基于CANoe的ECU功能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于文函，黃銳景，王 琪，賴永發(fā)，劉 軍

（廣汽零部件有限公司 技術(shù)中心，廣東 廣州 510000）

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，汽車正由人工操控的機(jī)械產(chǎn)品逐步向電子信息系統(tǒng)控制的智能產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，智能汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。隨著消費(fèi)者需求不斷升級(jí)，自動(dòng)駕駛等級(jí)不斷提升，汽車電氣化和智能化不斷發(fā)展，汽車控制器作為汽車電子控制系統(tǒng)的核心將愈加重要?？刂破鞯墓δ軠y(cè)試一般分為臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車驗(yàn)證，是保障ECU功能安全的重要環(huán)節(jié)。臺(tái)架手動(dòng)測(cè)試需要測(cè)試人員使用萬(wàn)用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器等設(shè)備，有時(shí)還需要自制線束做故障注入測(cè)試，存在測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試效率低、漏測(cè)誤測(cè)率高、測(cè)試成本高和自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。

為解決以上問(wèn)題，有研究者提出設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以替代人工完成大量重復(fù)、枯燥的測(cè)試工作。楊一璜采用上位機(jī)LabVIEW監(jiān)控程序+下位機(jī)數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing, DSP）的架構(gòu)檢測(cè)飛機(jī)防滑剎車控制器性能[1]；陳良提出基于LabVIEW+CAN卡的永磁同步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)[2]；柴華提出PXle架構(gòu)+Simulink+LabVIEW搭建燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)[3]，但是以上采集模塊均不能滿足CAN總線實(shí)時(shí)性高和自動(dòng)化測(cè)試的要求。肖騰飛利用LabVIEW+PXIe-1078搭建了適用于各種變速器的測(cè)試系統(tǒng)，但其面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展（PCI extensions for Instrumentation, PXI）實(shí)時(shí)系統(tǒng)不能模擬其他節(jié)點(diǎn)報(bào)文[4]。李璐提出基于 CANoe+Vector設(shè)備的汽車網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，但是成本頗高，設(shè)備均需購(gòu)買[5]。夏曉經(jīng)[6]、張博棟[7]、孫立行[8]均提出 LabVIEW+NI板卡的測(cè)控系統(tǒng)來(lái)測(cè)試汽車控制器，但是沒(méi)有提出多條測(cè)試用例自動(dòng)化測(cè)試的方法且購(gòu)買板卡成本頗高。楊雪等[9]自研了電機(jī)控制器測(cè)試系統(tǒng)的下位機(jī)，但是下位機(jī)不具備模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter, ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digitalconverter to Analog Converter, DAC）、 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）功能?？偟膩?lái)說(shuō)，購(gòu)買板卡存在開發(fā)費(fèi)過(guò)高、兼容性和拓展性差等缺點(diǎn)。

本文提出了一種基于CANoe的CAPL（上位機(jī)）+自研控制板（下位機(jī)）的針對(duì)汽車控制器的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。下位機(jī)檢測(cè)待測(cè)件輸出數(shù)字量和模擬量并將其轉(zhuǎn)化為CAN或者LIN報(bào)文發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)發(fā)布指令控制程控電源和下位機(jī)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)報(bào)文至總線，接收、分析和判斷待測(cè)件輸出報(bào)文，輸出測(cè)試報(bào)告和保存測(cè)試數(shù)據(jù)等。上位機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示待測(cè)件各種信號(hào)值和相應(yīng)曲線，方便工程師進(jìn)行判斷。

1 測(cè)試臺(tái)架硬件設(shè)計(jì)

汽車電子控制系統(tǒng)主要由 ECU、傳感器、執(zhí)行器組成[10-11]。ECU對(duì)各種傳感器的輸入信號(hào)檢測(cè)并進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)控制策略向執(zhí)行器發(fā)出控制指令[12-13]。汽車ECU工作所需信號(hào)一般包括電源電壓（12 V）、總線報(bào)文、開關(guān)類信號(hào)、模擬量信號(hào)和PWM信號(hào)?？偩€報(bào)文是ECU與車上其他ECU通訊的媒介；開關(guān)類信號(hào)一般包含兩種狀態(tài)：一種是接到VBAT電源，另一種是接到地上；模擬量信號(hào)通常由傳感器獲得的直流電壓信號(hào)；PWM信號(hào)一般為幅值0 V～5 V的方波信號(hào)。ECU輸出量包括數(shù)字信號(hào)、模擬量輸出、總線報(bào)文、PWM信號(hào)。數(shù)字信號(hào)一般為高低電平信號(hào)，模擬量信號(hào)常為直流電壓信號(hào)，PWM信號(hào)一般為驅(qū)動(dòng)燈光、電機(jī)等的方波。

