工程機(jī)械控制器功能檢測系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：控制器作為工程機(jī)械的核心部件之一，其功能的可靠性直接關(guān)系到整個工程機(jī)械控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對控制器的功能檢測（EOL）基于CAN總線通訊和Labview軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，形成一套完整的檢測系統(tǒng)。經(jīng)過功能檢測，有效地避免控制器質(zhì)量問題遺留到整車調(diào)試或早期市場反饋。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；控制器；功能檢測；CAN總線；Labview軟件

0 前言

工程機(jī)械整車控制器（簡稱控制器）是工程機(jī)械的控制中樞，根據(jù)各路傳感器信號、CAN總線信號，運(yùn)行控制策略控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。工程機(jī)械多品種小批量的特點(diǎn)及核心零部件國產(chǎn)化趨勢，越來越多的主機(jī)廠依據(jù)產(chǎn)品噸位、性能自主研發(fā)專用控制器，從而提升競爭力。

輸入功能（含精度檢測）、負(fù)載輸出為傳統(tǒng)控制器I/O端口的主要功能，隨著智能化、診斷技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械控制器的I/O端口自診斷功能有了實(shí)際應(yīng)用，輸入端口在控制器內(nèi)部設(shè)計冗余結(jié)構(gòu)，在設(shè)定周期內(nèi)自動完成端口故障診斷測試；輸出端口具有驅(qū)動電流檢測功能，完成端口的故障診斷（正常，開路，過流，短路四種狀態(tài)），并進(jìn)行非正常輸出狀態(tài)下進(jìn)行端口保護(hù)。一方面，工程機(jī)械控制器I/O端口自診斷功能測試的需求，另一方面，工程機(jī)械電動化、智能化的發(fā)展對控制器精度及可靠性提出了更高的要求。

目前，在集成電路行業(yè)中，電路板的生產(chǎn)過程進(jìn)行FCT測試[1]，F(xiàn)CT測試效率高，但缺乏對信號精度和負(fù)載功能進(jìn)行檢測。文[2]基于Boot Loader通信單元的工作原理提出一種新的EOL解決方案，提升了電控柴油機(jī)控制器測試過程中程序下載和數(shù)據(jù)更新的效率，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性和在從機(jī)端的訪問安全性。

本文基于PCIe總線架構(gòu)提供控制器需要的激勵信號，對輸入端口進(jìn)行測試，輸出端口驅(qū)動負(fù)載電路實(shí)現(xiàn)輸出端口診斷測試，對工程機(jī)械控制器的I/O功能檢測（End Of Line，EOL），提升控制器的可靠性。通過自動化測試工裝和測試軟件，實(shí)現(xiàn)控制器的整個檢測流程全智能化、自動化，以達(dá)到減少操作人員、提高測試效率的目的。

1 檢測臺架總體設(shè)計與硬件組成

1.1 檢測臺架的功能

控制器裝配到工程機(jī)械的最后生產(chǎn)環(huán)節(jié)為功能檢測（EOL），此時的控制器已經(jīng)裝殼封裝完成，在控制器功能檢測臺架上完成，該臺架的功能檢測如圖1所示。功能檢測包含三大類：①CAN通訊功能檢測；②輸入端口檢測，包含AI端口的輸入功能檢測（含精度檢測，端口診斷）、DI端口的輸入功能檢測（含門限電壓檢測）、PI端口的輸入功能檢測（含精度檢測）；③輸出端口檢測，DO、PWM端口輸出功能（含負(fù)載驅(qū)動，端口保護(hù)）。

1.2 自動化插接檢測工裝

控制器已經(jīng)裝殼封裝完成，控制器的匹配的插接件有鎖扣，插接費(fèi)時費(fèi)力，不利于批量檢測。在控制器功能檢測臺架上設(shè)計了圖2所示的自動化固定、插接工裝?？刂破鞣胖玫?個治具的中央，啟動氣動式固定插接功能，氣缸伸出推動集成頂針插接件與控制器連接。

