林搖杰　林候前

摘要：針對(duì)汽車多功能交互開關(guān)的耐久測(cè)試需求，通過環(huán)境試驗(yàn)箱、氣缸控制器、測(cè)試工裝等硬件模塊，依托控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）現(xiàn)場(chǎng)總線和Modbus通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW軟件的耐久測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了在不同工況下多個(gè)被測(cè)器件（DUT）并行測(cè)試的功能，同時(shí)能夠智能監(jiān)控整個(gè)的測(cè)試過程。選用分布在汽車座艙不同區(qū)域的多功能交互開關(guān)進(jìn)行耐久測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明：該耐久測(cè)試系統(tǒng)適用于多個(gè)主機(jī)廠不同類型的多功能交互開關(guān)；在多DUT并行測(cè)試下，該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行且便于試驗(yàn)參數(shù)的配置和測(cè)試過程的監(jiān)控；試驗(yàn)結(jié)果便于分析，提高了測(cè)試效率。研究結(jié)果為汽車多功能交互開關(guān)耐久測(cè)試提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：汽車電子；多功能交互開關(guān)；可靠性試驗(yàn)；耐久測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463；U467；TP27? 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.028

1 前言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化水平的不斷提高，物理按鍵在汽車中的應(yīng)用逐漸減少，多功能開關(guān)的按鍵交互模式將從物理按鍵逐步演變?yōu)橹悄苡|控式交互[1-2]。車用開關(guān)使用耐久性研究，是汽車質(zhì)量與安全性能檢測(cè)領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)之一，汽車上眾多不同類型電控開關(guān)的性能優(yōu)劣直接影響汽車開關(guān)的質(zhì)量[3]。

目前，車用開關(guān)疲勞試驗(yàn)機(jī)普遍存在通用性差、試驗(yàn)效率低和缺少開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控的問題[4]。白瑤等[5]研究了分布式實(shí)時(shí)車用開關(guān)耐久性測(cè)試原理；李尚林[6]研究了基于LabVIEW的汽車玻璃升降器耐久測(cè)試系統(tǒng)；唐伎玲等[3、7]基于費(fèi)樹明[8]設(shè)計(jì)的汽車組合開關(guān)耐久性檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)一步研究了具有通用性和并行性的檢測(cè)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)和耐久檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。前期的研究集中在以電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)的耐久測(cè)試系統(tǒng)，且應(yīng)用于汽車用轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān)和汽車玻璃升降器，而在以氣缸為核心驅(qū)動(dòng)的耐久測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用上沒有研究。因此，研究以氣缸為核心驅(qū)動(dòng)的耐久測(cè)試系統(tǒng)在多功能交互開關(guān)（如方向盤開關(guān)、中控開關(guān)等）的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文依據(jù)汽車主機(jī)廠對(duì)多功能交互開關(guān)按壓耐久的試驗(yàn)要求，依托LabVIEW測(cè)試軟件，設(shè)計(jì)了一種智能監(jiān)控按壓過程，滿足多個(gè)DUT并行測(cè)試，具有通用性的耐久測(cè)試系統(tǒng)。

2 耐久測(cè)試的試驗(yàn)要求分析

以A、B、C、D、E為代表的主流汽車主機(jī)廠，在按壓耐久測(cè)試的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了溫濕度和耐久次數(shù)負(fù)載譜的分布要求，同時(shí)定義了耐久測(cè)試持續(xù)時(shí)間的計(jì)算方法。通過分析上述耐久測(cè)試的試驗(yàn)要求，總結(jié)得出耐久測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)需具備的功能。

2.1 溫濕度和耐久次數(shù)負(fù)載譜的分布要求

溫濕度和耐久次數(shù)的分布負(fù)載譜定義了溫濕度的加載順序以及在每個(gè)溫濕度下需要運(yùn)行的耐久循環(huán)次數(shù)。按照溫濕度和與其相對(duì)應(yīng)的耐久循環(huán)次數(shù)的分布情況進(jìn)行了分析匯總，如表1、表2和表3所示。

