高美芹

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車電性能虛擬綜合測試系統(tǒng)研究

高美芹

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于虛擬儀器構(gòu)建商用車電性能綜合測試系統(tǒng)，以滿足整車條件下商用車電量平衡測試需要，為電器部件匹配選型提供測試手段。首先對測試系統(tǒng)硬件進行選型，設(shè)計以美國NI cRIO-9033控制器為核心的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)電機和蓄電池端電壓和電流、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及車速、溫度等信號的同步采集。然后給出測試系統(tǒng)的虛擬軟件設(shè)計方案，采用多線程和狀態(tài)機技術(shù)，提高了軟件運行實時性和好的人機交互性能，同時占用硬件資源少。最后進行商用車電性能虛擬綜合測試系統(tǒng)的場地實車試驗，試驗驗證了本系統(tǒng)工作的可靠性。

商用車；電性能；測試系統(tǒng)；虛擬儀器；試驗

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)化提高商用車動力性和經(jīng)濟性能，如智能發(fā)電機、空調(diào)壓縮機選型、整車電源系統(tǒng)設(shè)計等，特別是汽車電氣系統(tǒng)的電平衡，對載重情況和運行工況復(fù)雜多變的商用車顯得尤為重要［3］。當前，對商用車性能測試研究主要集中在電控系統(tǒng)測試技術(shù)，如電子穩(wěn)定性系統(tǒng)、自動變速器系統(tǒng)測試技術(shù)、電動助力轉(zhuǎn)向等［4-6］，以及發(fā)動機性能研究［7］，且逐步向便攜式、虛擬儀器方向發(fā)展［1，8］，但對整車電性能測試研究文獻較少。

本文研究商用車電性能虛擬測試系統(tǒng)，選用美國NI虛擬儀器硬件和LabVIEW開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)發(fā)電機與蓄電池端的電壓和電流，發(fā)電機線圈和蓄電池樁頭溫度，以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等物理量的實時同步測試，為商用車電性能綜合評估、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

1.1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建如圖1所示的測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)商用車蓄電池和發(fā)電機端電壓、電流，蓄電池樁頭和發(fā)電機線圈溫度，以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等信息的實時同步采集、數(shù)據(jù)記錄和分析。整個系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和上位機便攜式計算機3部分。

車載數(shù)據(jù)采集器選用美國NI公司的嵌入式實時控制器cRIO 9033及C模塊（NI 9853、NI 9229、NI 9205、NI 9214）［9］，可靠性均為工業(yè)級，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)工作實時性和可靠性更高。

系統(tǒng)選用日本日置電機株式會社（HIOKI）的CT686X系列鉗式電流傳感器，體積小巧，非接觸感應(yīng)式測量，現(xiàn)場安裝方便。轉(zhuǎn)速和車速信息通過整車的OBDⅡ口獲得。對于CAN通信的車輛且有CAN的.dbc文件，可通過NI 9853模塊進行采集；對于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)動機轉(zhuǎn)速及車速信息。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試軟件基于美國NI LabVIEW開發(fā)，包括運行在數(shù)據(jù)采集器中的FPGA軟件和實時RT軟件，以及運行在上位機中的數(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)采集的準確性和實時性；上位機軟件要求實現(xiàn)簡潔易讀，并且界面友好、操作簡潔。

2.1 FPGA和RT軟件架構(gòu)

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

控制器中運行的NI Linux 實時系統(tǒng)，主要工作包括硬件（包括C模塊）初始化、通過串口對K線信息讀取、對FPGA送上來的FIFO信息實時讀取與處理、所有測試數(shù)據(jù)的同步打包、采樣數(shù)據(jù)的UDP上傳至上位機、通過UDP實時接收上位機的設(shè)置更改等［11-12］。各項工作通過獨立的多線程while循環(huán)進行，各循環(huán)間通過功能性全局變量實現(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與實時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)將自動從FIFO傳遞到實時控制器RAM中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖2 FPGA和RT軟件架構(gòu)

圖3 上位機軟件架構(gòu)

2.2 基于狀態(tài)機架構(gòu)的上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要功能包括與數(shù)據(jù)采集器進行UDP通信，采樣頻率、保存路徑、傳感器標零等配置，數(shù)據(jù)處理、顯示與保存，歷史數(shù)據(jù)查看及簡單數(shù)據(jù)處理，試驗報告自動生成等。其中人機交互部分采用狀態(tài)機架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)開始試驗、結(jié)束試驗、退出程序及調(diào)用參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查看、生成報告子VI等功能，保證系統(tǒng)可靠實時運行。軟件中采用多線程技術(shù)，采用4個獨立的while循環(huán)，分別實現(xiàn)狀態(tài)機控制、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)運行可靠性。上位機軟件架構(gòu)見圖3。