整個檢測過程中，插接件的插接和釋放由PLC控制，自動化固定插接提升了批量檢測的效率?？刂破髁鞒虉D3所示。

TJ/ptB5hPxoXKj6R1KaAj4F+bzYNapkRltEa0uy0jso=1.3 基于CAN總線架構(gòu)設(shè)計

基于CAN總線的功能檢測方案如圖4所示，在工控機(jī)中集成NI板卡信號源，通過CAN卡與控制器通信[3]。通過多功能輸出板卡提供-10～10V電壓，將電壓信號切換電壓、電流或電阻信號，實(shí)現(xiàn)控制器AI端口不同信號類型加載；控制器DI端口通過多功能輸出板卡直接進(jìn)行電壓加載。同時多功能輸出板卡還可以提高頻率與占空均可調(diào)的PO頻率信號，用于檢測控制器PI端口功能?？刂破鞯腄O端口和PO端口連接負(fù)載電路，通過多功能采集板卡AI端口檢測輸出電壓和驅(qū)動負(fù)載的反饋電流。

1.4 檢測流程

基于CAN總線的AI端口功能檢測流程如圖5所示，多功能輸出板卡輸出-10～10V電壓經(jīng)V/I/R切換模塊后，轉(zhuǎn)換成AI端口檢測需要的信號類型及信號值，控制器檢測到信號值后轉(zhuǎn)換成CAN報文，通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)對比信號模擬值與控制器檢測值，對控制器AI端口的輸入功能和檢測精度進(jìn)行判斷。其他類型端口檢測流程類似。

2 檢測臺架系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測臺架系統(tǒng)原理

基于Labview軟件開發(fā)自動化測試軟件，實(shí)現(xiàn)程序的自動燒錄、工控機(jī)系統(tǒng)與控制器的通信、I/O設(shè)備的輸入輸出。在各檢測項開始檢測前，上位機(jī)系統(tǒng)通過CAN報文給控制器發(fā)送檢測開始指令，控制收到指令后對相應(yīng)的端口進(jìn)行初始化配置，完成后給上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送配置完成CAN報文，上位機(jī)系統(tǒng)收到控制器完成端口配置的CAN報文后，通過I/O設(shè)備模擬或采集相應(yīng)的信號，并與標(biāo)準(zhǔn)值對比自動判斷檢測結(jié)果。

2.2 CAN通訊檢測

開始檢測前先對被測控制器進(jìn)行程序的燒錄，程序燒錄通信單元主要由工控機(jī)端的燒錄器和控制器端的Boot Loader程序組成。工控機(jī)、控制器采用CAN2.0通信協(xié)議連接。工控機(jī)通過CAN卡與控制器通信。在CAN2.0協(xié)議的基礎(chǔ)上定義應(yīng)用層的通信協(xié)議，以高效可靠地實(shí)現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)更新等諸多功能。協(xié)議采用CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)幀格式［4］，每條指令8個字節(jié)，主要包括連接、Flash操作、EEPROM 操作等方面。

工程機(jī)械具有多個總線通信網(wǎng)絡(luò)，多個總線元件需要與控制器進(jìn)行通信，因此，主控制器具有多路CAN，在檢測時需要對各路的CAN進(jìn)行通訊功能檢測。如圖6所示，通過CAN板卡及切換模塊對控制器的4路CAN通訊功能進(jìn)行檢測。

2.3 輸入功能檢測

工程機(jī)械上配置的模擬量傳感器多種多樣，同一控制器AI端口支持電壓、電流、電阻型模擬量的輸入。在檢測時要考慮到信號類型的切換、控制器內(nèi)部設(shè)計冗余結(jié)構(gòu)、端口診斷功能?？刂破鰽I端口的輸入功能測試如圖7所示，利用多功能輸出板卡產(chǎn)生0～10V電壓信號，通過電壓轉(zhuǎn)電流模塊，將0～10V電壓信號轉(zhuǎn)化為0～25mA電流信號，將0～10V電壓信號與0～25mA電流信號傳遞給多路選擇器模塊MUX1，通過多路選擇器模塊選擇電壓或者電流信號加載給控制器端口。電阻信號通過外置固定、程控電阻，通過多路選擇器MUX2可以選擇不同的電阻值，傳遞出的電阻信號再傳遞給控制器端口。

