張博棟，何永義，劉 暢

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

0 引言

新能源汽車正處于高速發(fā)展時(shí)期，整車控制器(Vehicle Control Unit，VCU)是新能源汽車控制系統(tǒng)的核心部件。主要功能是采集油門踏板、檔位、剎車踏板等傳感器信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和控制策略決策，協(xié)調(diào)和控制各動(dòng)力系統(tǒng)部件，實(shí)現(xiàn)整車的驅(qū)動(dòng)控制、能量回收和車輛診斷[1]。VCU的可靠性直接決定了汽車的整體性能，又由于其工作環(huán)境惡劣，因此要求其具備高可靠性。汽車控制器的可靠性主要通過環(huán)境耐久測(cè)試進(jìn)行鑒定，根據(jù)汽車電子控制器耐久測(cè)試規(guī)范，將待測(cè)控制器所有端口連接至測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)模擬實(shí)車控制器的工況對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)反復(fù)測(cè)試，通過數(shù)據(jù)采集、分析，判斷控制器各項(xiàng)性能指標(biāo)是否合格，從而判斷控制器耐久性是否達(dá)標(biāo)。

針對(duì)目前VCU環(huán)境耐久測(cè)試設(shè)備集成度不高、開發(fā)周期長(zhǎng)、測(cè)試效率低等問題，開發(fā)一個(gè)性能穩(wěn)定，功能完善的測(cè)試系統(tǒng)十分必要。本文根據(jù)環(huán)境耐久測(cè)試規(guī)范和測(cè)試需求，采用NI虛擬儀器和嵌入式技術(shù)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思路，開發(fā)了一套VCU環(huán)境耐久測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)試精度高，通用性好，測(cè)試效率高，能在產(chǎn)品更新或更換的同時(shí)快速完成更新和改造，大大降低測(cè)試成本。

1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計(jì)

1.1 整車控制器信號(hào)系統(tǒng)

本文VCU的環(huán)境耐久測(cè)試主要是鑒定其硬件的可靠性，該控制器硬件結(jié)構(gòu)包括微控制器、輸入信號(hào)電路、輸出信號(hào)電路、高速CAN總線接口、電源等模塊。信號(hào)按類型主要分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、PWM信號(hào)以及通信信號(hào)(CAN、LIN、FlexRay)，信號(hào)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)該款VCU信號(hào)及工況定義，對(duì)單個(gè)控制器測(cè)試的具體性能指標(biāo)要求整理如表1所示。

在分析單個(gè)VCU測(cè)試需求基礎(chǔ)上，提出環(huán)境耐久測(cè)試系統(tǒng)的功能需求：

(1)精確性。系統(tǒng)需精確模擬VCU在6種工作模式下的傳感器信號(hào)，并對(duì)執(zhí)行器信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)，滿足極高采樣率和非常小的誤差容限；

(2)控制器工作電壓有9 V、14 V和16 V3種模式，要求系統(tǒng)輸出電壓可由程序控制，自動(dòng)進(jìn)行3種模式電壓輸出；

(3)自動(dòng)化?？蛇M(jìn)行手動(dòng)及自動(dòng)測(cè)試切換。自動(dòng)測(cè)試全程監(jiān)測(cè)控制器的運(yùn)行狀態(tài)，并記錄試驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤和報(bào)警，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表；

(4)為提高測(cè)試效率，系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)試多個(gè)控制器，各個(gè)控制器測(cè)試之間相互獨(dú)立；

(5)通用性。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化構(gòu)建，具有高的集成度和良好的通用性[2]，考慮對(duì)后續(xù)其它VCU項(xiàng)目的兼容和應(yīng)用。

