張薇，沈永輝，王旭

（1.中機(jī)車輛技術(shù)服務(wù)中心，北京 100070；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

自 1886 年德國的 Carpentz 發(fā)明第一輛汽車以來，汽車工業(yè)的發(fā)展至今已有了100多年的歷史。在這個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程中，汽車是促進(jìn)現(xiàn)代文明進(jìn)步的現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)物，汽車給人們帶來便利，但對自然環(huán)境惡化也有著不可推卸的責(zé)任，空氣污染是環(huán)境問題的主要形式[1]。20 世紀(jì)六七十年代后，隨著人們對環(huán)境保護(hù)及能源的重視，開始對因汽車排放的污染引發(fā)的環(huán)境問題也開始備受關(guān)注。于是，以石油等傳統(tǒng)能源為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展軌跡也由此發(fā)生轉(zhuǎn)折。目前，保守估計(jì)全球有10億輛汽車，到2050年應(yīng)該將劇增到30億輛左右[2]。并且據(jù)保守估計(jì)，按現(xiàn)在的消耗規(guī)模，全球的石油資源只能使用40年左右[3]。由此可見新能源電動(dòng)汽車汽車的研發(fā)與推廣已迫在眉睫。

新能源電動(dòng)汽車主要是指部分或全部依靠電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的汽車[4]，它目前分為純電動(dòng)的汽車（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）[5]。未來，新能源電動(dòng)汽車的方向是純電能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的汽車有所不同，電動(dòng)汽車 ECU 控制器被廣泛使用并設(shè)計(jì)汽車及人身安全，如通用馬達(dá)控制器（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車控制器（VCU）等，其質(zhì)量是否可靠與乘員的人身安全直接相關(guān)。因此出廠前必須對所有電氣設(shè)備，線束和控制器進(jìn)行檢查，以確保所有電氣設(shè)備在出廠后都能正常工作。因此開發(fā)電動(dòng)車故障診斷設(shè)備尤為必要[6]。根據(jù)生產(chǎn)新能源電動(dòng)汽車下線檢測系統(tǒng)的實(shí)際需求開發(fā)，并應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車生產(chǎn)線上。本文正是基于MFC的電動(dòng)汽車整車下線設(shè)備研發(fā)。

1 國內(nèi)外整車下線檢測發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 整車下線檢測的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

中國汽車工業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期，品種和產(chǎn)量不斷增加，質(zhì)量逐步提高。從常規(guī)汽車（燃油噴射系統(tǒng)，安全氣囊，防抱死系統(tǒng)）中的電子控制系統(tǒng)到電動(dòng)汽車的電力系統(tǒng)，使用大量電子設(shè)備?；诂F(xiàn)代汽車電子，汽車下線檢測的技術(shù)也在不斷的發(fā)展。電子產(chǎn)品的電路必須經(jīng)過檢測階段，電路已經(jīng)處于無限小型化的過程中，電路板上的區(qū)域越來越小，而功能則越來越強(qiáng)大，導(dǎo)致檢測的難度也越來越大。目前電路檢測的技術(shù)有下面的幾種：

1）人工目測

在汽車發(fā)展的早期，人們對汽車的檢測主要是通過眼睛、耳朵和手。對于高度復(fù)雜的表面安裝板，手動(dòng)視覺檢測方法既不可靠也不經(jīng)濟(jì)。在使用微型球陣列封裝，芯片封裝和倒裝芯片的表面安裝板的情況下，手動(dòng)目測檢查實(shí)際上是不可能的。隨著科技現(xiàn)代化的推進(jìn)，特別是受計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步的影響的汽車檢測技術(shù)取得了劃時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展。目前，人們已經(jīng)能夠通過各種先進(jìn)的設(shè)備對汽車進(jìn)行安全，方便，準(zhǔn)確的檢測[7,8]。

2）光學(xué)檢測技術(shù)

不管它們是自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)還是自動(dòng) X射線檢測技術(shù)，他們的可靠性都不盡如人意，盡管他們可以幫助執(zhí)行難以進(jìn)行人眼視覺檢查的任務(wù)。這些技術(shù)高度依賴于計(jì)算機(jī)圖像處理，但是如果處理的不好可能會(huì)導(dǎo)致誤判。

