周煉，沈永輝，董勇濤

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.天津智行汽車技術(shù)有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著社會的不斷進(jìn)步，能源需求不斷增加，造成的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，目前已成為制約我國社會發(fā)展的突出問題[1]，其中比較嚴(yán)重的污染源就是汽車尾氣的排放，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計每年就會有數(shù)十億噸的污染物排放到大氣中[2]。由于純電動汽車環(huán)境污染小、能源來源廣泛等特點能夠在一定程度上緩解環(huán)境問題，因此受到世界各個國家政府的高度重視，各個車企在純電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)過程中投入大量的人力、物力。但是由于純電動汽車復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)，在沒有診斷功能和安全控制策略的情況下，汽車的故障信息獲取起來有一定的難度[3]。汽車電子網(wǎng)絡(luò)化近年來發(fā)展迅速以及純電動汽車故障診斷標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一，CAN總線協(xié)議被廣泛用于純電動汽車的系統(tǒng)控制，診斷及通訊等方面?；?CAN總線的汽車故障診斷系統(tǒng)目前逐漸成為汽車互聯(lián)網(wǎng)化、智能化的最基本要求[4,5]。

2 整車控制器

整車控制器（VCU）是電動汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統(tǒng)的核心部件，在整車控制系統(tǒng)中居于最高層級，主要負(fù)責(zé)采集制動踏板、加速踏板等部件信號，并對采集信息進(jìn)行管理、分析和運(yùn)算等[6]，整車控制器的功能作用如圖1所示，整車控制器的功能正常對于電動汽車的重要性是不言而喻的[7]。因此，本文為了提高純電動汽車安全性機(jī)器診斷的可靠性，開發(fā)一套基于 CAN總線的整車控制器來料檢測系統(tǒng)，對整車控制器進(jìn)行相關(guān)測試。

圖1 整車控制器關(guān)系圖

測試系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)與軟件平臺兩部分組成，用于檢測 VCU硬件接口是否正常工作。硬件系統(tǒng)主要是一些發(fā)生模塊，可實現(xiàn) CAN通訊和模擬量、開關(guān)量、脈沖量的輸出及模擬量、PWM、開關(guān)量采集，同時還包括供電單元。軟件平臺主要是用于測試系統(tǒng)管理，包括測試系統(tǒng)管理以及VCU功能測試等。圖2為測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能包括模擬信號、數(shù)字信號、PWM信號的采集與輸出，根據(jù)VCU功能需求對整套測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)架進(jìn)行了設(shè)計。自檢模塊，主要是對設(shè)備自身通訊正常與否的檢測。電源模塊，主要由程控電源、電源電路、繼電器組成，可程控輸出不同電壓。信號調(diào)理模塊，主要由開關(guān)量驅(qū)動電路、繼電器驅(qū)動電路、模擬量濾波電路、數(shù)字信號調(diào)理電路、模擬信號調(diào)理電路組成。最后就是通過多種數(shù)據(jù)采集板卡組成的數(shù)據(jù)采集與發(fā)生模塊。

圖3 測試系統(tǒng)硬件構(gòu)架圖

3.1 自檢模塊

為了保證測試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，首先需要測試系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此，在對控制器測試之前，首先完成系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)在自檢過程中，首先需要對測試系統(tǒng)的輸入通道進(jìn)行相應(yīng)的檢測，然后將輸入通道與輸出通道相連接，通過輸入同代檢測輸出通道是否正常。對于通信通道檢測，首先將2路CAN通道首先連接在一起，然后采用一個通道發(fā)送，一個通道接收地方式檢測通訊是否正常。

3.2 電源模塊

在控制器的實際使用場景中，整車控制器會出現(xiàn)供電電源電壓過低或者過高狀態(tài)，所以在對 VCU功能進(jìn)行測試評估時需要考慮 VCU在欠壓或過壓情況下運(yùn)行能力。目前在市場上的純電動乘用車車低壓系統(tǒng)正常供電電壓為12V，商用車為24V，過高電壓通常為18V或36V，過低電壓通常為9V或18V，整個測試系統(tǒng)能夠模擬整車控制器在常壓、過壓、欠壓及反壓四種工作電壓的輸出。在對電源輸出控制時選用了研華 USB-4761板卡進(jìn)行電源控制，可以通過研華 USB-4761板卡控制電源輸出不同電壓值，來滿足測試系統(tǒng)對VCU供電需求。

3.3 信號調(diào)理模塊

為了能夠使數(shù)據(jù)采集卡和信號發(fā)生卡的接口特性和VCU的接口特性保證一致，所以需要在設(shè)計測試系統(tǒng)硬件時需要對信號做相關(guān)的調(diào)理。設(shè)備采用的研發(fā)USB-4750板卡中的輸出與采集通道是由板卡內(nèi)置的光耦開關(guān)控制的，輸出狀態(tài)分為高阻態(tài)（懸空）或高邊輸出，結(jié)合控制器端的 PIN腳電路特性，需要做一個信號調(diào)理，根據(jù)控制器端的每個PIN腳的電路特性匹配一個上拉或者下拉電路，消除整個電路過程中的高阻態(tài)（懸空），確保研華USB-4750板卡輸出和采集到的狀態(tài)的可靠性。