1.3 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)模擬實(shí)車電氣環(huán)境使VCU在線運(yùn)行，上位機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生各種傳感器信號(hào)，VCU進(jìn)行檢測(cè)并通過CAN通信將結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至工控機(jī)，通過對(duì)比檢測(cè)值與理論值誤差來判斷VCU輸入信號(hào)檢測(cè)和通信功能是否正常。同時(shí)VCU根據(jù)輸入信號(hào)輸出各種執(zhí)行器控制信號(hào)，模擬負(fù)載實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)車環(huán)境執(zhí)行負(fù)載的模擬，輸出信號(hào)同時(shí)被數(shù)據(jù)采集卡采集，對(duì)比分析期望輸出與系統(tǒng)采集結(jié)果評(píng)測(cè)VCU驅(qū)動(dòng)功能是否正常。VCU由大功率程控電源供電，被測(cè)VCU放在環(huán)境試驗(yàn)箱中，模擬其工作的物理環(huán)境[3]。

自動(dòng)測(cè)試功能由測(cè)試軟件完成，一方面，測(cè)試軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成信號(hào)輸出和采集、數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試功能；另一方面，測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)各種輸入輸出信號(hào)實(shí)測(cè)結(jié)果的顯示，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，測(cè)試系統(tǒng)以工控機(jī)為控制核心，采用板卡插槽式的NIPXIe-1078機(jī)箱搭載NI PXIe-8840高性能嵌入式控制器，以數(shù)據(jù)采集卡、通訊模塊和模擬負(fù)載構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)，同時(shí)集成了電源管理、資源分配和信號(hào)調(diào)理模塊等硬件設(shè)備。軟件上為了可以方便的可配置系統(tǒng)兼容后續(xù)其他控制器測(cè)試項(xiàng)目的應(yīng)用，采用LabVIEW編程語言進(jìn)行開發(fā)。

為提高測(cè)試效率，系統(tǒng)采用“一拖三”結(jié)構(gòu)，既能滿足單個(gè)控制器獨(dú)立測(cè)試，又可滿足最多3個(gè)控制器同時(shí)在線測(cè)試。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)模塊

信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)模塊主要基于NI 2種多功能數(shù)據(jù)采集卡和3種通信卡。根據(jù)3個(gè)VCU同時(shí)在線測(cè)試資源需求，考慮實(shí)時(shí)性和信號(hào)采集精度，選用1塊PXIe-6355和1塊PXI-7842R板卡。PXIe-6355具有80路模擬量輸入和2路模擬輸出，每個(gè)通道具有16位分辨率，用于模擬信號(hào)采集。PXI-7842R智能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA模塊，具有96條數(shù)字線，速率高達(dá)40 MHz，用于產(chǎn)生精度要求較高的PWM信號(hào)和進(jìn)行靈活的I/O操作，并以高采樣率采集實(shí)時(shí)的VCU輸出信號(hào)。

系統(tǒng)選用兩塊NI PXI-8512/2CAN卡共4個(gè)端口用于和被測(cè)VCU通信，采用CAN FD高速通信模式，速度最高可達(dá)2 Mbit/s。選用一塊NI PXI-8516/2 LIN接口板卡，用于發(fā)送和接收LIN通信信號(hào)。NI PXI-8517/2是雙端口FlexRay通信卡，用于測(cè)試被測(cè)VCU的FlexRay通信功能。

2.2 信號(hào)調(diào)理與負(fù)載模擬模塊

由于NI數(shù)據(jù)采集卡的接口特性與整車控制器的接口特性不完全一致，不能直接和被測(cè)VCU相連，需要經(jīng)過信號(hào)匹配后才能供給VCU使用[4]，VCU輸出的執(zhí)行器信號(hào)也必須經(jīng)過調(diào)理，才能供給I/O板卡采集。因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行信號(hào)隔離和調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)。同時(shí)，負(fù)載箱內(nèi)集成對(duì)VCU外部執(zhí)行器負(fù)載的模擬[5]，包括高壓繼電器、電磁閥、充電指示燈等部件的模擬。

