tǒng)功能需求

ECU燒錄測試一體機系統(tǒng)，按功能可以劃分為ECU程序燒錄和硬件層面的ECU功能測試兩個部分。

ECU程序燒錄是ECU生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的方法是利用計算機將燒錄程序存儲到燒錄器中，然后將燒錄器與ECU的聯(lián)合測試工作組(joint test action group,JTAG)接口相連，通過操作燒錄器上按鈕完成ECU的燒錄。此方法不僅工作繁瑣，而且工作效率低[5]。故需要選擇一種支持動態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)調(diào)用的通用型燒錄仿真器，從而通過JTAG、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)等接口進行程序的刷新。

ECU功能測試的需求包括以下幾點。

①故障檢測功能。一體機能夠?qū)CU的硬件執(zhí)行層進行測試，驗證控制器各項功能是否正常工作，并對不合格模塊給出報警信息。

②不同車型配置功能。由于測試車型眾多，一體機測試軟件應能通過簡單配置制造工藝規(guī)范(manufacturing procedure specification，MPS)參數(shù)表進行相應的設(shè)置，且操作步驟需快速、簡便，以滿足產(chǎn)線工作節(jié)奏。

③治具自動連接功能。一體機氣動治具應能根據(jù)控制指令自動夾緊待測件，實現(xiàn)控制器接口與底座的自動對接。

④測試結(jié)果追溯功能。一體機測試軟件應具有報表功能，能根據(jù)ECU條形編碼進行測試結(jié)果的追溯。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)概述

根據(jù)功能需求，燒錄測試一體機系統(tǒng)的硬件架構(gòu)包括工控機、信號調(diào)理負載箱、可調(diào)開關(guān)電源、ABS ECU、氣動治具、燒錄器、掃碼槍。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.2 Architecture diagram of the system

2.2 系統(tǒng)組成

①信號調(diào)理負載箱。

信號調(diào)理負載箱的作用主要是向ECU提供電源，并進行測試所需信號的轉(zhuǎn)換和傳遞。它由2U機箱、前面板、后面板、開關(guān)電源、電流傳感器和信號調(diào)理板卡組成。信號調(diào)理板卡包含輪速信號處理電路、繼電器驅(qū)動電路、電流采集電路、故障燈驅(qū)動電路等部分。

②燒錄器。

燒錄器選用了能兼容不同微控制單元(microcontroller unit,MCU)的多通道在線式編程器。它是一種超高速、工業(yè)級在線式燒錄器，具有支持接口種類廣泛、燒錄算法豐富、性能穩(wěn)定、對目標電路充分保護、集成性好、體積小等特點，能嵌入各種測試設(shè)備，如自動試驗設(shè)備(automatic test equipment,ATE)、在線測試儀(in-circuit-tester,ICT)、功能測試(functional circuit test,FCT)、工裝、治具等。燒錄器既能手動操作又能自動操作，可以應用于各類電子產(chǎn)品的測試、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)，以及工業(yè)、家電、汽車、自動化等各個行業(yè)。

③NI數(shù)據(jù)采集卡。

④USB-CAN采集卡。

USB-CAN采集卡選用某公司通用型通用串行總線(universal serial bus,USB)轉(zhuǎn)CAN總線適配器。它的高速CAN通道符合ISO 11898-2協(xié)議，CAN比特率為5 kbit/s～1 Mbit/s，時間戳分辨率大約42 μs，符合CAN規(guī)范2.0A和2.0B。該采集卡可方便地監(jiān)視CAN總線網(wǎng)絡(luò)，編寫CAN總線程序，以及和CAN總線設(shè)備通信，因而廣泛應用于汽車、工業(yè)、醫(yī)療和其他行業(yè)。

⑤USB-K通信卡。

USB-K通信卡選用自行設(shè)計的轉(zhuǎn)換卡，主要包括K總線與串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和串口通信轉(zhuǎn)換為USB通信兩個部分。工作過程為：上位機發(fā)送讀取指令；USB/TTL232轉(zhuǎn)換芯片將USB總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic,TTL)電平數(shù)據(jù)，再通過LIN總線收發(fā)器芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為LIN總線CMOS電平信息，最后發(fā)送給ECU。ECU接收到指令后，將響應信息回傳到K總線網(wǎng)絡(luò)，由USB-K通信卡調(diào)制后回傳至上位機，從而實現(xiàn)工控機與ECU的K線通信。

⑥氣動測試治具。

治具采用雙工位模式，主要部件包括兩個三軸氣缸、測試探針上座、測試探針下座、燒錄接頭、測試接頭、電磁閥、底座、開關(guān)電源、控制板。氣動治具三維模型如圖3所示。