所以測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)應(yīng)能模擬ECU工作時(shí)所需的各種信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)ECU輸出給各執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終通過(guò)報(bào)文發(fā)送至上位機(jī)。

1.1 下位機(jī)需求分析

圖1為測(cè)試系統(tǒng)硬件連接示意圖，AC220 V給穩(wěn)壓電源和程控電源分別供電。程控電源通過(guò)負(fù)載板給被測(cè)器件（Device Under Test, DUT）供電，DC12 V穩(wěn)壓電源給主板和負(fù)載板供電。CANoe是德國(guó)Vector公司開發(fā)的關(guān)于汽車總線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、測(cè)試和分析的專業(yè)工具?？刂瓢宀捎弥靼寮迂?fù)載板的設(shè)計(jì)模式：主板包括微型控制單元（Micro Controller Unit, MCU）和其外圍控制電路等；負(fù)載板包括接插件、功率電路、繼電器電路和保護(hù)電路等。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件連接示意圖

1.1.1 主板電路

圖2為主板和負(fù)載板硬件連接示意圖?？刂瓢灏ㄖ靼搴拓?fù)載板，主板采用 NXP的 FS32 K144-100LQFP芯片作為主 MCU、適配 PE燒錄器，采用外部16M無(wú)源晶振，上電自復(fù)位。電源管理模塊輸出5 V電源給MCU供電。CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器收到上位機(jī)發(fā)送的報(bào)文并進(jìn)行解析，再執(zhí)行相應(yīng)指令。PWM輸入、輸出模塊和IO（通用輸入輸出）輸入模塊采用三極管 MMBT 3904L組成檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)電路。散熱風(fēng)扇由穩(wěn)壓直流電源供電，為主板和負(fù)載板散熱。IO輸入可采集并判斷DUT輸出信號(hào)高低電平。IO輸出模塊采用鎖存器控制繼電器的方式控制點(diǎn)火（Ignition, IG）信號(hào)的通斷，也可以注入短電短路故障。ADC輸入可以采集各種物理量；DAC輸出可以輸出不同的電壓值；PWM輸入捕獲可以檢測(cè)DUT輸出的PWM；PWM 輸出可以輸出不同幅值、不同占空比、不同頻率的PWM波形。主板把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為CAN或者LIN報(bào)文，并發(fā)送至上位機(jī)，是下位機(jī)控制的核心。

1.1.2 負(fù)載板電路

如圖 2所示，負(fù)載板包括啟動(dòng)停止模塊、電機(jī)故障制造模塊、接插件模塊、散熱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器模塊和保險(xiǎn)絲模塊。主板IO口采用鎖存器控制繼電器的方式輸出高低電平。場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor, MOS）用于驅(qū)動(dòng)繼電器吸合、斷開。接插件模塊連接待測(cè)件線束以采集其信號(hào)。DUT模擬量輸出端通過(guò)焊接線連接至負(fù)載板接插件，改變了之前線束連接不牢固、不安全的弊端。主板和負(fù)載板兩部分設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)MCU，隔絕大電流。保險(xiǎn)絲分別采用1 A、5 A、30 A的玻璃管保險(xiǎn)絲，防止大電流和短路對(duì)主板的損傷。

圖2 主板和負(fù)載板硬件連接示意圖

2 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用NXP的S32編譯環(huán)境進(jìn)行編程，上位機(jī)采用CANoe的CAPL進(jìn)行編程。測(cè)試系統(tǒng)采用上位機(jī)+下位機(jī)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

CANoe的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（Extensible Markup Language, XML）模塊可從編譯好的測(cè)試用例中選擇并執(zhí)行連續(xù)的測(cè)試流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試[14-15]。CAPL是CANoe的編程語(yǔ)言，它提供了豐富的測(cè)試應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface, API）：Test Feature Set，并能自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，同時(shí)提供Report View功能，方便客戶自定義報(bào)告模板。

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件流程圖如圖 3所示，控制板上電后芯片進(jìn)行初始化、運(yùn)行操作系統(tǒng)（Operating System, OS）、接收上位機(jī)CAN報(bào)文指令、控制鎖存器芯片驅(qū)動(dòng)繼電器等。