3）功能測試

功能的測試是表面貼封裝器件還有電路板小型化的主要趨勢。一旦任何系統(tǒng)太小而無法檢測其內(nèi)部，只有少數(shù)輸入和輸出通道與系統(tǒng)的外部世界打交道。這種情況在三十到四十年前，在功能測試開發(fā)的早期完全一樣。如今功能所使用的測試儀器的國際標(biāo)準(zhǔn)日益成熟，標(biāo)準(zhǔn)的儀器模塊還有虛擬的儀器軟件的技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。增加了功能測試儀器的通用性和靈活性，并有助于降低成本。

1.2 整車下線檢測的國外發(fā)展?fàn)顩r

國外汽車檢測技術(shù)的發(fā)展主要集中在一些發(fā)達(dá)國家，從20 世紀(jì) 50 年代開始，到了60 年代末，國外一些汽車檢測技術(shù)在診斷技術(shù)方面才開始迅速發(fā)展，應(yīng)用了物理，電子，光學(xué)等原理。20世紀(jì)70年代微處理器的誕生和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為 VCU控制單元打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，已經(jīng)開發(fā)了自動(dòng)化車輛檢測設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集和處理，輸出打印檢測結(jié)果等、數(shù)據(jù)采集處理、輸出打印檢測結(jié)果等[9]。到20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)在這一領(lǐng)域得到了進(jìn)一步發(fā)展，并逐漸集成了用于各種檢測和數(shù)據(jù)處理功能的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)車輛檢測線。這種人為錯(cuò)誤的判斷已被避免，測試的準(zhǔn)確性和效率也得到了提高[10]。

故障診斷基于對車輛的一些性能參數(shù)的檢測，可以確定車輛的狀況，并且可以識(shí)別和判斷汽車障礙，從而為汽車的可靠性和安全運(yùn)行提供保證的電子控制單元被廣泛應(yīng)用，汽車電氣控制系統(tǒng)的故障診斷一開始轉(zhuǎn)向基于車輛的診斷。到20 世紀(jì) 80 年代，除了能夠在車輛使用過程中報(bào)告車輛的運(yùn)行狀態(tài)之外，車輛的檢測過程還可以依靠車輛自身的故障自診斷功能來實(shí)現(xiàn)對該項(xiàng)目的更方便地測試。90 年代，隨著車輛的診斷的系統(tǒng)進(jìn)行完善，標(biāo)準(zhǔn)也隨之統(tǒng)一。自2000年以來，汽車診斷的范圍擴(kuò)大了，診斷和預(yù)測復(fù)雜障礙的能力得到了提高，汽車檢測和故障診斷技術(shù)不斷發(fā)展。

一般來說，一些發(fā)達(dá)的國家汽車的檢測已經(jīng)“制度化”，基礎(chǔ)技術(shù)檢測已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化”，檢測技術(shù)正向“智能化、自動(dòng)化檢測”方向發(fā)展。未來，汽車檢測技術(shù)的發(fā)展方向?qū)?huì)是通過開發(fā)預(yù)測障礙的系統(tǒng)來提高車輛的診斷和預(yù)測能力，從而使得車輛保持著良好的安全狀態(tài)，并且能夠和檢測，預(yù)測和診斷達(dá)成統(tǒng)一[11]。

2 測試系統(tǒng)原理分析及總體方案設(shè)計(jì)

2.1 測試原理

新能源電動(dòng)汽車下線檢測設(shè)備通過上位機(jī)對每個(gè) VCU信號進(jìn)行仿真，分析和解包VCU的CAN總線報(bào)文，報(bào)出故障并連接駕駛室的OBD接口，形成可檢測的閉環(huán)控制電路，以對整車需要進(jìn)行測試的原件進(jìn)行檢測，最終將檢測結(jié)果保存并傳輸?shù)较戮€檢測設(shè)備上。

2.2 CAN總線的接收和控制功能

CAN信號通過短幀結(jié)構(gòu)傳輸，每幀有效字的節(jié)數(shù)是8，因此時(shí)間短，抗干擾性強(qiáng)。如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)關(guān)閉，來實(shí)現(xiàn)切斷節(jié)點(diǎn)與總線之間的關(guān)聯(lián)，這樣就能夠保證其他的節(jié)點(diǎn)就不會(huì)因此受到干擾，并且支持多主模式工作，它使用總線仲裁技術(shù)。那些較低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)能夠主動(dòng)停止發(fā)送，這樣就能夠避免發(fā)生總線沖突[12]。通過總線接收功能，接受高速的CAN線路上從低速CAN總線轉(zhuǎn)換來的一起指示信號，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)信號和診斷信號，可以設(shè)計(jì)出各種監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控程序。