狀態(tài)機控制循環(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現(xiàn)。功能全局變量作為一個單獨的子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，實現(xiàn)在1個VI中設(shè)置多個變量而不會出現(xiàn)混亂。

軟件將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理工作分開進行，避免數(shù)據(jù)處理占用時間長干擾數(shù)據(jù)接收，導致數(shù)據(jù)丟包。隊列讀寫采用先入先出方式，即上位機接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)寫入隊列尾，數(shù)據(jù)處理循環(huán)從隊列開頭讀取數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。

圖4 功能全局變量原理

圖5為上位機軟件界面示例，界面簡潔，通過菜單欄和快捷鍵方式進行人機交互操作，試驗過程控制簡便。主界面實時顯示各測試參數(shù)曲線、數(shù)值等，控制試驗開始、結(jié)束，進入?yún)?shù)配置、數(shù)據(jù)查看、生成報告等子Ⅵ；參數(shù)配置實現(xiàn)文件保存相關(guān)參數(shù)（文件路徑、文件名稱等）的配置、測試通道、OBD Ⅱ測試方法選擇、電流傳感器清零等相關(guān)配置；數(shù)據(jù)查看實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看，簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能；試驗報告生成實現(xiàn)根據(jù)固定試驗報告模板生成試驗報告功能。

圖5 上位機軟件界面

3 實車試驗

在江淮技術(shù)中心使用圖1所示測試系統(tǒng)對江淮某重型商用車進行部分電性能參數(shù)測試試驗。

試驗設(shè)備安裝實物如圖6所示。試驗安裝2路電流傳感器，分別安裝在蓄電池和發(fā)電機回路中；2路電壓探頭，分別安裝在蓄電池接線樁和發(fā)電機接線端；2路K型熱電偶，分別安裝在發(fā)電機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)動機轉(zhuǎn)速信息。

圖6 試驗設(shè)備安裝實物圖

共進行3組電性能測試試驗。第1組測試長時電平衡試驗。發(fā)動機起動后，怠速，打開全部電器附件，包括收音機、空調(diào)、刮水器、遠光燈、近光燈、前后霧燈、位置燈、雙閃，試驗采集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試電流曲線

第2組測試單個電器部件用電量。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為單獨打開空調(diào)的電壓、電流曲線，時間在85 s左右打開了空調(diào)的AC按鍵，導致電壓、電流增大；圖11為單獨打開刮水器的電壓、電流曲線，在35 s左右，將刮水器執(zhí)行速度調(diào)為慢速，導致電壓、電流減?。粓D12為單獨打開霧燈的電壓、電流曲線，40 s之前打開前霧燈，40 s打開后霧燈，導致電壓、電流增大；圖13為單獨打開轉(zhuǎn)向燈的電壓、電流曲線。

圖8 怠速多電器部件打開測試電壓曲線

圖9 怠速多電器部件打開測試溫度曲線

圖10 單獨打開空調(diào)測試電壓電流曲線

圖11 單獨打開刮水測試電壓電流曲線

圖12 單獨打開霧燈測試電壓電流曲線

圖13 單獨打開轉(zhuǎn)向燈測試電壓電流曲線

第3組測試按收音機、空調(diào)、刮水器、近光燈、遠光燈、前霧燈、后霧燈、轉(zhuǎn)向燈、雙閃的順序，逐個打開用電器，然后按照相反的順序逐個關(guān)閉用電器的電壓電流曲線如圖14所示，測試過程的轉(zhuǎn)速變化如圖15所示。圖14中在24 s左右，發(fā)動機轉(zhuǎn)速突然增大至700 r/min左右是因為打開空調(diào)所致。

圖14 逐個打開用電器電壓電流測試曲線

圖15 逐個打開用電器轉(zhuǎn)速測試曲線

4 結(jié)論

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

2）本測試系統(tǒng)為虛擬測試系統(tǒng)，可以方便地擴展其他參數(shù)測試功能，系統(tǒng)可為商用車電性能綜合評估、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，主要負責中重型載貨汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)工作。