王 巍,吳凱悅,吳法海

(1.浙江萬向精工有限公司，浙江 杭州 311202；2.萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(anti-lock braking system,ABS)是在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用電子控制技術(shù)構(gòu)成的一種機(jī)電一體化系統(tǒng)[1]。它對于防止車輪抱死、提高制動(dòng)效率、操縱穩(wěn)定性以及降低交通事故發(fā)生率發(fā)揮了重要作用[2]。電子控制單元(electronic control unit,ECU)作為ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。為保證ECU的正常工作，生產(chǎn)時(shí)需要對ECU產(chǎn)品進(jìn)行檢測。判斷ECU產(chǎn)品是否合格，則需要檢測各個(gè)部件及其功能是否正常。檢測包括多方面，如電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的檢測、輪速采集功能的檢測、生產(chǎn)信息讀寫的檢測等。由于ECU的檢測涉及項(xiàng)目較多，如果由人工完成檢測，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間與精力。為了提高檢測準(zhǔn)確率和效率，需要開發(fā)一套準(zhǔn)確、高效的自動(dòng)化檢測系統(tǒng)。為了滿足檢測時(shí)對各設(shè)備兼容性的要求，系統(tǒng)軟件使用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)。

1 燒錄測試一體機(jī)功能需求

1.1 測試對象分析

本文所設(shè)計(jì)的燒錄測試一體機(jī)的測試對象為乘用車液壓 ABS的ECU。 ECU是ABS 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心控制部件，由硬件執(zhí)行層和軟件算法層組成。

ECU硬件執(zhí)行層主要由六個(gè)模塊[3]構(gòu)成。

①電源監(jiān)控模塊。其功能為將汽車電瓶電源轉(zhuǎn)化為單元內(nèi)部所需的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定電壓，并持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控。

②輪速傳感器信號(hào)處理模塊。其功能為濾波、整形和放大輪速信號(hào)。

③ABS閥線圈驅(qū)動(dòng)模塊。其功能為控制ABS電磁閥導(dǎo)通和關(guān)斷。

④ABS電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其功能為輸出ABS電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

⑤ABS警告燈控制模塊。其功能為輸出儀表盤ABS 警告燈控制信號(hào)。

⑥通信模塊。其功能為與外部設(shè)備進(jìn)行控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線及K總線的通信協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)。

ECU軟件算法層的功能為實(shí)時(shí)監(jiān)控四個(gè)輪速傳感器輸入的信號(hào)，計(jì)算出汽車的參考車速、各車輪速度和減速度，得到各車輪滑移率；將滑移率與設(shè)定的滑移率控制門限值進(jìn)行比較，從而根據(jù)設(shè)定的控制邏輯得出各通道電磁閥的動(dòng)作模式和時(shí)間，以防車輪抱死情況的出現(xiàn)[4]。

作為本文測試對象，某系列ECU爆炸圖如圖1所示。

圖1 ECU爆炸圖Fig.1 Exploded diagram of ECU

ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)所有功能的運(yùn)行均依賴于ECU的正常工作。若ECU不合格，則無法在緊急工況下保護(hù)人車安全。因此，ABS控制器在生產(chǎn)下線時(shí)必須進(jìn)行測試驗(yàn)證。

1.2 燒錄測試系統(tǒng)功能需求

ECU燒錄測試一體機(jī)系統(tǒng)，按功能可以劃分為ECU程序燒錄和硬件層面的ECU功能測試兩個(gè)部分。

ECU程序燒錄是ECU生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的方法是利用計(jì)算機(jī)將燒錄程序存儲(chǔ)到燒錄器中，然后將燒錄器與ECU的聯(lián)合測試工作組(joint test action group,JTAG)接口相連，通過操作燒錄器上按鈕完成ECU的燒錄。此方法不僅工作繁瑣，而且工作效率低[5]。故需要選擇一種支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)調(diào)用的通用型燒錄仿真器，從而通過JTAG、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)等接口進(jìn)行程序的刷新。

ECU功能測試的需求包括以下幾點(diǎn)。

①故障檢測功能。一體機(jī)能夠?qū)CU的硬件執(zhí)行層進(jìn)行測試，驗(yàn)證控制器各項(xiàng)功能是否正常工作，并對不合格模塊給出報(bào)警信息。

②不同車型配置功能。由于測試車型眾多，一體機(jī)測試軟件應(yīng)能通過簡單配置制造工藝規(guī)范(manufacturing procedure specification，MPS)參數(shù)表進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，且操作步驟需快速、簡便，以滿足產(chǎn)線工作節(jié)奏。

③治具自動(dòng)連接功能。一體機(jī)氣動(dòng)治具應(yīng)能根據(jù)控制指令自動(dòng)夾緊待測件，實(shí)現(xiàn)控制器接口與底座的自動(dòng)對接。

