張博棟，何永義，劉 暢

(上海大學機電工程與自動化學院，上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200072)

0 引言

新能源汽車正處于高速發(fā)展時期，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進行邏輯判斷和控制策略決策，協(xié)調(diào)和控制各動力系統(tǒng)部件，實現(xiàn)整車的驅動控制、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)境耐久測試進行鑒定，根據(jù)汽車電子控制器耐久測試規(guī)范，將待測控制器所有端口連接至測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)模擬實車控制器的工況對其長時間連續(xù)反復測試，通過數(shù)據(jù)采集、分析，判斷控制器各項性能指標是否合格，從而判斷控制器耐久性是否達標。

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

1 測試系統(tǒng)需求分析和總體設計

1.1 整車控制器信號系統(tǒng)

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

1.2 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)該款VCU信號及工況定義，對單個控制器測試的具體性能指標要求整理如表1所示。

在分析單個VCU測試需求基礎上，提出環(huán)境耐久測試系統(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，并對執(zhí)行器信號進行在線檢測，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，自動進行3種模式電壓輸出；

(3)自動化?？蛇M行手動及自動測試切換。自動測試全程監(jiān)測控制器的運行狀態(tài)，并記錄試驗過程中的錯誤和報警，自動生成測試報表；

(4)為提高測試效率，系統(tǒng)能同時測試多個控制器，各個控制器測試之間相互獨立；

(5)通用性。系統(tǒng)應采用模塊化構建，具有高的集成度和良好的通用性[2]，考慮對后續(xù)其它VCU項目的兼容和應用。

1.3 測試系統(tǒng)的結構

測試系統(tǒng)模擬實車電氣環(huán)境使VCU在線運行，上位機軟件控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生各種傳感器信號，VCU進行檢測并通過CAN通信將結果實時發(fā)送至工控機，通過對比檢測值與理論值誤差來判斷VCU輸入信號檢測和通信功能是否正常。同時VCU根據(jù)輸入信號輸出各種執(zhí)行器控制信號，模擬負載實現(xiàn)對實車環(huán)境執(zhí)行負載的模擬，輸出信號同時被數(shù)據(jù)采集卡采集，對比分析期望輸出與系統(tǒng)采集結果評測VCU驅動功能是否正常。VCU由大功率程控電源供電，被測VCU放在環(huán)境試驗箱中，模擬其工作的物理環(huán)境[3]。

自動測試功能由測試軟件完成，一方面，測試軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成信號輸出和采集、數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)自動測試功能；另一方面，測試軟件實現(xiàn)各種輸入輸出信號實測結果的顯示，對測試系統(tǒng)進行監(jiān)控。測試系統(tǒng)結構如圖2所示。

整個系統(tǒng)集成在一個標準機柜中，測試系統(tǒng)以工控機為控制核心，采用板卡插槽式的NIPXIe-1078機箱搭載NI PXIe-8840高性能嵌入式控制器，以數(shù)據(jù)采集卡、通訊模塊和模擬負載構建測試系統(tǒng)硬件平臺，同時集成了電源管理、資源分配和信號調(diào)理模塊等硬件設備。軟件上為了可以方便的可配置系統(tǒng)兼容后續(xù)其他控制器測試項目的應用，采用LabVIEW編程語言進行開發(fā)。

為提高測試效率，系統(tǒng)采用“一拖三”結構，既能滿足單個控制器獨立測試，又可滿足最多3個控制器同時在線測試。

2 測試系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號發(fā)生與檢測模塊

信號發(fā)生與檢測模塊主要基于NI 2種多功能數(shù)據(jù)采集卡和3種通信卡。根據(jù)3個VCU同時在線測試資源需求，考慮實時性和信號采集精度，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，每個通道具有16位分辨率，用于模擬信號采集。PXI-7842R智能現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊，具有96條數(shù)字線，速率高達40 MHz，用于產(chǎn)生精度要求較高的PWM信號和進行靈活的I/O操作，并以高采樣率采集實時的VCU輸出信號。

系統(tǒng)選用兩塊NI PXI-8512/2CAN卡共4個端口用于和被測VCU通信，采用CAN FD高速通信模式，速度最高可達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。NI PXI-8517/2是雙端口FlexRay通信卡，用于測試被測VCU的FlexRay通信功能。

2.2 信號調(diào)理與負載模擬模塊

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VCU相連，需要經(jīng)過信號匹配后才能供給VCU使用[4]，VCU輸出的執(zhí)行器信號也必須經(jīng)過調(diào)理，才能供給I/O板卡采集。因此在硬件設計時需要進行信號隔離和調(diào)理模塊的設計。同時，負載箱內(nèi)集成對VCU外部執(zhí)行器負載的模擬[5]，包括高壓繼電器、電磁閥、充電指示燈等部件的模擬。

考慮整個測試系統(tǒng)結構的通用性，負載箱內(nèi)采用模塊化設計，結構如圖3所示。

每個負載箱控制1個VCU，模擬負載和真實負載集成在同一個箱子內(nèi)，3個負載箱結構上完全相同。負載箱內(nèi)分為5個部分，包括4個功能模塊和1個信號配置區(qū)，4個功能模塊采用插拔式導軌安裝方式。

輸入驅動模塊的主要功能是實現(xiàn)開關信號、PWM信號和模擬信號的輸入；模擬負載模塊安裝有繼電器、功率電阻和電感等模擬負載，在設計時將每一路繼電器驅動信號都設計成可配置高電平和低電平兩種，使得信號配置靈活性較大，模塊通用性提高；兩塊真實負載模塊用于真實負載安裝和驅動信號監(jiān)測；信號接口配置區(qū)域是按待測控制器接口定義配置設備硬件通道。為了保證系統(tǒng)的可擴展性和通用性，按資源最大化設計[6]，對不同類型信號通道做了預留。

