高美芹

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車電性能虛擬綜合測(cè)試系統(tǒng)研究

高美芹

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于虛擬儀器構(gòu)建商用車電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，以滿足整車條件下商用車電量平衡測(cè)試需要，為電器部件匹配選型提供測(cè)試手段。首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)以美國(guó)NI cRIO-9033控制器為核心的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)和蓄電池端電壓和電流、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及車速、溫度等信號(hào)的同步采集。然后給出測(cè)試系統(tǒng)的虛擬軟件設(shè)計(jì)方案，采用多線程和狀態(tài)機(jī)技術(shù)，提高了軟件運(yùn)行實(shí)時(shí)性和好的人機(jī)交互性能，同時(shí)占用硬件資源少。最后進(jìn)行商用車電性能虛擬綜合測(cè)試系統(tǒng)的場(chǎng)地實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)工作的可靠性。

商用車；電性能；測(cè)試系統(tǒng)；虛擬儀器；試驗(yàn)

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，商用車電器件日益增多且功能復(fù)雜，在有效提高駕駛舒適性和行車安全性的同時(shí)也給電器件選型匹配提出挑戰(zhàn)［1-2］。合理的電器件匹配選型可以優(yōu)化提高商用車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能，如智能發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)選型、整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，特別是汽車電氣系統(tǒng)的電平衡，對(duì)載重情況和運(yùn)行工況復(fù)雜多變的商用車顯得尤為重要［3］。當(dāng)前，對(duì)商用車性能測(cè)試研究主要集中在電控系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)，如電子穩(wěn)定性系統(tǒng)、自動(dòng)變速器系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等［4-6］，以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究［7］，且逐步向便攜式、虛擬儀器方向發(fā)展［1，8］，但對(duì)整車電性能測(cè)試研究文獻(xiàn)較少。

本文研究商用車電性能虛擬測(cè)試系統(tǒng)，選用美國(guó)NI虛擬儀器硬件和LabVIEW開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與蓄電池端的電壓和電流，發(fā)電機(jī)線圈和蓄電池樁頭溫度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等物理量的實(shí)時(shí)同步測(cè)試，為商用車電性能綜合評(píng)估、電器部件選型優(yōu)化分析等提供有效手段。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建如圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)商用車蓄電池和發(fā)電機(jī)端電壓、電流，蓄電池樁頭和發(fā)電機(jī)線圈溫度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等信息的實(shí)時(shí)同步采集、數(shù)據(jù)記錄和分析。整個(gè)系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)便攜式計(jì)算機(jī)3部分。

車載數(shù)據(jù)采集器選用美國(guó)NI公司的嵌入式實(shí)時(shí)控制器cRIO 9033及C模塊（NI 9853、NI 9229、NI 9205、NI 9214）［9］，可靠性均為工業(yè)級(jí)，工作溫度-40～70 ℃?？刂破髦刑峁〧PGA硬件，通過編程可使得系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)性和可靠性更高。

系統(tǒng)選用日本日置電機(jī)株式會(huì)社（HIOKI）的CT686X系列鉗式電流傳感器，體積小巧，非接觸感應(yīng)式測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便。轉(zhuǎn)速和車速信息通過整車的OBDⅡ口獲得。對(duì)于CAN通信的車輛且有CAN的.dbc文件，可通過NI 9853模塊進(jìn)行采集；對(duì)于K線通信或無.dbc文件的CAN通信車輛，使用ELM327和控制器串口同步采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及車速信息。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件基于美國(guó)NI LabVIEW開發(fā)，包括運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集器中的FPGA軟件和實(shí)時(shí)RT軟件，以及運(yùn)行在上位機(jī)中的數(shù)據(jù)采集與分析軟件。FPGA軟件和RT軟件要求保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性；上位機(jī)軟件要求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔易讀，并且界面友好、操作簡(jiǎn)潔。

2.1 FPGA和RT軟件架構(gòu)

實(shí)時(shí)控制器cRIO 9033中包括1.33 GHz雙核Intel Atom處理器、Xilinx Kintex-7 160T FPGA［10］，可實(shí)現(xiàn)高速控制、在線處理和自定義定時(shí)和觸發(fā)，控制器需要通過FPGA訪問C模塊。系統(tǒng)基于FPGA實(shí)現(xiàn)電壓和電流、溫度、指定發(fā)動(dòng)機(jī)OBD CAN信息等3組信號(hào)的同步采集，并分別送入對(duì)應(yīng)FIFO供控制器讀取。