④測試結(jié)果追溯功能。一體機(jī)測試軟件應(yīng)具有報(bào)表功能，能根據(jù)ECU條形編碼進(jìn)行測試結(jié)果的追溯。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)概述

根據(jù)功能需求，燒錄測試一體機(jī)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)包括工控機(jī)、信號(hào)調(diào)理負(fù)載箱、可調(diào)開關(guān)電源、ABS ECU、氣動(dòng)治具、燒錄器、掃碼槍。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.2 Architecture diagram of the system

2.2 系統(tǒng)組成

①信號(hào)調(diào)理負(fù)載箱。

信號(hào)調(diào)理負(fù)載箱的作用主要是向ECU提供電源，并進(jìn)行測試所需信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳遞。它由2U機(jī)箱、前面板、后面板、開關(guān)電源、電流傳感器和信號(hào)調(diào)理板卡組成。信號(hào)調(diào)理板卡包含輪速信號(hào)處理電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、電流采集電路、故障燈驅(qū)動(dòng)電路等部分。

②燒錄器。

燒錄器選用了能兼容不同微控制單元(microcontroller unit,MCU)的多通道在線式編程器。它是一種超高速、工業(yè)級(jí)在線式燒錄器，具有支持接口種類廣泛、燒錄算法豐富、性能穩(wěn)定、對目標(biāo)電路充分保護(hù)、集成性好、體積小等特點(diǎn)，能嵌入各種測試設(shè)備，如自動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備(automatic test equipment,ATE)、在線測試儀(in-circuit-tester,ICT)、功能測試(functional circuit test,FCT)、工裝、治具等。燒錄器既能手動(dòng)操作又能自動(dòng)操作，可以應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品的測試、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，以及工業(yè)、家電、汽車、自動(dòng)化等各個(gè)行業(yè)。

③NI數(shù)據(jù)采集卡。

④USB-CAN采集卡。

USB-CAN采集卡選用某公司通用型通用串行總線(universal serial bus,USB)轉(zhuǎn)CAN總線適配器。它的高速CAN通道符合ISO 11898-2協(xié)議，CAN比特率為5 kbit/s～1 Mbit/s，時(shí)間戳分辨率大約42 μs，符合CAN規(guī)范2.0A和2.0B。該采集卡可方便地監(jiān)視CAN總線網(wǎng)絡(luò)，編寫CAN總線程序，以及和CAN總線設(shè)備通信，因而廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、醫(yī)療和其他行業(yè)。

⑤USB-K通信卡。

USB-K通信卡選用自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換卡，主要包括K總線與串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和串口通信轉(zhuǎn)換為USB通信兩個(gè)部分。工作過程為：上位機(jī)發(fā)送讀取指令；USB/TTL232轉(zhuǎn)換芯片將USB總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic,TTL)電平數(shù)據(jù)，再通過LIN總線收發(fā)器芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為LIN總線CMOS電平信息，最后發(fā)送給ECU。ECU接收到指令后，將響應(yīng)信息回傳到K總線網(wǎng)絡(luò)，由USB-K通信卡調(diào)制后回傳至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與ECU的K線通信。

⑥氣動(dòng)測試治具。

治具采用雙工位模式，主要部件包括兩個(gè)三軸氣缸、測試探針上座、測試探針下座、燒錄接頭、測試接頭、電磁閥、底座、開關(guān)電源、控制板。氣動(dòng)治具三維模型如圖3所示。

另外，院區(qū)內(nèi)的各間病房均配備了獨(dú)立衛(wèi)生間和陽臺(tái)。衛(wèi)生間靠外墻設(shè)計(jì)，并設(shè)有窗戶，這既能采集自然光線，又能通風(fēng)透氣，保持病房內(nèi)空氣清新，有效防止異味滋生。病房里的陽臺(tái)使用大落地玻璃門，自然光能直接透射進(jìn)病房里，患者可以按需要在陽臺(tái)進(jìn)行舒展活動(dòng)，呼吸新鮮空氣，配合周邊的花槽，令患者充分享受大自然的陽光與綠化，保持良好的心態(tài)，有助于患者病情的控制及治療。

圖3 氣動(dòng)治具三維模型Fig.3 Three-dimension model of pneumatic fixture

⑦掃碼槍。

掃碼槍的作用是掃描ECU上貼的生產(chǎn)序列號(hào)條形碼，通知上位機(jī)需要燒錄的車型和軟件版本，并和MPS配置信息文件中的車型版本進(jìn)行比對。若相符，則系統(tǒng)執(zhí)行燒錄、測試步驟；若不符，則在操作界面給出報(bào)警提示信息。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

