李苗苗 楊偉東 蔡永祥 郭志剛 王浩淼

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300000；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300000）

1 前言

整車電氣系統(tǒng)是指由汽車的電源系統(tǒng)、用電設(shè)備及全車電路和配電裝備3大部分組成的系統(tǒng)總稱[[11]]。在整車電氣系統(tǒng)開發(fā)驗(yàn)證過程中，為保證在整車環(huán)境下，車載電子電氣系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各自功能，電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，降低因整車電路保護(hù)系統(tǒng)異常而發(fā)生線束燒蝕，甚至車輛自燃的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行整車電氣系統(tǒng)性能測(cè)試驗(yàn)證[[22]]。

由于汽車電氣性能測(cè)試涉及多信號(hào)、多通道的數(shù)據(jù)采集，且測(cè)試工況多變、工作環(huán)境復(fù)雜，因此迫切需要開發(fā)一種集成度高、可靠穩(wěn)定的測(cè)試系統(tǒng)。本文從整車電氣系統(tǒng)性能的定義出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一套整車電氣性能測(cè)試系統(tǒng)[[33]]，該系統(tǒng)體積小、精度高、性能穩(wěn)定，可在－40℃~70℃的溫度范圍下工作，符合現(xiàn)代整車電氣系統(tǒng)的測(cè)試需求。

2 整車電氣測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

整車電氣系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)施的目的在于獲得整車電源及信號(hào)分配特性，獲得車載用電器的詳細(xì)電氣特性，驗(yàn)證車輛線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性，驗(yàn)證車輛電路保護(hù)系統(tǒng)選型的合理性，驗(yàn)證車輛線束系統(tǒng)、電路保護(hù)系統(tǒng)是否具備足夠的過流/短路保護(hù)能力，為車輛電源網(wǎng)絡(luò)最小化電壓損失及優(yōu)化成本提供依據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與支持。

根據(jù)汽車整車電氣性能測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試要求和工程要求，本文確定的試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 整車電氣系統(tǒng)性能測(cè)試流程圖

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目和測(cè)試流程整理出所需測(cè)量的信號(hào)主要分為電壓信號(hào)、電流信號(hào)、靜態(tài)電流信號(hào)、CAN總線信號(hào)和溫度信號(hào)。被測(cè)試量分布廣、數(shù)目多且多為動(dòng)態(tài)信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備一定的自動(dòng)化水平，能夠滿足測(cè)試對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求，可以對(duì)采集通道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)對(duì)主要測(cè)試參量的實(shí)時(shí)觀測(cè)、顯示、處理與存儲(chǔ)。

根據(jù)上述需求，確定整車電氣測(cè)試系統(tǒng)主要由CRIO實(shí)施控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、供電模塊和上位機(jī)6部分組成[[44]]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車電性能測(cè)試系統(tǒng)的硬件集成于一個(gè)便攜式機(jī)箱內(nèi)，設(shè)計(jì)緊湊便于攜帶。

3.1 CRIO實(shí)時(shí)控制器

控制器是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，本文選用NI公司的CompactRIO-9068嵌入式系統(tǒng)，由實(shí)時(shí)控制器和可重配置的FPGA兩部分組成[[55]]。其中實(shí)時(shí)控制器包含一個(gè)667 MHz雙核ARM Cortex-A9工業(yè)級(jí)處理器，能夠可靠而準(zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，并可提供多速率控制、進(jìn)程執(zhí)行跟蹤、板載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及與外部設(shè)備通訊等功能；內(nèi)嵌的8槽LX45 FPGA可重置機(jī)箱能夠直接和每個(gè)I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實(shí)現(xiàn)定時(shí)、觸發(fā)和同步等功能。1 GB非易失性存儲(chǔ)、512 MB DDR3內(nèi)存、2個(gè)千兆以太網(wǎng)端口、1個(gè)USB高速端口和3個(gè)串行端口。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選用NI C系列I/O板卡，包含隔離、轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理等功能，并可直接與工業(yè)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，大幅度降低了測(cè)試空間的需求和現(xiàn)場(chǎng)布線成本。根據(jù)測(cè)試需求選用NI 9853、NI 9221、NI 9205、NI 9227、NI 9213采集板卡，各模塊之間通過CompactRIO平臺(tái)獨(dú)立工作、互不影響，能夠滿足測(cè)試中對(duì)電壓、電流、溫度和總線信號(hào)等物理量的采集工作，且設(shè)計(jì)有預(yù)留的端口和插槽。表1為測(cè)試板卡信息列表。