考慮整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用性，負(fù)載箱內(nèi)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每個(gè)負(fù)載箱控制1個(gè)VCU，模擬負(fù)載和真實(shí)負(fù)載集成在同一個(gè)箱子內(nèi)，3個(gè)負(fù)載箱結(jié)構(gòu)上完全相同。負(fù)載箱內(nèi)分為5個(gè)部分，包括4個(gè)功能模塊和1個(gè)信號(hào)配置區(qū)，4個(gè)功能模塊采用插拔式導(dǎo)軌安裝方式。

輸入驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)、PWM信號(hào)和模擬信號(hào)的輸入；模擬負(fù)載模塊安裝有繼電器、功率電阻和電感等模擬負(fù)載，在設(shè)計(jì)時(shí)將每一路繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)都設(shè)計(jì)成可配置高電平和低電平兩種，使得信號(hào)配置靈活性較大，模塊通用性提高；兩塊真實(shí)負(fù)載模塊用于真實(shí)負(fù)載安裝和驅(qū)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)；信號(hào)接口配置區(qū)域是按待測(cè)控制器接口定義配置設(shè)備硬件通道。為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性，按資源最大化設(shè)計(jì)[6]，對(duì)不同類型信號(hào)通道做了預(yù)留。

2.3 電源管理模塊

待測(cè)整車控制器供電與設(shè)備電源獨(dú)立。信號(hào)調(diào)理模塊選用開關(guān)電源提供功率足夠的穩(wěn)定電壓，與VCU的供電隔離開。VCU供電選擇TDK-Lambda GEN20-120程控電源，其精度高、響應(yīng)快，電壓幅值20 V，電流最大可達(dá)120 A。上位機(jī)軟件通過串口通信控制其電壓輸出。

電源管理模塊實(shí)現(xiàn)NI工控機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡、顯示器、負(fù)載箱內(nèi)開關(guān)電源和程控電源整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電源管理，包括主電源的通斷控制、過載保護(hù)和急?？刂啤?/p>

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要用于控制數(shù)據(jù)板卡信號(hào)輸出、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集以及人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的管理。在滿足測(cè)試功能需求基礎(chǔ)上，遵循模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)具有優(yōu)良人機(jī)交互、多任務(wù)、高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性、可移植性強(qiáng)的軟件系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用“從總體到細(xì)節(jié)，從高到低的分析和設(shè)計(jì)”原則，劃分為三個(gè)層次：最高層為交互層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)程序界面功能以及與用戶進(jìn)行交互，并能動(dòng)態(tài)調(diào)用下層VI；第二層為功能層，由測(cè)試程序的各個(gè)功能模塊構(gòu)成；最底層為驅(qū)動(dòng)層，包括采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)以及文件讀寫驅(qū)動(dòng)等。

3.2 同步數(shù)據(jù)采集和處理模塊

耐久試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果需實(shí)時(shí)顯示在數(shù)據(jù)顯示區(qū)，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的信號(hào)可分為通信信號(hào)和板卡實(shí)測(cè)信號(hào)。

通過LabVIEW的NI-XNET模塊對(duì)CAN通信DBC文件和LIN通信LDF文件導(dǎo)入，平臺(tái)軟件可對(duì)來自VCU的報(bào)文內(nèi)容自動(dòng)解析，將解析結(jié)果按添加的順序顯示在軟件界面。

板卡實(shí)測(cè)信號(hào)的檢測(cè)，通過軟硬件接口映射，在腳本文件中對(duì)VCU驅(qū)動(dòng)信號(hào)名稱分配相應(yīng)的測(cè)量資源，程序自動(dòng)讀取配置文件中資源分配信息，檢測(cè)結(jié)果以腳本文件中編輯的樣式進(jìn)行顯示。

上位機(jī)軟件將整個(gè)耐久試驗(yàn)過程中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，以判斷試驗(yàn)樣件在試驗(yàn)過程中是否出現(xiàn)失效。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以CSV文件格式保存，記錄內(nèi)容包括測(cè)試時(shí)間、工況狀態(tài)、信號(hào)名稱、實(shí)測(cè)值、判斷結(jié)果等。