2.3 硬件連接方式

測試系統(tǒng)只需連接車體CAN總線，即可處理車體高速和低速CAN總線的有用信息，實(shí)現(xiàn)車體狀態(tài)的檢測。根據(jù)測試車輛的OBD接口定義，它們分別分為兩個(gè)CAN,CAN A和CAN B,第6和第14個(gè)引腳為CAN A通道。第11引腳和第12引腳為CAN B通道，并且第6引腳和第14引腳為高速CAN High，第14引腳和第12引腳為低速CAN Low,引腳連線如圖1，引腳定義如表1。

圖1 引腳連線圖

根據(jù)引腳定義制成診斷線，診斷線一端為OBD接口，另一端連接兩個(gè)DB9接口，一端會(huì)連接到車輛上的 OBD接口，另一端連接到研華IPC的CAN0和CAN1通道。接線如圖2所示，在研華IPC中附帶一張CAN卡，這樣整車離線檢測設(shè)備就能通過診斷線的連接來控制和接收總線數(shù)據(jù)了。

圖2 診斷線連線圖

2.4 檢測設(shè)備布置及測試總體流程

2.4.1 整車下線設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

整車下線檢測設(shè)備專門用來實(shí)現(xiàn)新能源汽車的 VCU裝配檢測，整車 CAN線上的功能配置數(shù)據(jù)讀取，故障分析讀取和清除，動(dòng)作測試，基本信息保存等，整車下線測試功能安裝于總裝車間整車下線工位，它用于所有車間生產(chǎn)及后續(xù)新增車型的電控系統(tǒng)診斷工作。設(shè)備將連接到車輛的整個(gè)車輛CAN線路，與車輛的VCU進(jìn)行診斷通訊，并遵循模型配置和基本測試要求，實(shí)現(xiàn)車輛下線檢測項(xiàng)目，并具備車型檢測項(xiàng)目的一些拓展能力，下線檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖 3，整車下線檢測設(shè)備連線示意圖如圖4所示。

圖3 下線檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

圖4 整車檢測設(shè)備連線示意圖

2.4.2 下線檢測設(shè)備測試總體流程

設(shè)計(jì)的整車下線檢測設(shè)備設(shè)立在車輛生產(chǎn)線旁邊，這樣就可以方便對每一輛待測車輛進(jìn)行流水線式測試，提高測試效率。整車下線檢測設(shè)備測試步驟如下：

（1）測試人員將測試用的整車顯現(xiàn)測試設(shè)備通過診斷線與被測車輛的 OBD診斷接口連接，如圖5所示。將設(shè)備的通訊線束與整車CAN網(wǎng)絡(luò)線束連接，接通設(shè)備220V電源。

圖5 測試連接圖

（2）按下電源按鈕，計(jì)算機(jī)開啟。打開“新能源電動(dòng)車下線綜合檢測系統(tǒng)”，點(diǎn)擊中可選的兩個(gè)按鈕，分別打開計(jì)算機(jī)的串口和CAN卡。

（3）將測試儀的CAN線連接到待測試車的“整車CAN”上，將車鑰匙擰到 ACC檔，設(shè)備開始自動(dòng)化測試，測試過程與結(jié)果會(huì)顯示在右側(cè)的表格中，完成后點(diǎn)擊將打印測試結(jié)果，待打印完畢后小心撕下打印結(jié)果。

（4）將 CAN總線接頭接到下一輛待測試車的“整車CAN”上，重復(fù)“（3）”中的步驟。

所涉及的測試系統(tǒng)軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)可分為三種檢測模式：基本信息、數(shù)據(jù)顯示及測試結(jié)果打印功能。