2.4 輸出功能檢測

控制器DO端口的輸出功能檢測如圖8所示，控制器輸出DO的4種工作狀態(tài)，為了能夠給控制器加載不同工況負(fù)載，通過開關(guān)切換電路進(jìn)行，通過不同開關(guān)組合，為控制器提供不同的負(fù)載，再通過多功能采集板卡AI端口與CAN總線分別讀取控制器端口電壓以及控制器內(nèi)部工作狀態(tài)。

2.5 臺架程序設(shè)計與自動化測試設(shè)計

自動化測試軟件基于Labview軟件開發(fā)，工控機(jī)與控制器之間通過CAN總線通信，以控制器端口類型分類，再依據(jù)端口序號進(jìn)行自動化檢測。

2.5.1 程序模塊化設(shè)計

整個檢測臺架程序按照模塊化設(shè)計，按控制器端口類型分成CAN、AI、DI、PI、DO、PWM共6個模塊，每個模塊又分具體的測試項次。執(zhí)行系統(tǒng)程序6個模塊依次進(jìn)行，每個模塊中按照端口的循序依次完成所有的測試項次。因此，只要在數(shù)據(jù)庫中配置好控制器端口的類型和序號，檢測時直接調(diào)用模塊化的測試序列。

2.5.2 人機(jī)界面

采用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)界面，上位機(jī)采用Labview作為組態(tài)軟件的主開發(fā)界面，利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在上位機(jī)顯示器上建立測試項執(zhí)行軟面板實(shí)時顯示檢測的進(jìn)度。所有的測試項檢測參數(shù)都采用可編程參數(shù)化設(shè)置。

4 檢測臺架的運(yùn)行與結(jié)果分析

以上位機(jī)Labview記錄相應(yīng)端口的信號值，同時用PCAN-View監(jiān)測通訊[5]，AI端口的診斷功能、DO端口保護(hù)功能進(jìn)行臺架運(yùn)行驗證。

4.1 AI端口的診斷功能檢測

AI端口的診斷功能檢測涵蓋了AI端口的輸入功能和精度檢測，正常電流型模擬量范圍為4～20mA，AI端口的冗余設(shè)計使得具有端口診斷功能：①開路或短地，電流輸入小于2mA；②正常輸出，電流輸入4～20mA；③超限，電流大于22mA且小于23mA；④短電源，電流值大于23mA。NI PCIe-6738輸出0～25mA如圖9所示。同時監(jiān)測到的控制器輸出CAN報文，模擬量輸出板卡實(shí)時模擬的電流值，與控制器發(fā)出端口檢測結(jié)果一致。

4.2 DO端口保護(hù)功能檢測

DO端口驅(qū)動負(fù)載電路依據(jù)反饋電流的大小，端口進(jìn)行自保護(hù)：①正常輸出，24V，反饋電流小于3.5A；②過流保護(hù)，反饋電流大于3.5A，3s后，24V→0V，停止輸出；③開路保護(hù)，無反饋電流，24V→5V；④短路保護(hù)，24V，反饋電流為0，2s后，24V→0V，停止輸出。通過NI PCIe-6363采集電壓、電流如圖10所示。同時監(jiān)測到的控制器輸出CAN報文，依據(jù)模擬量采集板卡采集的端口輸出電壓值和反饋電流值判斷端口的保護(hù)情況，與控制器發(fā)出端口檢測結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

針對工程機(jī)械控制器輸入端口診斷功能及輸出端口保護(hù)功能，提出了PCIe總線架構(gòu)提供控制器需要的激勵信號，對輸入端口進(jìn)行測試，輸出端口驅(qū)動負(fù)載電路實(shí)現(xiàn)輸出端口診斷測試。上位機(jī)系統(tǒng)通過CAN總線與被測控制器實(shí)時信息交互，基于Labview軟件開發(fā)自動化測試軟件，實(shí)現(xiàn)自動化檢測。通過臺架對控制器AI、DO端口功能進(jìn)行檢測，驗證設(shè)計工程機(jī)械控制器功能檢測臺架能對I/O功能進(jìn)行檢測。

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