3.4 數(shù)據(jù)采集與信號發(fā)生模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是自動化測試系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，主要是通過基于計算機(jī)或者其它專用測試平臺測量硬件和軟件產(chǎn)品來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡是一種可以通過 USB、PXI、PCI等總線接入個人計算機(jī)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計算機(jī)擴(kuò)展卡。根據(jù)整車控制器測試系統(tǒng)功能需求選擇了研華 USB-4750多功能數(shù)據(jù)采集卡、阿爾泰 ART-2831模擬量輸出卡以及周立功 CAN卡，以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字量輸入/輸出、 模擬量輸入/輸出和脈沖信號的輸入/輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于模塊化設(shè)計方法對測試系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，編程語言采用 LabVIEW 進(jìn)行編程。首先，測試系統(tǒng)需要有友好、簡單的人家交互界面，方便測試人員的操作和管理；其次，整個測試過程結(jié)束之后應(yīng)該提示測試結(jié)果，同時要保存相應(yīng)的測試報告，方便后期質(zhì)量的追溯和管理。

根據(jù)整車控制器測試需求和測試內(nèi)容制定測試流程；同時為了便于系統(tǒng)軟件按的改進(jìn)和擴(kuò)展，系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，一個模塊實現(xiàn)一個功能，各個模塊功能上相互獨立，在數(shù)據(jù)傳遞和程序結(jié)構(gòu)上又緊密連接，這樣不僅會使得程序結(jié)構(gòu)簡單明了，便于設(shè)計、調(diào)試和后期的維護(hù)，同時使測試軟件操作簡易、數(shù)據(jù)交換高效、控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高。測試系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)操作界面

4.1 測試流程總體設(shè)計

整車控制器是整個汽車的核心控制部件，相當(dāng)于汽車的大腦，控制下層的各部件控制器的動作，驅(qū)動汽車正常行駛。所以整車控制器的重要性是不言而喻的，為了保證純電動車的人車安全，對整車控制器進(jìn)行相關(guān)檢測也是很有必要的，整個測試過程如圖5所示。

測試人員打開上位機(jī)測試軟件，通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)入測試主界面后，點擊“打開采集卡”按鈕，此時測試系統(tǒng)會先進(jìn)行自檢，如果自檢成功，系統(tǒng)功能及板卡功能正常，才可以進(jìn)行系統(tǒng)測試，并且“自檢”指示燈點亮。接下來點擊“開始自動測試”按鈕，此時系統(tǒng)才開始了整車控制器的相關(guān)測試。在測試工程可分成兩個步驟進(jìn)行：參數(shù)配置和功能測試。

參數(shù)配置主要是對整車控制器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，包括其類型、型號及端口等。同時還會配置 CAN通訊板卡類型及波特率的設(shè)置等。功能測試主要是對整車控制器的電性能和相關(guān)功能測試。測試完成后會將測試結(jié)果存儲至計算機(jī)本地，便于品質(zhì)管理及數(shù)據(jù)追蹤。

圖5 系統(tǒng)軟件測試流程框圖

4.2 功能測試

功能測試主要是包括通訊檢測、模擬信號檢測和數(shù)字信號檢測。其中通訊檢測主要是針對整車控制器的 CAN通訊功能進(jìn)行檢測；模擬信號檢測主要包括電壓信號和脈沖信號的檢測；數(shù)字信號檢測則主要包括數(shù)字量的輸入輸出和繼電器驅(qū)動檢測，功能測試流程如圖6所示。

圖6 功能測試流程圖

4.2.1 通信檢測

圖7 CAN通信測試流程圖

純電動汽車整車控制器通常具有 CAN通信端口，在對整車控制器進(jìn)行功能測試時就是通過 CAN端口反饋信息完成測試的，所以需要對CAN端口先進(jìn)行測試。圖7為整車控制器CAN通信檢測的測試流程。首先，進(jìn)行CAN初始化，初始化完成需要對發(fā)送信息參數(shù)急接收信息參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后將接收到的CAN報文參數(shù)和發(fā)送的CAN報文參數(shù)進(jìn)行比較，如果發(fā)送的和接收的數(shù)據(jù)能夠相同則說明測試通過。