3.3 自動(dòng)測(cè)試功能的設(shè)計(jì)

控制器共有6個(gè)測(cè)試工況，試驗(yàn)中可設(shè)定每個(gè)工況測(cè)試時(shí)間，共2 min30 s一個(gè)測(cè)試循環(huán)。圖5為一個(gè)工況的自動(dòng)測(cè)試流程圖。

自動(dòng)模式下，測(cè)試軟件將依照總測(cè)試時(shí)間進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，當(dāng)測(cè)試時(shí)間達(dá)到“評(píng)價(jià)周期”500 ms時(shí)，對(duì)所有信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行一次記錄并進(jìn)行判斷，對(duì)通過和未通過的信號(hào)會(huì)在結(jié)果欄中分別判斷為“Pass”和“Fail”。為了管理數(shù)據(jù)，軟件會(huì)將任何超過信號(hào)誤差容限的測(cè)試結(jié)果生成一份“Error”文件。整個(gè)耐久試驗(yàn)過程不需要測(cè)試人員干預(yù)，可隨時(shí)查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束后檢查結(jié)果文件，可以很方便的得出測(cè)試結(jié)果的通過性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)集成性要求，考慮設(shè)備的安裝調(diào)試，對(duì)各硬件模塊進(jìn)行合理布局，搭建了如圖6所示的測(cè)試設(shè)備，主要由耐久測(cè)試臺(tái)(圖左)和環(huán)境試驗(yàn)箱(圖右)組成。該測(cè)試系統(tǒng)可用于各項(xiàng)環(huán)境耐久試驗(yàn)，如溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、溫濕度試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)等。

圖7為自動(dòng)測(cè)試的主界面。1為測(cè)試模式選擇區(qū)；2為測(cè)試信號(hào)的錯(cuò)誤信息顯示區(qū)；3為測(cè)試狀態(tài)顯示區(qū)；4為測(cè)試用例選擇；5為測(cè)試工況選擇；6為試驗(yàn)信息區(qū)域。

由測(cè)試系統(tǒng)輸入給VCU的模擬信號(hào)，VCU進(jìn)行檢測(cè)反饋給上位機(jī)，在工況1下的部分反饋結(jié)果如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，VCU對(duì)于模擬信號(hào)的測(cè)試偏差在5%以內(nèi)，說明輸入驅(qū)動(dòng)板模擬信號(hào)輸出正常，VCU對(duì)模擬信號(hào)的采集和CAN通信功能正常，測(cè)試系統(tǒng)生成的模擬信號(hào)滿足VCU工作需求。

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)建立完成后，運(yùn)用博世公司全球統(tǒng)一的測(cè)量系統(tǒng)分析(Measurement System Analysis，MSA)方法[7]來評(píng)估本測(cè)試系統(tǒng)的能力。以VCU輸出的高壓互鎖信號(hào)為例，其理論是頻率100 Hz，占空比50%的PWM信號(hào)，現(xiàn)以1 d為取樣周期，每天隨機(jī)抽取同一信號(hào)在同一工況下的5次測(cè)量結(jié)果，共30組數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)占空比檢測(cè)結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可看出，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的占空比均值及標(biāo)準(zhǔn)差值分布均未超出控制限，并在控制限之間隨機(jī)排列，表明測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)量穩(wěn)定性，滿足耐久測(cè)試要求。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)以整車控制器為測(cè)試對(duì)象，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、軟件編程等方面進(jìn)行詳細(xì)分析論證，設(shè)計(jì)并搭建了耐久測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械平臺(tái)、硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺(tái)的智能化測(cè)試系統(tǒng)控制軟件。該測(cè)試系統(tǒng)可滿足3個(gè)控制器產(chǎn)品同時(shí)在線測(cè)試，提高測(cè)試效率，縮短試驗(yàn)周期，為鑒定產(chǎn)品可靠性提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，已投入企業(yè)使用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性架構(gòu)為其他控制器測(cè)試系統(tǒng)搭建具有一定參考價(jià)值。