通過分析表1、表2和表3中溫濕度和耐久次數(shù)的分布要求，為了實(shí)現(xiàn)在不同的溫濕度譜下完成相應(yīng)的耐久次數(shù)的目的，需要環(huán)境試驗(yàn)箱為DUT提供一個(gè)外部的模擬環(huán)境；通過上位機(jī)軟件的控制，實(shí)現(xiàn)在不同溫濕度的環(huán)境下按壓DUT，達(dá)到相應(yīng)的耐久次數(shù)；試驗(yàn)過程中需要通過測(cè)試工裝來(lái)執(zhí)行按壓DUT的動(dòng)作，同時(shí)需要監(jiān)控按壓的過程。

2.2 耐久測(cè)試持續(xù)時(shí)間的計(jì)算方式

通過耐久測(cè)試持續(xù)時(shí)間的計(jì)算，可以得出DUT在每個(gè)溫濕度下耐久測(cè)試持續(xù)的時(shí)間和耐久測(cè)試完成所需的總時(shí)間。下面介紹耐久測(cè)試持續(xù)時(shí)間的計(jì)算方法。

3 耐久測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)表4所述的功能，耐久測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由供電模塊、環(huán)境試驗(yàn)箱、氣缸控制器、測(cè)試工裝、CAN卡和主控制模塊組成。

3.1 供電模塊

供電系統(tǒng)使用220 V交流電對(duì)直流電源、環(huán)境試驗(yàn)箱、電腦、氣缸控制器進(jìn)行供電。其中直流電源為DUTs供電。

3.2 環(huán)境試驗(yàn)箱

環(huán)境試驗(yàn)箱可以根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置相應(yīng)的高溫、低溫和濕度，從而為DUTs提供一個(gè)外部的模擬環(huán)境。本文選用的環(huán)境試驗(yàn)箱的參數(shù)為：內(nèi)部空間大約為1 000 L，溫度控制范圍為-40～+180 ℃，濕度控制范圍為10%到98%RH。

3.3 氣缸控制器

氣缸控制器通過線束與電磁閥連接，電磁閥通過氣管與氣缸連接，如圖2所示。氣缸控制器通過接收上位機(jī)的指令，控制電磁閥的開閉，從而使氣缸完成伸出和縮回的動(dòng)作。

3.4 測(cè)試工裝

使用測(cè)試工裝是為了便于固定DUTs，同時(shí)為其提供一個(gè)模擬實(shí)車的安裝條件。根據(jù)產(chǎn)品的特征，集成在測(cè)試工裝上的氣缸模塊通過接收氣缸控制器的指令，使氣缸執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境條件下對(duì)DUTs按壓的能力。測(cè)試工裝上通常有6個(gè)工位可以安裝DUT進(jìn)行同時(shí)測(cè)試。

3.5 CAN

CAN具有多主優(yōu)先級(jí)總線訪問、非破壞性仲裁機(jī)制、配置靈活、錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)重傳等特點(diǎn)[9]，被廣泛應(yīng)用于道路車輛控制領(lǐng)域。DUTs通過CAN連接，搭建一個(gè)模擬實(shí)車通信模式的場(chǎng)景。

3.6 主控制模塊

主控制模塊主要包含電腦和上位機(jī)軟件。以上位機(jī)為中樞系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制和交互：通過CAN與DUTs建立模擬實(shí)車通信的模式；通過實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)關(guān)控制環(huán)境試驗(yàn)箱；通過氣缸控制器控制氣缸模塊；同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的信息交換、試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄等功能。

4 耐久測(cè)試系統(tǒng)軟件的開發(fā)