4.2.2 模擬信號檢測

模擬信號檢測主要包括對整車控制器的工作電壓模擬測試和脈沖信號測試。

（1）工作電壓模擬測試

測試規(guī)范與項目參考 ISO16750-2 《道路車輛電氣與電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗 第二部分電氣載荷》，如直流供電測試、過壓測試、疊加交流測試、供電電壓變化測試、供電電壓閃斷重連測試等。具體測試項目如下（舉例 VCU常壓供電12V）。通過程控電源為VCU輸出常壓、過壓、欠壓、反壓4種不同工作電壓，同時并激活VCU，通過上位機(jī)檢測CAN通訊功能，并根據(jù)VCU反饋報文判斷VCU電壓耐受性是否合格，工作電壓模擬測試如表1所示。

表1 工作電壓模擬測試

（2）模擬輸入口測試

通過模擬板卡控制輸出相應(yīng)電壓，然后發(fā)送 CAN查詢報文，通過反饋報文判斷 VCU模擬輸入口是否正常，模擬輸入口測試如表2所示。

表2 模擬輸入口測試

（3）PWM輸入口測試

表3 PWM輸入口測試

通過軟件控制板卡輸出PWM信號，然后向VCU發(fā)送CAN查詢報文，根據(jù)VCU反饋報文判斷VCU PWM輸入口是否正常，PWM輸入口測試如表3所示。

另外模擬輸出口、PWM 輸出口測試和輸入測試方法相同，最后將測試系統(tǒng)相應(yīng)通道采集后數(shù)據(jù)和請求幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)對比誤差不大于 5%則判定測試合格。系統(tǒng)模擬信號檢測流程如圖8所示。

圖8 電壓模擬型號測試流程圖

4.2.3 數(shù)字信號檢測

數(shù)字信號檢測主要是針對整車控制器輸入口測試和輸出口測試。

（1）數(shù)字輸入口測試

通過軟件控制繼電器對 VCU進(jìn)行供電，供電后發(fā)送CAN查詢報文，根據(jù) VCU反饋報文是否與預(yù)期結(jié)果判斷VCU數(shù)字輸入口是否正常。測試方式如表4所示。

表4 數(shù)字輸入口測試

（2）數(shù)字輸出口測試

通過軟件發(fā)送端口驅(qū)動報文，VCU接受到報文使能驅(qū)動口輸出高電平或者低電平，此時板卡采集相應(yīng)端口，判斷VCU驅(qū)動口是能是否正常，數(shù)字輸出口測試如表5所示。

表5 數(shù)字輸出口測試

數(shù)字信號測試流程如圖9所示。

圖9 數(shù)字信號測試流程圖

4.2.4 測試報告生成

整車控制器電來料入廠檢測設(shè)備一鍵式操作，測試過程完全實現(xiàn)自動化，在測試完成后，測試結(jié)果自動保存，可以.csv格式保存設(shè)備本地，可以存檔Access數(shù)據(jù)庫，也可以上傳至廠家系統(tǒng)云端，測試報告生成功能的開發(fā)需要利用NI LabVIEW的Report Generation Toolkit報告生成工具包，生成報告程序如圖10所示。測試報告包括VCU序列號、測試時間、測試人員、測試項目及測試結(jié)果等。同時可通過上位機(jī)界面對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，可通過測試結(jié)果是否合格、檢測時間、測試 VCU序列號進(jìn)行篩選查詢。數(shù)據(jù)可設(shè)有管理員登錄名和登陸密碼，保證數(shù)據(jù)庫的安全性。

圖10 測試報告生成模塊程序

5 測試結(jié)果分析

在測試系統(tǒng)對整車控制器進(jìn)行測試過程中，首先是對整車控制器電性能進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)給整車控制器提供過壓18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V的工作電壓，持續(xù)一分鐘后切換到 12V±0.5V常壓供電，同時上位機(jī)檢測整車控制器的 CAN通訊功能，如果整車控制器通訊正常則表示其電性能正常，圖11為上位機(jī)輸出正常電壓12V±0.5V、過壓 18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V曲線。接下來測試系統(tǒng)開始對整車控制器的其他功能進(jìn)行測試（數(shù)字量、模擬量等）最終在每一項測試完成之后，存儲成 Excel格式測試報告。整車控制器測試結(jié)果如圖12所示。

圖11 電性能測試曲線圖

圖12 測試報告

通過測試報告可以清晰看出整車控制器的各個檢測項目以及其檢測結(jié)果還有整車控制器的最終檢測結(jié)果，檢測人員與維修人員可以精準(zhǔn)定位控制器的缺陷項目，提高生產(chǎn)與售后維修效率。

6 結(jié)論

經(jīng)過大量試驗證明所開發(fā)的基于 CAN總線的整車控制器測試系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、測試精度高、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，整套測試系統(tǒng)完全可用于純電動汽車的整車控制器的各項性能的測試，有廣泛的推廣使用價值。本測試系統(tǒng)目前已投入市場使用，測試過程均為自動化測試，能很大程度上降低整車控制器的測試成本。