基本信息功能，打開“基本信息”頁面。在進(jìn)行基本信息錄入時(shí)先將鼠標(biāo)光標(biāo)選擇想要錄入的基本信息項(xiàng)，如上圖選中“電機(jī)控制器”，然后用無線激光掃描器掃描“電機(jī)控制器”對應(yīng)的條形碼，就可以將“電機(jī)控制器”相應(yīng)的信息錄入到設(shè)備中，其他選項(xiàng)方法一樣。如果想對已經(jīng)錄入的基本信息保存，則點(diǎn)擊右下角的，則可將已錄入的基本信息保存至工控機(jī)D盤。

圖6 基本信息界面

數(shù)據(jù)讀取功能，打開“數(shù)據(jù)顯示”頁面，如圖7所示，打開“數(shù)據(jù)顯示”界面后，界面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的檢測情況，如果檢測項(xiàng)后面的“故障”前面的圓圈內(nèi)顯示白色表示該項(xiàng)無故障，如果顯示為綠色表示該項(xiàng)有故障。

圖7 數(shù)據(jù)顯示界面

信息打印功能，待檢測結(jié)果結(jié)束后可打印檢測結(jié)果，點(diǎn)擊界面左上角可將測試結(jié)果打印，待打印完畢后小心撕下打印結(jié)果。

3 測試軟件設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)在下線檢測設(shè)備機(jī)柜的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通過CAN 卡和診斷線與車身 CAN 網(wǎng)絡(luò)連接，主要是通過系統(tǒng)軟件來完成下線測試[13]。本設(shè)備基于UDS協(xié)議來實(shí)現(xiàn)車輛的診斷，通過實(shí)現(xiàn)UDS數(shù)據(jù)通信來獲取車輛的相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)，最終通過這些計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)車輛的在線診斷與分析。

3.1 UDS通信機(jī)制

UDS(Unified Diagnostic Services)[14-18]協(xié)議，即ISO14229[19-21]協(xié)議，它是一種統(tǒng)一診斷服務(wù)，是診斷服務(wù)的一種規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了診斷設(shè)備應(yīng)該向車輛VCU發(fā)送什么樣的報(bào)文，以及VCU應(yīng)向設(shè)備回復(fù)什么樣的報(bào)文。UDS診斷通信的機(jī)制相對來說比較簡單，采集或者診斷工具發(fā)送 request報(bào)文，VCU在接收到request之后回復(fù)response報(bào)文，同時(shí)它也有自己的特點(diǎn)，診斷協(xié)議規(guī)定了 request和 response之間的格式，以及request和response的處理方式等。UDS定義的功能單元診斷服務(wù)主要有以下幾個(gè)類型：診斷/通信管理、數(shù)據(jù)傳送、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送、輸入/輸出控制、遠(yuǎn)程激活例程。

3.2 軟件測試設(shè)計(jì)

4.2.1 故障碼的清除與讀取

（1）首先是清除故障碼：該服務(wù)請求被用于清除 VCU的存儲(chǔ)故障碼設(shè)備，發(fā)送的請求如表1所示，則VCU的響應(yīng)為表2所示。

表1 設(shè)備發(fā)送的請求

表2 VCU響應(yīng)

（2）故障碼的讀取，程序如圖8，該服務(wù)請求被用于讀取VCU存儲(chǔ)的所有故障碼DTC。當(dāng)設(shè)備發(fā)送的請求請求如表3所示，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不同的狀況：

1）當(dāng)VCU給予的回應(yīng)如表4所示，則表示整個(gè)車輛檢測正常，沒有故障；

圖8 故障碼讀取程序

表3 設(shè)備發(fā)送的請求

表4 VCU響應(yīng)

表5 VCU響應(yīng)

2）當(dāng)VCU給予的回應(yīng)如表5所示，則表示整個(gè)車輛檢測不正常，存在故障，同時(shí)也告訴設(shè)備現(xiàn)在有多個(gè)故障碼，緊接著設(shè)備就發(fā)送一幀如圖9所示的報(bào)文。

圖9 故障報(bào)文

3.2.2 動(dòng)作測試

表6 VCU響應(yīng)

表7 VCU回應(yīng)