表1 測(cè)試板卡信息列表

3.3 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

Moxa AWK-3121（工業(yè)IEEE 802.11a/b/g無(wú)線AP/橋路/客戶端）安裝于箱體內(nèi)通過網(wǎng)線與CRIO機(jī)箱通訊，可創(chuàng)建局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備與PC機(jī)之間的信息交互，具備可靠的無(wú)線連接和讀寫性能，可降低測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接線難度和布線成本。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

CompactRIO機(jī)箱上帶有1個(gè)USB接口，支持格式為FAT32、FAT16的存儲(chǔ)設(shè)備，用此接口外接一個(gè)工業(yè)硬盤作為存儲(chǔ)設(shè)備[[66]]，主要用于系統(tǒng)相關(guān)信息存儲(chǔ)（錯(cuò)誤記錄、系統(tǒng)使用歷史信息）和采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（系統(tǒng)采集來的原始數(shù)據(jù)）。

3.5 供電模塊

在測(cè)試過程中，若直接選用220V電壓供電，雖然可減小開發(fā)成本、縮小設(shè)備體積，但是會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)和汽車產(chǎn)生電磁干擾從而影響測(cè)試精度，因此本系統(tǒng)選用電池供電。由于與其他硬件設(shè)備相比電池的壽命相對(duì)較短，從更換方便角度考慮設(shè)計(jì)定制了可拆卸式電池。該電池負(fù)責(zé)給除了PC機(jī)以外的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)供電。

4 上位機(jī)PC程序設(shè)計(jì)

為縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用LabVIEW 2014開發(fā)環(huán)境，以及LabVIEW Real-Time、FPGA、NI-RIO驅(qū)動(dòng)、XNET工具包。軟件系統(tǒng)開發(fā)分為兩部分，即上位PC程序和CRIO系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全遵循了模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，系統(tǒng)構(gòu)架科學(xué)合理，具有最大限度實(shí)現(xiàn)代碼重用、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)程序具有較高的可讀性和可維護(hù)性。

上位PC程序是人機(jī)交互的接口，故要具有良好的可視化界面，直觀、形象、便于操作[7]。軟件系統(tǒng)的邏輯功能框圖如圖3所示。軟件啟動(dòng)后進(jìn)行功能選擇，包括項(xiàng)目管理配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放分析。功能選擇后會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置界面、測(cè)試界面或分析界面。

圖3 軟件系統(tǒng)邏輯功能框圖

4.1 測(cè)試項(xiàng)管理功能

測(cè)試項(xiàng)管理功能使用樹形結(jié)構(gòu)框架。針對(duì)某指定車型可以確定需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)（如單負(fù)載測(cè)試、短路測(cè)試、過流測(cè)試等）和測(cè)試矩陣（如單負(fù)載測(cè)試矩陣包括發(fā)電機(jī)、EPS電子助力轉(zhuǎn)向、左前揚(yáng)聲器等待測(cè)零部件信息），根據(jù)這些信息生成測(cè)試項(xiàng)管理模塊。在進(jìn)行整車測(cè)試前，對(duì)各測(cè)試項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及報(bào)告生成。

4.2 測(cè)試、監(jiān)控界面

基于已有的NI硬件采集模塊、無(wú)線通訊模塊AWK3121、離線電源、電子負(fù)載等核心硬件，數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)模擬量數(shù)據(jù)和總線傳輸數(shù)據(jù)的記錄、顯示，同時(shí)包括對(duì)硬件參數(shù)的配置。

4.3 數(shù)據(jù)回放、分析與報(bào)告生成

采集來的測(cè)試數(shù)據(jù)是由TDMS格式存儲(chǔ)的，可以選取已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，支持對(duì)顯示精度、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)分析時(shí)支持最大值、最小值、平均值、方差值、有效值等基本物理量的自動(dòng)計(jì)算，特別是在雙游標(biāo)狀態(tài)下，通過分析按鈕，自動(dòng)分析兩游標(biāo)之間數(shù)據(jù)的最大、最小、平均、方差、有效值等信息。根據(jù)分析結(jié)果，參照對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，將分析結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果存儲(chǔ)至報(bào)表中。

5 CRIO系統(tǒng)開發(fā)

CompactRIO有掃描接口模式、FPGA接口模式和兩者的組合模式共3種開發(fā)模式。這里選用FPGA接口模式，整個(gè)程序分為底層FPGA數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)、RT控制中轉(zhuǎn)和TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)層面。