另外，院區(qū)內(nèi)的各間病房均配備了獨立衛(wèi)生間和陽臺。衛(wèi)生間靠外墻設(shè)計，并設(shè)有窗戶，這既能采集自然光線，又能通風透氣，保持病房內(nèi)空氣清新，有效防止異味滋生。病房里的陽臺使用大落地玻璃門，自然光能直接透射進病房里，患者可以按需要在陽臺進行舒展活動，呼吸新鮮空氣，配合周邊的花槽，令患者充分享受大自然的陽光與綠化，保持良好的心態(tài)，有助于患者病情的控制及治療。

圖3 氣動治具三維模型Fig.3 Three-dimension model of pneumatic fixture

⑦掃碼槍。

掃碼槍的作用是掃描ECU上貼的生產(chǎn)序列號條形碼，通知上位機需要燒錄的車型和軟件版本，并和MPS配置信息文件中的車型版本進行比對。若相符，則系統(tǒng)執(zhí)行燒錄、測試步驟；若不符，則在操作界面給出報警提示信息。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

LabVIEW通過圖形化的語言和模塊化的指令生成框圖式的程序代碼，其功能豐富的函數(shù)庫涉及數(shù)據(jù)采集、儀器通信、信號處理、文件存儲等[6-7]，是實現(xiàn)ECU燒錄和功能檢測的理想選擇。因此，本集成式燒錄測試一體機系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)。

3.1 LabVIEW函數(shù)調(diào)用

3.1.1 串口調(diào)用

在LabVIEW中，串口通信被列入儀器輸入/輸出(input/output，I/O)類。其函數(shù)是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(virtual instrumcnt softuare architecture,VISA)函數(shù)的子集[8]。本系統(tǒng)軟件使用串口通信函數(shù)完成條形碼掃描和K通信，涉及的串口通信函數(shù)有VISA配置串口函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)、VISA串口字節(jié)數(shù)屬性、VISA關(guān)閉函數(shù)等[9]。

3.1.2 燒錄器接口調(diào)用

燒錄器有方便LabVIEW調(diào)用的用戶庫DLL.lvlib，只需將DLL文件夾復制到LabVIEW安裝目錄的user.lib文件夾下，就可在函數(shù)面板下的用戶庫列表內(nèi)找到所有的VI。本系統(tǒng)軟件使用該VI庫可完成引導程序和應用程序燒錄、向ECU寫入生產(chǎn)日期和序列號信息的操作，涉及的VI有獲取燒錄器列表、連接燒錄器、發(fā)送燒錄文件、設(shè)置額外參數(shù)、燒錄、獲取燒錄結(jié)果等。

3.1.3 USB-CAN采集卡調(diào)用

本設(shè)計選用的CAN總線適配器有動態(tài)鏈接庫文件CANBasic.dll。它包含了CAN設(shè)備的初始化、通道打開、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、通道關(guān)閉等函數(shù)。LabVIEW使用“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”VI來配置調(diào)用的應用程序接口(application programming interface,API)。

3.1.4 數(shù)據(jù)采集

NI數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW具有很強的兼容性，在程序設(shè)計時無需考慮硬件的底層驅(qū)動問題[10]。該數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW中建立數(shù)據(jù)采集任務(wù)的方式有兩種：①利用DAQmx VI函數(shù)；②利用DAQ助手[11]。本系統(tǒng)軟件采用DAQ助手控制數(shù)字量與模擬量的輸入/輸出，從而完成控制繼電器開關(guān)量、采集電磁閥與電機工作電流、發(fā)送方波等任務(wù)。

3.2 軟件模塊組成

系統(tǒng)軟件可同時檢測多個ECU產(chǎn)品。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面Fig.4 Software interface

軟件的主要功能如下。

①端口配置。系統(tǒng)軟件配置采集卡、掃碼槍、CAN設(shè)備、K設(shè)備的通信端口。

②用戶選型。系統(tǒng)軟件提供四個測試通道、兩個測試模式(手動/自動)、多個ECU型號供用戶選擇。用戶選型之后，系統(tǒng)軟件會根據(jù)型號信息初始化系統(tǒng)參數(shù)，如主動式/被動式切換、磁電/霍爾式切換、波特率設(shè)置等。

③掃碼校驗。系統(tǒng)軟件采集到ECU裝配到位信號后，自動啟動掃描器掃描產(chǎn)品條形碼，并對條形碼內(nèi)容進行記錄和校驗。

④程序燒錄。系統(tǒng)軟件根據(jù)ECU型號發(fā)送對應的燒錄文件到燒錄器，并配置生產(chǎn)日期和序列號等額外的燒錄參數(shù)，然后啟動燒錄并查詢燒錄結(jié)果。

⑤功能檢測。系統(tǒng)軟件檢測ECU的CAN總線和K總線通信是否正常，讀取ECU故障碼，校驗版本信息，測試制動開關(guān)、警告燈等輸入/輸出信號，檢測電磁閥線圈、電機和輪速傳感器等部件是否能正常工作。另外，系統(tǒng)軟件會顯示每一步檢測的測試結(jié)果，形成測試日志。