控制器中運(yùn)行的NI Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要工作包括硬件（包括C模塊）初始化、通過串口對(duì)K線信息讀取、對(duì)FPGA送上來的FIFO信息實(shí)時(shí)讀取與處理、所有測(cè)試數(shù)據(jù)的同步打包、采樣數(shù)據(jù)的UDP上傳至上位機(jī)、通過UDP實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的設(shè)置更改等［11-12］。各項(xiàng)工作通過獨(dú)立的多線程while循環(huán)進(jìn)行，各循環(huán)間通過功能性全局變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與共享。FPGA和RT軟件架構(gòu)見圖2。

使用DMA在FPGA與實(shí)時(shí)硬件之間傳遞高速數(shù)據(jù)。創(chuàng)建FIFO，并選擇target-to-host作為其傳遞類型，數(shù)據(jù)將自動(dòng)從FIFO傳遞到實(shí)時(shí)控制器RAM中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖2 FPGA和RT軟件架構(gòu)

圖3 上位機(jī)軟件架構(gòu)

2.2 基于狀態(tài)機(jī)架構(gòu)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要功能包括與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行UDP通信，采樣頻率、保存路徑、傳感器標(biāo)零等配置，數(shù)據(jù)處理、顯示與保存，歷史數(shù)據(jù)查看及簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成等。其中人機(jī)交互部分采用狀態(tài)機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)開始試驗(yàn)、結(jié)束試驗(yàn)、退出程序及調(diào)用參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查看、生成報(bào)告子VI等功能，保證系統(tǒng)可靠實(shí)時(shí)運(yùn)行。軟件中采用多線程技術(shù)，采用4個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)，分別實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)控制、UDP通信、數(shù)據(jù)處理顯示和數(shù)據(jù)保存等功能，有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。上位機(jī)軟件架構(gòu)見圖3。

狀態(tài)機(jī)控制循環(huán)與其他循環(huán)之間的數(shù)據(jù)及控制信息傳遞通過功能全局變量實(shí)現(xiàn)。功能全局變量作為一個(gè)單獨(dú)的子VI，在while循環(huán)中通過未初始化的移位寄存器保存數(shù)據(jù)，其原理如圖4所示。利用這種方法，實(shí)現(xiàn)在1個(gè)VI中設(shè)置多個(gè)變量而不會(huì)出現(xiàn)混亂。

軟件將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理工作分開進(jìn)行，避免數(shù)據(jù)處理占用時(shí)間長(zhǎng)干擾數(shù)據(jù)接收，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包。隊(duì)列讀寫采用先入先出方式，即上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列尾，數(shù)據(jù)處理循環(huán)從隊(duì)列開頭讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 功能全局變量原理

圖5為上位機(jī)軟件界面示例，界面簡(jiǎn)潔，通過菜單欄和快捷鍵方式進(jìn)行人機(jī)交互操作，試驗(yàn)過程控制簡(jiǎn)便。主界面實(shí)時(shí)顯示各測(cè)試參數(shù)曲線、數(shù)值等，控制試驗(yàn)開始、結(jié)束，進(jìn)入?yún)?shù)配置、數(shù)據(jù)查看、生成報(bào)告等子Ⅵ；參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)文件保存相關(guān)參數(shù)（文件路徑、文件名稱等）的配置、測(cè)試通道、OBD Ⅱ測(cè)試方法選擇、電流傳感器清零等相關(guān)配置；數(shù)據(jù)查看實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看，簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能；試驗(yàn)報(bào)告生成實(shí)現(xiàn)根據(jù)固定試驗(yàn)報(bào)告模板生成試驗(yàn)報(bào)告功能。

圖5 上位機(jī)軟件界面

3 實(shí)車試驗(yàn)