圖3 下位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖

控制板適配PE燒錄器?？刂瓢逯С諭/O輸入捕獲和檢測(cè)（8路）、AD采集（8路）、DA輸出（4路）、PWM輸入捕獲（4路）、PWM輸出（4路）、配置阻性負(fù)載（3路）、驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)（1個(gè)）和直流電機(jī)（3個(gè)）等功能。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4為測(cè)試系統(tǒng)控制方式示意圖。CANoe的CAN1連接到DUT，CAN2連接到控制板的CANH和CANL，兩路CAN分別受CANoe控制，互不影響，保證測(cè)試精度。程控電源通過(guò)USB線和PC機(jī)連接。CANoe自帶的CAPL程序通過(guò)RS232模塊發(fā)送可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments, SCPI）控制程控電源，發(fā)送CAN報(bào)文控制控制板繼電器通斷繼而控制IG電。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)控制方式示意圖

圖5為CAPL架構(gòu)圖，CAPL提供了.cin文件，可將基本的函數(shù)接口按照不同類型分別定義在各自的.cin，從而形成二層引用結(jié)構(gòu)。AFTP.cin和DUT進(jìn)行總線通訊，RS232.cin控制其他儀器設(shè)備（比如程控電源等），Context.cin對(duì)輸入的dbc（通訊矩陣）進(jìn)行解析和存放一些系統(tǒng)級(jí)函數(shù)。XML模塊包含大量測(cè)試用例，用戶可以通過(guò)測(cè)試分組對(duì)這些用例進(jìn)行分類和分級(jí)管理。程序運(yùn)行完成后，會(huì)根據(jù)測(cè)試用例生成測(cè)試報(bào)告并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。CANoe導(dǎo)入dbc后可仿真整車節(jié)點(diǎn)并周期性發(fā)送報(bào)文，CAPL可定義報(bào)文中不同信號(hào)值。CANoe通過(guò)CAN1接收DUT的CAN報(bào)文并解析出具體信號(hào)值，再判斷信號(hào)值正確與否。

圖5 CAPL架構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)

圖6為測(cè)試換擋器功能臺(tái)架。控制板和DC12 V穩(wěn)壓電源等固定在機(jī)柜內(nèi)部。負(fù)載板接插件通過(guò)焊接線連接至前面板；香蕉頭把前面板和待測(cè)件線束連接起來(lái)，這樣控制板就可采集待測(cè)件的輸出量。PC裝載測(cè)試程序通過(guò)RS232指令控制程控電源輸出相應(yīng)電壓，通過(guò)CAN報(bào)文給控制板發(fā)送控制命令，并在電腦顯示器中顯示出待測(cè)件發(fā)送報(bào)文情況和其模擬量檢測(cè)情況。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

按照?qǐng)D 7測(cè)試流程，搭建好測(cè)試環(huán)境后開始自動(dòng)測(cè)試，上位機(jī)初始化已配置好供電電壓、節(jié)點(diǎn)報(bào)文信號(hào)和其他模擬量輸入，按照?qǐng)D 8上位機(jī)提示進(jìn)行手動(dòng)操作（換擋），即可實(shí)現(xiàn)換擋器控制器功能自動(dòng)化測(cè)試。面板實(shí)時(shí)顯示KL30、KL15、DID0600、P_SW、變速箱控制單元（Transmission Control Unit, TCU）擋位、電子換擋器擋位、鑰匙狀態(tài)、駕駛模式、報(bào)警信號(hào)值。上位機(jī)把采集信號(hào)值和預(yù)期值（依據(jù)功能規(guī)范輸入）進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而確定此項(xiàng)測(cè)試通過(guò)與否。測(cè)試完成后，可自動(dòng)生成如圖 9所示的測(cè)試報(bào)告并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖7 自動(dòng)化測(cè)試流程圖

圖8 換擋器自動(dòng)化測(cè)試上位機(jī)圖

圖9 功能測(cè)試報(bào)告

4 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)利用CANoe仿真整車其他節(jié)點(diǎn)報(bào)文，控制程控電源輸出電壓，給下位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令，接收控制板檢測(cè)報(bào)文，提示操作者進(jìn)行操作，判斷待測(cè)件輸出量是否正確和生成測(cè)試報(bào)告等。

基于此，測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)完成ECU基礎(chǔ)性功能測(cè)試、電源管理類實(shí)驗(yàn)、跛行類功能檢測(cè)、下線檢測(cè)等臺(tái)架測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)極大地提升了測(cè)試效率，降低了 ECU測(cè)試成本，繼而降低了 ECU的開發(fā)成本，保障ECU功能安全。