本文選用LabVIEW測(cè)試軟件，結(jié)合測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行耐久測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)。該軟件使用“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”的主體架構(gòu)[10]，采用圖3所示的基本流程框圖。該軟件的運(yùn)行邏輯為：首先選擇硬件，然后配置相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，點(diǎn)擊開始運(yùn)行，軟件根據(jù)配置的試驗(yàn)參數(shù)按步驟運(yùn)行，直至耐久次數(shù)達(dá)到后結(jié)束，試驗(yàn)過程采集并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

耐久測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要包含6個(gè)模塊：DUT功能交互模塊、環(huán)境試驗(yàn)箱控制模塊、氣缸控制模塊、試驗(yàn)參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)顯示模塊。軟件的界面如圖4所示。

4.1 DUT功能交互模塊設(shè)計(jì)

本文使用Vector公司型號(hào)為VN1640的物理接口卡。在“DUT Configuration”軟件界面內(nèi)，配置DUT參數(shù)并選擇對(duì)應(yīng)的CAN通道，通過CAN通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)DUT與耐久測(cè)試軟件之間的功能交互。在“CAN”軟件界面內(nèi)，實(shí)時(shí)顯示DUT功能交互情況。

4.2 環(huán)境試驗(yàn)箱控制模塊設(shè)計(jì)

在“Climate Control”軟件界面內(nèi)，配置IP地址、溫箱的編號(hào)等參數(shù)，通過環(huán)境試驗(yàn)箱上位機(jī)和實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫箱的控制與數(shù)據(jù)交換。環(huán)境試驗(yàn)箱的控制如圖5所示。

4.3 氣缸控制模塊設(shè)計(jì)

4.4 試驗(yàn)參數(shù)配置模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要分為7個(gè)部分，詳細(xì)功能如下：

a.氣缸控制器配置：通過輸入連接類型和網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)氣缸控制器與上位機(jī)的通信。

b.電磁閥配置：通過電磁閥編號(hào)與其相對(duì)應(yīng)的物理按鍵的配對(duì)，實(shí)現(xiàn)氣缸按壓動(dòng)作能夠精確地施加到目標(biāo)按鍵上。

c.按鍵按壓順序配置：可以對(duì)DUT上所有按鍵按壓的先后順序進(jìn)行管理。

d.氣缸伸縮配置：通過對(duì)氣缸伸縮動(dòng)作的分步控制，實(shí)現(xiàn)按壓時(shí)間、保持時(shí)間的設(shè)置，從而可以計(jì)算出完成一次按壓需要的時(shí)間。

e.按鍵狀態(tài)判斷配置：在氣缸伸縮配置的每一個(gè)分步中，設(shè)置按鍵狀態(tài)值判斷和判斷等待時(shí)間，以便于測(cè)試軟件對(duì)每一次按壓過程進(jìn)行判定，從而利于對(duì)失效次數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

f.按鍵次數(shù)配置：設(shè)置每一個(gè)按鍵需要按壓的耐久次數(shù)。

g.溫濕度和耐久次數(shù)的分布負(fù)載譜配置：根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和需求，設(shè)置溫濕度和與其相對(duì)應(yīng)的耐久循環(huán)次數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)在不同的溫濕度下完成相應(yīng)的耐久次數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法，配置不同的試驗(yàn)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)在不同的溫濕度下，有序地按壓DUT到指定的次數(shù)，同時(shí)記錄整個(gè)過程中按鍵的狀態(tài)并進(jìn)行判定。

4.5 數(shù)據(jù)記錄模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)記錄模塊的功能是記錄試驗(yàn)過程中的事件數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤信息。在“Data View”軟件界面內(nèi)，記錄每個(gè)按鍵信號(hào)被觸發(fā)的次數(shù)和每一次按壓的事件數(shù)據(jù)。在“Wago Control”軟件界面內(nèi)，記錄每一次耐久測(cè)試的完成情況。通過記錄這幾類數(shù)據(jù)，便于快速分析試驗(yàn)結(jié)果。