⑥保存結(jié)果。測試完成后，系統(tǒng)軟件會存儲以條形碼內(nèi)容命名的測試日志，同時顯示最終的測試結(jié)果，并對合格品進行計數(shù)。

功能模塊如圖5所示。

圖5 功能模塊圖Fig.5 Function module diagram

3.3 軟件測試流程

由于被測車型眾多，故根據(jù)《車型配置技術(shù)明細表》，統(tǒng)一將車輛的軟件版本、硬件版本、傳感器類型、輪胎半徑、齒圈齒數(shù)、CAN波特率等內(nèi)容打包寫入一個MPS文件內(nèi)。通過在前面板選擇被測ECU的型號，后臺自動進行初始化配置，簡化了操作步驟?；緶y試流程如下。

①啟動上位機，選擇被測ECU型號。

②將兩個ECU分別放置到工裝上，雙手按壓啟動按鈕，上針座自動下壓。

③上位機驅(qū)動掃碼槍讀取ECU側(cè)面的條形碼，先判斷MPS里的配置信息和燒錄的程序版本是否一致，如校驗通過則使能燒錄器開始刷新程序。

④待程序更新完畢，進行串口初始化，并設(shè)置CAN波特率。

⑤ECU上電自檢。上位機監(jiān)測電源線上電壓和電流，發(fā)送初始化報文與ECU通信握手。

⑥連接成功后，進行ECU的診斷代碼(diagnostic trouble code,DTC)測試。

⑦讀取ECU內(nèi)部的信息和MPS配置信息，并進行版本比對測試。

⑧讀取總線上的CAN報文，并進行CAN通信矩陣測試。

⑨上位機驅(qū)動信號調(diào)理箱，并進行ECU I/O接口測試。

⑩發(fā)送變頻率方波，模擬輪速信號進行測試。

4 實際應用反饋

一體機系統(tǒng)在生產(chǎn)及應用前，還需要進行一系列的調(diào)試工作。這主要是完成不同廠商不同類型ECU產(chǎn)品以及模擬故障ECU產(chǎn)品的針對性檢測。

通過調(diào)試，改進了以下項目。

①掃碼槍模式。以往掃碼槍使用的是鍵盤模式。但通過實際檢測發(fā)現(xiàn)，鍵盤模式存在偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，導致上位機判斷當前ECU產(chǎn)品條碼錯誤。將掃碼槍調(diào)整為虛擬串口模式后，通過串口函數(shù)來處理掃描到的數(shù)據(jù)，未再出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)。

②掃碼槍位置。因為條形碼位置ECU的長側(cè)面變更到短側(cè)面，所以對掃碼槍位置進行了重新設(shè)計和固定。最終，將掃碼槍的位置從底座移到了上座。

③燒錄器模式。燒錄器有USB、網(wǎng)口兩種連接模式。早期采用USB模式，在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)燒錄多個ECU之后偶爾出現(xiàn)上位機與燒錄器連接失敗現(xiàn)象，需重新拔插USB線才能恢復正常。這樣會影響生產(chǎn)節(jié)拍。后期改為網(wǎng)口模式，連接非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)連接失敗現(xiàn)象。

經(jīng)調(diào)試完成后，一體機系統(tǒng)進入批量檢測階段。檢測系統(tǒng)對五個批次ECU產(chǎn)品進行檢測。表1為統(tǒng)計結(jié)果。在批量檢測中，除了故障ECU產(chǎn)品會檢測為不合格外，合格的ECU產(chǎn)品也可能會誤判為不合格。其主要原因是存在檢測誤差。

表1 統(tǒng)計結(jié)果

存在檢測誤差主要是由于采集卡在采集模擬量時的檢測時間點存在偏差，導致某一段模擬量未全部采集到，影響上位機的判斷結(jié)果。經(jīng)批量測試驗證，在保證生產(chǎn)節(jié)拍的前提下適當延長采集時長，可以規(guī)避此類檢測誤差。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的ECU燒錄測試一體機系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，結(jié)合測試負載箱、氣動治具、燒錄器等外圍設(shè)備，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了同一治具下既能燒錄又能測試，簡化了產(chǎn)線人員的操作步驟，提高了測試工位節(jié)拍，基本覆蓋了ECU所有模塊的檢測。同時，針對不同廠家、不同通信協(xié)議的產(chǎn)品，開發(fā)了對應的子VI，提高了系統(tǒng)的兼容性。在實際應用中也發(fā)現(xiàn)，磁電式ECU的輪速模擬信號還不能完美地模擬實際車況，即上位機在使用一段時間以后會出現(xiàn)端口沖突的現(xiàn)象。在下一步一體機升級時，將在硬件和軟件方面作好對應的優(yōu)化，以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。