2.3 電源管理模塊

待測整車控制器供電與設備電源獨立。信號調(diào)理模塊選用開關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、響應快，電壓幅值20 V，電流最大可達120 A。上位機軟件通過串口通信控制其電壓輸出。

電源管理模塊實現(xiàn)NI工控機、多功能數(shù)據(jù)采集卡、顯示器、負載箱內(nèi)開關電源和程控電源整個測試系統(tǒng)的電源管理，包括主電源的通斷控制、過載保護和急?？刂?。

3 測試系統(tǒng)軟件設計

3.1 測試系統(tǒng)軟件總體設計

上位機軟件主要用于控制數(shù)據(jù)板卡信號輸出、測試數(shù)據(jù)的采集以及人機交互，實現(xiàn)整個測試過程的管理。在滿足測試功能需求基礎上，遵循模塊化設計方法，設計具有優(yōu)良人機交互、多任務、高實時性、高穩(wěn)定性、可移植性強的軟件系統(tǒng)。總體結構如圖4所示。

采用“從總體到細節(jié)，從高到低的分析和設計”原則，劃分為三個層次：最高層為交互層，負責實現(xiàn)程序界面功能以及與用戶進行交互，并能動態(tài)調(diào)用下層VI；第二層為功能層，由測試程序的各個功能模塊構成；最底層為驅動層，包括采集設備的驅動以及文件讀寫驅動等。

3.2 同步數(shù)據(jù)采集和處理模塊

耐久試驗對測試系統(tǒng)實時性要求較高，信號的檢測結果需實時顯示在數(shù)據(jù)顯示區(qū)，測試系統(tǒng)測試的信號可分為通信信號和板卡實測信號。

通過LabVIEW的NI-XNET模塊對CAN通信DBC文件和LIN通信LDF文件導入，平臺軟件可對來自VCU的報文內(nèi)容自動解析，將解析結果按添加的順序顯示在軟件界面。

板卡實測信號的檢測，通過軟硬件接口映射，在腳本文件中對VCU驅動信號名稱分配相應的測量資源，程序自動讀取配置文件中資源分配信息，檢測結果以腳本文件中編輯的樣式進行顯示。

上位機軟件將整個耐久試驗過程中的測試數(shù)據(jù)進行記錄存儲，以判斷試驗樣件在試驗過程中是否出現(xiàn)失效。試驗數(shù)據(jù)以CSV文件格式保存，記錄內(nèi)容包括測試時間、工況狀態(tài)、信號名稱、實測值、判斷結果等。

3.3 自動測試功能的設計

控制器共有6個測試工況，試驗中可設定每個工況測試時間，共2 min30 s一個測試循環(huán)。圖5為一個工況的自動測試流程圖。

自動模式下，測試軟件將依照總測試時間進行循環(huán)測試，當測試時間達到“評價周期”500 ms時，對所有信號檢測結果進行一次記錄并進行判斷，對通過和未通過的信號會在結果欄中分別判斷為“Pass”和“Fail”。為了管理數(shù)據(jù)，軟件會將任何超過信號誤差容限的測試結果生成一份“Error”文件。整個耐久試驗過程不需要測試人員干預，可隨時查看試驗數(shù)據(jù)，試驗結束后檢查結果文件，可以很方便的得出測試結果的通過性。

4 試驗結果與分析

針對測試系統(tǒng)集成性要求，考慮設備的安裝調(diào)試，對各硬件模塊進行合理布局，搭建了如圖6所示的測試設備，主要由耐久測試臺(圖左)和環(huán)境試驗箱(圖右)組成。該測試系統(tǒng)可用于各項環(huán)境耐久試驗，如溫度循環(huán)試驗、振動試驗、溫濕度試驗、鹽霧試驗等。

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

由測試系統(tǒng)輸入給VCU的模擬信號，VCU進行檢測反饋給上位機，在工況1下的部分反饋結果如表2所示。

從測試結果可以看出，VCU對于模擬信號的測試偏差在5%以內(nèi)，說明輸入驅動板模擬信號輸出正常，VCU對模擬信號的采集和CAN通信功能正常，測試系統(tǒng)生成的模擬信號滿足VCU工作需求。

在整個測試系統(tǒng)建立完成后，運用博世公司全球統(tǒng)一的測量系統(tǒng)分析(Measurement System Analysis，MSA)方法[7]來評估本測試系統(tǒng)的能力。以VCU輸出的高壓互鎖信號為例，其理論是頻率100 Hz，占空比50%的PWM信號，現(xiàn)以1 d為取樣周期，每天隨機抽取同一信號在同一工況下的5次測量結果，共30組數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)對占空比檢測結果的均值和標準差分布如圖8、圖9所示。

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

5 結束語

該系統(tǒng)以整車控制器為測試對象，對測試系統(tǒng)方案設計、軟件編程等方面進行詳細分析論證，設計并搭建了耐久測試系統(tǒng)的機械平臺、硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺的智能化測試系統(tǒng)控制軟件。該測試系統(tǒng)可滿足3個控制器產(chǎn)品同時在線測試，提高測試效率，縮短試驗周期，為鑒定產(chǎn)品可靠性提供準確數(shù)據(jù)，已投入企業(yè)使用。該系統(tǒng)設計的通用性架構為其他控制器測試系統(tǒng)搭建具有一定參考價值。