LabVIEW通過圖形化的語言和模塊化的指令生成框圖式的程序代碼，其功能豐富的函數(shù)庫涉及數(shù)據(jù)采集、儀器通信、信號(hào)處理、文件存儲(chǔ)等[6-7]，是實(shí)現(xiàn)ECU燒錄和功能檢測的理想選擇。因此，本集成式燒錄測試一體機(jī)系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)。

3.1 LabVIEW函數(shù)調(diào)用

3.1.1 串口調(diào)用

在LabVIEW中，串口通信被列入儀器輸入/輸出(input/output，I/O)類。其函數(shù)是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(virtual instrumcnt softuare architecture,VISA)函數(shù)的子集[8]。本系統(tǒng)軟件使用串口通信函數(shù)完成條形碼掃描和K通信，涉及的串口通信函數(shù)有VISA配置串口函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)、VISA串口字節(jié)數(shù)屬性、VISA關(guān)閉函數(shù)等[9]。

3.1.2 燒錄器接口調(diào)用

燒錄器有方便LabVIEW調(diào)用的用戶庫DLL.lvlib，只需將DLL文件夾復(fù)制到LabVIEW安裝目錄的user.lib文件夾下，就可在函數(shù)面板下的用戶庫列表內(nèi)找到所有的VI。本系統(tǒng)軟件使用該VI庫可完成引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序燒錄、向ECU寫入生產(chǎn)日期和序列號(hào)信息的操作，涉及的VI有獲取燒錄器列表、連接燒錄器、發(fā)送燒錄文件、設(shè)置額外參數(shù)、燒錄、獲取燒錄結(jié)果等。

3.1.3 USB-CAN采集卡調(diào)用

本設(shè)計(jì)選用的CAN總線適配器有動(dòng)態(tài)鏈接庫文件CANBasic.dll。它包含了CAN設(shè)備的初始化、通道打開、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、通道關(guān)閉等函數(shù)。LabVIEW使用“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)”VI來配置調(diào)用的應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)。

3.1.4 數(shù)據(jù)采集

NI數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW具有很強(qiáng)的兼容性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮硬件的底層驅(qū)動(dòng)問題[10]。該數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW中建立數(shù)據(jù)采集任務(wù)的方式有兩種：①利用DAQmx VI函數(shù)；②利用DAQ助手[11]。本系統(tǒng)軟件采用DAQ助手控制數(shù)字量與模擬量的輸入/輸出，從而完成控制繼電器開關(guān)量、采集電磁閥與電機(jī)工作電流、發(fā)送方波等任務(wù)。

3.2 軟件模塊組成

系統(tǒng)軟件可同時(shí)檢測多個(gè)ECU產(chǎn)品。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面Fig.4 Software interface

軟件的主要功能如下。

①端口配置。系統(tǒng)軟件配置采集卡、掃碼槍、CAN設(shè)備、K設(shè)備的通信端口。

②用戶選型。系統(tǒng)軟件提供四個(gè)測試通道、兩個(gè)測試模式(手動(dòng)/自動(dòng))、多個(gè)ECU型號(hào)供用戶選擇。用戶選型之后，系統(tǒng)軟件會(huì)根據(jù)型號(hào)信息初始化系統(tǒng)參數(shù)，如主動(dòng)式/被動(dòng)式切換、磁電/霍爾式切換、波特率設(shè)置等。

③掃碼校驗(yàn)。系統(tǒng)軟件采集到ECU裝配到位信號(hào)后，自動(dòng)啟動(dòng)掃描器掃描產(chǎn)品條形碼，并對條形碼內(nèi)容進(jìn)行記錄和校驗(yàn)。

④程序燒錄。系統(tǒng)軟件根據(jù)ECU型號(hào)發(fā)送對應(yīng)的燒錄文件到燒錄器，并配置生產(chǎn)日期和序列號(hào)等額外的燒錄參數(shù)，然后啟動(dòng)燒錄并查詢燒錄結(jié)果。

⑤功能檢測。系統(tǒng)軟件檢測ECU的CAN總線和K總線通信是否正常，讀取ECU故障碼，校驗(yàn)版本信息，測試制動(dòng)開關(guān)、警告燈等輸入/輸出信號(hào)，檢測電磁閥線圈、電機(jī)和輪速傳感器等部件是否能正常工作。另外，系統(tǒng)軟件會(huì)顯示每一步檢測的測試結(jié)果，形成測試日志。

⑥保存結(jié)果。測試完成后，系統(tǒng)軟件會(huì)存儲(chǔ)以條形碼內(nèi)容命名的測試日志，同時(shí)顯示最終的測試結(jié)果，并對合格品進(jìn)行計(jì)數(shù)。