5.1 FPGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊采用兩種方法采集數(shù)據(jù)，單點(diǎn)輪詢采集：FPGA端采集I/O通道數(shù)據(jù)后設(shè)置中斷，RT端觸發(fā)相應(yīng)中斷后通過讀寫節(jié)點(diǎn)讀取I/O通道數(shù)據(jù)。DMA FIFO方式采集：將I/O通道數(shù)據(jù)捆綁后存儲(chǔ)在主機(jī)和終端都能訪問的一塊先進(jìn)先出的緩存中，然后在RT端通過DMA方法節(jié)點(diǎn)輪詢讀取緩存中的數(shù)據(jù)。由于溫度變化緩慢且NI-9213采樣率低、數(shù)據(jù)量小，采用輪詢中斷單點(diǎn)采集。對(duì)于NI-9253、NI-9221、NI-9227、NI-9205等電壓與電流參量的采集，涉及到高采樣與大吞吐量數(shù)據(jù)，為了減少CPU的負(fù)擔(dān)，選擇DMA FIFO形式采集。

5.2 RT程序設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是按搶先式和時(shí)間片循環(huán)式（Rround-robin）執(zhí)行任務(wù)并進(jìn)行排序，使用搶先式排列，高優(yōu)先級(jí)線程搶先于低優(yōu)先級(jí)線程執(zhí)行，優(yōu)化確定性能?；诙嗑€程并行運(yùn)行的機(jī)制在實(shí)時(shí)系統(tǒng)端（RT）上實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)采集、消息處理及數(shù)據(jù)運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)炔僮?。圖4為在RT系統(tǒng)中對(duì)采集來的溫度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

5.3 TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

RT系統(tǒng)部署在CRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)里，不提供操作界面，因此必須通過以太網(wǎng)與PC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)采用TCP/IP與網(wǎng)絡(luò)流做數(shù)據(jù)傳輸。以RT端作為TCP/IP的服務(wù)器，PC端作為TCP/IP的客戶端，在RT端寫入或在PC端讀取都得將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成字符串形式，并且為了確保數(shù)據(jù)流的完整性。

圖4 9213數(shù)據(jù)預(yù)處理

6 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

6.1 測(cè)試系統(tǒng)性能檢測(cè)

利用精度較高的模擬電子負(fù)載來模擬實(shí)際電流、電壓、溫度等信號(hào)，用所設(shè)計(jì)的整車電氣測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集，通過分析系統(tǒng)的參數(shù)變化來檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)量精度。

持續(xù)向整車電氣測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送20 mA的電流、5 V的電壓，同時(shí)將熱電偶置于100℃環(huán)境中；分別記錄系統(tǒng)在初始時(shí)刻、1 h、2 h和4 h共4個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值。觀察各參數(shù)值的變化情況，記錄結(jié)果如表2所示。計(jì)算得到電流的測(cè)量精度為0.14%，電壓的測(cè)量精度為0.12%，溫度的測(cè)量精度為0.23%，由測(cè)試結(jié)果可知，本測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，測(cè)量精度高。

表2 試驗(yàn)結(jié)果記錄表

6.2 實(shí)車試驗(yàn)

該測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)完成后，以東風(fēng)汽車某款車型為例，對(duì)其進(jìn)行夏季（38℃）一般市郊工況（CNL）驗(yàn)證。測(cè)試要求如表3所示。

測(cè)得發(fā)電機(jī)平均發(fā)電電流112.64 A，蓄電池平均充電電流（蓄電池負(fù)極電流）7.12 A，發(fā)電機(jī)平均電壓14.1065 V，蓄電池平均電壓13.9270 V，發(fā)電機(jī)尾部平均溫度64.98℃，蓄電池左側(cè)平均溫度60.45℃。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，測(cè)試過程中蓄電池以較大電流充電（7.12 A），發(fā)電機(jī)能夠滿足該工況下已開啟的車載電器功率消耗。在該工況下車輛發(fā)電機(jī)、蓄電池及其他已開啟電器負(fù)載，滿足動(dòng)態(tài)平衡。

表3 測(cè)試要求

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境和CompactRIO嵌入式硬件平臺(tái)開發(fā)了一套用于整車電性能測(cè)試的系統(tǒng)，該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和報(bào)告生成為一體，具有可靠性高、集成度高、性能穩(wěn)定和適應(yīng)復(fù)雜特殊工作環(huán)境等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)相比，該測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度大大增加，降低了對(duì)測(cè)試人員經(jīng)驗(yàn)、能力和數(shù)量的要求，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，降低了測(cè)試成本。

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