圖10 動(dòng)作測試程序

動(dòng)作測試需要在擴(kuò)展模式下通過27H服務(wù)的安全校驗(yàn)才可以執(zhí)行，因此設(shè)備需要先向 VCU發(fā)送擴(kuò)展模式請求，進(jìn)入擴(kuò)展模式后每隔1s發(fā)送02 3E 00維持在當(dāng)前會(huì)話模式下，否則VCU隔1～1.5s后收不到這幀報(bào)文會(huì)自動(dòng)退出擴(kuò)展模式。如果VCU回復(fù)結(jié)果如表6所示，表示同意進(jìn)入擴(kuò)展模式，否則為拒絕擴(kuò)展模式，測試失敗，然后設(shè)備需要通過27H的SID向VCU發(fā)送Level 1級別的安全校驗(yàn)請求，VCU會(huì)回復(fù)四個(gè)校驗(yàn)碼（seed）：并且設(shè)備需要回復(fù)VCU對這四個(gè)seed的校驗(yàn)，VCU會(huì)回復(fù)如表7報(bào)文，表示校驗(yàn)已通過，允許進(jìn)入IO控制，否則IO測試失敗：1s周期發(fā)送3E服務(wù)，保持在當(dāng)前會(huì)話模式不退出。接下來設(shè)備接過 VCU的控制權(quán)，進(jìn)行IO控制。測試完成后，需要返回控制權(quán)給VCU，設(shè)備發(fā)送如下字節(jié)，且不再發(fā)送請求進(jìn)入擴(kuò)展模式的字節(jié)，動(dòng)作測試程序如圖10。

3.2.3 讀取VCU內(nèi)部信息

利用service $22讀取VCU硬件、軟件版本號生產(chǎn)日期和PCB編號等信息，信息讀取程序如圖11。如果請求讀取的信息長度不超過4個(gè)字節(jié)（length≤4），按如下方式讀取，設(shè)備請求如表8，VCU響應(yīng)如表9。

圖11 VCU內(nèi)部信息讀取程序

表8 設(shè)備發(fā)送的請求

表9 VCU響應(yīng)

如果請求讀取的信息長度超過4個(gè)字節(jié)（length>4），設(shè)備先使用$22服務(wù)請求信息如表10，然后接收到VCU的第一條肯定響應(yīng)（表11）后發(fā)送一條固定報(bào)文，然后VCU響應(yīng)連續(xù) n條報(bào)文將請求信息發(fā)送給設(shè)備，表 12是各信息對應(yīng)的DID和該信息的長度。

表10 設(shè)備發(fā)送的請求

表11 VCU響應(yīng)

表12 各信息對應(yīng)的DID和該信息的長度

3.2.4 寫數(shù)據(jù)到VCU

下線時(shí)需要使用service $2e向VCU寫VIN碼和安裝日期信息，寫數(shù)據(jù)之前需要先進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話模式，然后獲取權(quán)限進(jìn)行S&A校驗(yàn)（$27服務(wù)），數(shù)據(jù)寫入成功后需停止報(bào)文發(fā)送并將KL15下電（此時(shí)VCU將寫入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM中）。

寫入數(shù)據(jù)過程中需要通過3E服務(wù)，保持在擴(kuò)展服務(wù)模式下。寫VIN的一般流程如下，VIN寫入程序如圖12：

圖12 VIN寫入程序

（1）進(jìn)入擴(kuò)展會(huì)話模式；

（2）通過S&A安全校驗(yàn)，獲得寫入權(quán)限；

（3）寫入VIN數(shù)據(jù)；

（4）設(shè)備停止所有CAN報(bào)文發(fā)送，鑰匙撥到OFF檔，使VCU下電。為了確保VCU確實(shí)已經(jīng)下電，設(shè)備可根據(jù)實(shí)際下線請求設(shè)計(jì)檢測方法，如等待5S，檢測總線上不再有VCU發(fā)送的報(bào)文等；

（5）鑰匙上電重新讀取VIN碼，比較讀取的VIN和之前寫入的相同則寫入成功。

4 結(jié)論

通過對電動(dòng)汽車整車下線檢測設(shè)備國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r做出調(diào)查分析，并對系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析及總體方案設(shè)計(jì)分析得到下線檢測設(shè)備總體方案，測試系統(tǒng)最后實(shí)現(xiàn)了對故障碼的讀取與清除，動(dòng)作測試，VCU內(nèi)部信息的讀取及將數(shù)據(jù)寫入到VCU等功能，從而加快電動(dòng)汽車檢測速度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

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