功能模塊如圖5所示。

圖5 功能模塊圖Fig.5 Function module diagram

3.3 軟件測試流程

由于被測車型眾多，故根據(jù)《車型配置技術(shù)明細(xì)表》，統(tǒng)一將車輛的軟件版本、硬件版本、傳感器類型、輪胎半徑、齒圈齒數(shù)、CAN波特率等內(nèi)容打包寫入一個(gè)MPS文件內(nèi)。通過在前面板選擇被測ECU的型號(hào)，后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行初始化配置，簡化了操作步驟?；緶y試流程如下。

①啟動(dòng)上位機(jī)，選擇被測ECU型號(hào)。

②將兩個(gè)ECU分別放置到工裝上，雙手按壓啟動(dòng)按鈕，上針座自動(dòng)下壓。

③上位機(jī)驅(qū)動(dòng)掃碼槍讀取ECU側(cè)面的條形碼，先判斷MPS里的配置信息和燒錄的程序版本是否一致，如校驗(yàn)通過則使能燒錄器開始刷新程序。

④待程序更新完畢，進(jìn)行串口初始化，并設(shè)置CAN波特率。

⑤ECU上電自檢。上位機(jī)監(jiān)測電源線上電壓和電流，發(fā)送初始化報(bào)文與ECU通信握手。

⑥連接成功后，進(jìn)行ECU的診斷代碼(diagnostic trouble code,DTC)測試。

⑦讀取ECU內(nèi)部的信息和MPS配置信息，并進(jìn)行版本比對測試。

⑧讀取總線上的CAN報(bào)文，并進(jìn)行CAN通信矩陣測試。

⑨上位機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理箱，并進(jìn)行ECU I/O接口測試。

⑩發(fā)送變頻率方波，模擬輪速信號(hào)進(jìn)行測試。

4 實(shí)際應(yīng)用反饋

一體機(jī)系統(tǒng)在生產(chǎn)及應(yīng)用前，還需要進(jìn)行一系列的調(diào)試工作。這主要是完成不同廠商不同類型ECU產(chǎn)品以及模擬故障ECU產(chǎn)品的針對性檢測。

通過調(diào)試，改進(jìn)了以下項(xiàng)目。

①掃碼槍模式。以往掃碼槍使用的是鍵盤模式。但通過實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，鍵盤模式存在偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，導(dǎo)致上位機(jī)判斷當(dāng)前ECU產(chǎn)品條碼錯(cuò)誤。將掃碼槍調(diào)整為虛擬串口模式后，通過串口函數(shù)來處理掃描到的數(shù)據(jù)，未再出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

②掃碼槍位置。因?yàn)闂l形碼位置ECU的長側(cè)面變更到短側(cè)面，所以對掃碼槍位置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和固定。最終，將掃碼槍的位置從底座移到了上座。

③燒錄器模式。燒錄器有USB、網(wǎng)口兩種連接模式。早期采用USB模式，在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)燒錄多個(gè)ECU之后偶爾出現(xiàn)上位機(jī)與燒錄器連接失敗現(xiàn)象，需重新拔插USB線才能恢復(fù)正常。這樣會(huì)影響生產(chǎn)節(jié)拍。后期改為網(wǎng)口模式，連接非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)連接失敗現(xiàn)象。

經(jīng)調(diào)試完成后，一體機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入批量檢測階段。檢測系統(tǒng)對五個(gè)批次ECU產(chǎn)品進(jìn)行檢測。表1為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在批量檢測中，除了故障ECU產(chǎn)品會(huì)檢測為不合格外，合格的ECU產(chǎn)品也可能會(huì)誤判為不合格。其主要原因是存在檢測誤差。

表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

存在檢測誤差主要是由于采集卡在采集模擬量時(shí)的檢測時(shí)間點(diǎn)存在偏差，導(dǎo)致某一段模擬量未全部采集到，影響上位機(jī)的判斷結(jié)果。經(jīng)批量測試驗(yàn)證，在保證生產(chǎn)節(jié)拍的前提下適當(dāng)延長采集時(shí)長，可以規(guī)避此類檢測誤差。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的ECU燒錄測試一體機(jī)系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合測試負(fù)載箱、氣動(dòng)治具、燒錄器等外圍設(shè)備，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了同一治具下既能燒錄又能測試，簡化了產(chǎn)線人員的操作步驟，提高了測試工位節(jié)拍，基本覆蓋了ECU所有模塊的檢測。同時(shí)，針對不同廠家、不同通信協(xié)議的產(chǎn)品，開發(fā)了對應(yīng)的子VI，提高了系統(tǒng)的兼容性。在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，磁電式ECU的輪速模擬信號(hào)還不能完美地模擬實(shí)際車況，即上位機(jī)在使用一段時(shí)間以后會(huì)出現(xiàn)端口沖突的現(xiàn)象。在下一步一體機(jī)升級(jí)時(shí)，將在硬件和軟件方面作好對應(yīng)的優(yōu)化，以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。