4.6 試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)顯示模塊設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)顯示模塊的功能是實(shí)時(shí)顯示DUT功能的交互情況和耐久試驗(yàn)的執(zhí)行過程。在“Data View”軟件界面內(nèi)，實(shí)時(shí)顯示按鍵被觸發(fā)的次數(shù)。在“Wago Control”軟件界面內(nèi)，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境試驗(yàn)箱的溫濕度，氣缸動(dòng)作的狀態(tài)和按鍵按壓的情況。在“Visu”軟件界面內(nèi)，按照DUT外觀視圖呈現(xiàn)，便于觀察和判斷按鍵的功能，按壓的順序，DUT的連接是否正常等信息。

5 耐久測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

選用主流汽車主機(jī)廠，同時(shí)具有多功能交互功能的開關(guān)作為測(cè)試對(duì)象，以F、G、H、I、J、K、L、M命名，這些產(chǎn)品分布在汽車座艙的中控區(qū)域、行駛區(qū)域和方向盤上，產(chǎn)品涉及的操作模式有物理按鍵式和觸控式。通過這8個(gè)典型項(xiàng)目耐久試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)耐久測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行下的穩(wěn)定性、文件記錄情況、軟件是否便于使用等方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，匯總結(jié)果見表5。

由表5可知，該耐久測(cè)試系統(tǒng)適用于多個(gè)主機(jī)廠不同類型的多功能交互開關(guān)的耐久試驗(yàn)。在多DUT并行測(cè)試下，該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，且便于試驗(yàn)參數(shù)的配置和測(cè)試過程的監(jiān)控，試驗(yàn)結(jié)果便于分析，提高了測(cè)試效率。

6 結(jié)語(yǔ)

研究了不同主機(jī)廠對(duì)多功能交互開關(guān)按壓耐久的測(cè)試要求，開發(fā)了以氣缸為核心驅(qū)動(dòng)且基于LabVIEW軟件的耐久測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)該耐久測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)多個(gè)主機(jī)廠不同類型的多功能交互開關(guān)的耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證了本耐久測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在測(cè)試應(yīng)用方面，該系統(tǒng)通過更換測(cè)試工裝、局部更新測(cè)試軟件模塊，即可滿足不同產(chǎn)品的耐久測(cè)試需求，具有通用性和易擴(kuò)展性的特點(diǎn)。使用該系統(tǒng)不僅縮短了產(chǎn)品耐久性驗(yàn)證的周期，還提高了工程師對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析的效率。本研究為汽車多功能交互開關(guān)耐久測(cè)試提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉昆，孟健，郁淑聰展望未來(lái)智能汽車人機(jī)交互：多模態(tài)融合感知技術(shù)成為趨勢(shì)[J]汽車與配件，2022（21）：56-58

[2]王在昌，吳峰汽車開關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2019（9）：241-244

[3]唐伎玲，費(fèi)樹明，王樂樂，等嵌入式汽車開關(guān)耐久性檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)接口[J]長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（6）：608-612

[4]李念峰，趙丹華，高鵬，等車用儀表開關(guān)疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)研究[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication（SEMC 2011 V1），2011：332-334

[5]白瑤，黃昶分布式實(shí)時(shí)車用開關(guān)耐久性測(cè)試原理[J]信息技術(shù)，2012，36（11）：140-141+144

[6]李尚林基于LabVIEW的玻璃升降器耐久測(cè)試設(shè)備研究[D]長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2020

[7]唐伎玲，費(fèi)樹明車用組合開關(guān)耐久性檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)[J]汽車技術(shù)，2020（5）：59-62

[8]費(fèi)樹明汽車組合開關(guān)耐久性檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D]長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2019

[9]ISO 11898-1：2015-12 Road vehicles-Controller area network（CAN）-Part 1：Data link layer and physical signalling[S]

[10]陳樹學(xué)，劉萱LabVIEW寶典[M]2版北京：電子工業(yè)出版社， 2017

作者簡(jiǎn)介：

林搖杰，男，1987年，工程師，研究方向?yàn)槠囯娮赢a(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。