在江淮技術(shù)中心使用圖1所示測(cè)試系統(tǒng)對(duì)江淮某重型商用車進(jìn)行部分電性能參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備安裝實(shí)物如圖6所示。試驗(yàn)安裝2路電流傳感器，分別安裝在蓄電池和發(fā)電機(jī)回路中；2路電壓探頭，分別安裝在蓄電池接線樁和發(fā)電機(jī)接線端；2路K型熱電偶，分別安裝在發(fā)電機(jī)線圈和蓄電池接線樁上；ELM 327接在車輛的OBD Ⅱ口，采集整車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備安裝實(shí)物圖

共進(jìn)行3組電性能測(cè)試試驗(yàn)。第1組測(cè)試長(zhǎng)時(shí)電平衡試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，怠速，打開全部電器附件，包括收音機(jī)、空調(diào)、刮水器、遠(yuǎn)光燈、近光燈、前后霧燈、位置燈、雙閃，試驗(yàn)采集1 200 s左右的數(shù)據(jù)，如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 怠速多電器部件打開測(cè)試電流曲線

第2組測(cè)試單個(gè)電器部件用電量。取其中典型的空調(diào)、刮水器、前后霧燈、轉(zhuǎn)向燈，其電壓電流曲線如圖10、圖11、圖12、圖13所示。圖10為單獨(dú)打開空調(diào)的電壓、電流曲線，時(shí)間在85 s左右打開了空調(diào)的AC按鍵，導(dǎo)致電壓、電流增大；圖11為單獨(dú)打開刮水器的電壓、電流曲線，在35 s左右，將刮水器執(zhí)行速度調(diào)為慢速，導(dǎo)致電壓、電流減小；圖12為單獨(dú)打開霧燈的電壓、電流曲線，40 s之前打開前霧燈，40 s打開后霧燈，導(dǎo)致電壓、電流增大；圖13為單獨(dú)打開轉(zhuǎn)向燈的電壓、電流曲線。

圖8 怠速多電器部件打開測(cè)試電壓曲線

圖9 怠速多電器部件打開測(cè)試溫度曲線

圖10 單獨(dú)打開空調(diào)測(cè)試電壓電流曲線

圖11 單獨(dú)打開刮水測(cè)試電壓電流曲線

圖12 單獨(dú)打開霧燈測(cè)試電壓電流曲線

圖13 單獨(dú)打開轉(zhuǎn)向燈測(cè)試電壓電流曲線

第3組測(cè)試按收音機(jī)、空調(diào)、刮水器、近光燈、遠(yuǎn)光燈、前霧燈、后霧燈、轉(zhuǎn)向燈、雙閃的順序，逐個(gè)打開用電器，然后按照相反的順序逐個(gè)關(guān)閉用電器的電壓電流曲線如圖14所示，測(cè)試過程的轉(zhuǎn)速變化如圖15所示。圖14中在24 s左右，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突然增大至700 r/min左右是因?yàn)榇蜷_空調(diào)所致。

圖14 逐個(gè)打開用電器電壓電流測(cè)試曲線

圖15 逐個(gè)打開用電器轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線

4 結(jié)論

1）基于虛擬儀器搭建電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)整體功能和工作可靠性。

2）本測(cè)試系統(tǒng)為虛擬測(cè)試系統(tǒng)，可以方便地?cái)U(kuò)展其他參數(shù)測(cè)試功能，系統(tǒng)可為商用車電性能綜合評(píng)估、電器部件選型優(yōu)化分析提供有效手段。

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（編輯 凌 波）

Research on Virtual Test System for Commercial Vehicle Electrical Performance

GAO Mei-qin
（Anhui Jianghuai Automotive Group Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

The test system is developed for the study of commercial vehicle electrical performance based on the virtual test technology， which aims to meet test requirements on the commercial vehicle power balance performance.Firstly， the hardware selection is determined and the NI cRIO-9033 controller based test system is designed， which could achieve synchronous acquisition of the generator and battery terminal voltage and current， engine speed and vehicle velocity， temperature， etc. Then， the virtual software design of the test system is described in detail， in which the multithreading and state machine technologies are employed to improve the system running in real time and to obtain outstanding human-computer interaction performance with lower hardware resource occupation rate. Finally，field tests are conducted which proves the reliability of the system.

commercial vehicle；electrical performance；test system；virtual instrument；test

U467.521

A

1003-8639（2017）07-0007-05

2017-04-21

高美芹（1982-），女，工程師，碩士，主要負(fù)責(zé)中重型載貨汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。