高壓共軌ECU下線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

孫立行，周文華，聶 飛

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)不但可以降低柴油機(jī)的噪聲和排放，也有利于提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。高壓共軌系統(tǒng)中的核心部件是ECU，開發(fā)高效成熟的ECU下線測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。

目前，博世、德爾福等ECU供應(yīng)商已掌握成熟的ECU測(cè)試技術(shù)。在國內(nèi)，ECU功能測(cè)試系統(tǒng)國產(chǎn)化成為重要一環(huán)?；赿SPACE的汽車電控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試，可對(duì)ECU進(jìn)行全功能測(cè)試，但價(jià)格昂貴、測(cè)試步驟復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長，無法部署在生產(chǎn)線上[3]。基于信號(hào)模擬設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)可以完成ECU各類輸入信號(hào)的仿真，但其測(cè)試過程需要人工干預(yù)，不適用于自動(dòng)測(cè)試[4]。上海交通大學(xué)基于PXI平臺(tái)搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元測(cè)試系統(tǒng)采用探針直接連接ECU測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試板卡，對(duì)工裝夾具的設(shè)計(jì)要求極高[5]。

本研究基于NI PXI平臺(tái)構(gòu)建完成下線測(cè)試臺(tái)搭建，設(shè)計(jì)出高測(cè)試效率且功能完善的高壓共軌ECU下線測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

高壓共軌ECU功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 高壓共軌ECU功能結(jié)構(gòu)框圖

下線測(cè)試系統(tǒng)整體方案如下：模擬ECU各個(gè)傳感器信號(hào)，同時(shí)上位機(jī)通過CAN通訊讀取ECU對(duì)應(yīng)傳感器信號(hào)的測(cè)量量，若測(cè)量量近似等于模擬信號(hào)設(shè)定值，即可認(rèn)為ECU輸入模塊、存儲(chǔ)模塊、CAN通信模塊和單片機(jī)無任何故障；同理上位機(jī)通過CAN通訊更改輸出信號(hào)標(biāo)定量，同時(shí)采集輸出信號(hào)，若標(biāo)定值近似等于采集值，即可認(rèn)為ECU單片機(jī)和輸出模塊無任何故障。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 下線測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高壓共軌ECU下線測(cè)試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)夾具控制功能?？刂茪獗脢A具等實(shí)現(xiàn)ECU和測(cè)試線束之間的自動(dòng)裝夾,以提高ECU下線測(cè)試效率；

(2)電源可編程控制功能。為實(shí)現(xiàn)ECU的自動(dòng)上下電和多款ECU的供電，通過串行通信控制程控電源調(diào)節(jié)ECU電源電壓；

(3)程序燒錄功能。由于后續(xù)測(cè)試項(xiàng)包括ECU部分功能的驗(yàn)證，需要在測(cè)試前完成MCU引導(dǎo)程序和共軌控制程序燒錄；

(4)CAN通信功能。使上位機(jī)可以正確地讀取ECU對(duì)應(yīng)標(biāo)定量和測(cè)量量的數(shù)值；

(5)輸入信號(hào)模擬功能。分析ECU輸入信號(hào)特征，模擬各種輸入信號(hào)以替代傳感器信號(hào)，包括各種常見的故障信號(hào)；

(6)輸出信號(hào)采集功能。分析ECU輸出信號(hào)特征，精確地采集對(duì)應(yīng)各種執(zhí)行器的輸出信號(hào)；

(7)故障注入功能。完成開路、對(duì)地短路和對(duì)電源短路等執(zhí)行器故障的模擬，進(jìn)而判斷ECU能否監(jiān)測(cè)到執(zhí)行器故障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ECU下線測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括主控制器、燒錄設(shè)備、CAN通訊設(shè)備、傳感器信號(hào)模擬板卡、控制信號(hào)采集板卡等。6缸柴油機(jī)信號(hào)類型、要求、數(shù)量以及板卡選擇如表1所示。

表1 板卡選擇

此外，燒錄設(shè)備采用Infineon DAP miniWiggler；可編程直流電源采用TDK-Lambda GEN30-5；電流變送器選用星暉LHB-D-Y2負(fù)責(zé)將噴油電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以便示波器板卡采集；掃碼槍負(fù)責(zé)讀取ECU上的條形碼。

下線測(cè)試臺(tái)線束分為測(cè)試設(shè)備端和ECU端，測(cè)試設(shè)備端將所有板卡資源通過接線盒整理到216芯連接器母端；ECU端將所有ECUpin腳連接到216芯連接器公端。測(cè)試不同款ECU時(shí)僅需要更換ECU端線束，避免復(fù)雜接線。

測(cè)試臺(tái)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下線測(cè)試系統(tǒng)軟件主要采用NI LabVIEW和TestStand進(jìn)行開發(fā)，其中，LabVIEW是專為測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程軟件，適合測(cè)試軟件的開發(fā)[6]。TestStand是一款行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試管理軟件，可幫助測(cè)試和驗(yàn)證工程師更快速構(gòu)建和部署自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。TestStand支持多種測(cè)試代碼語言、靈活的報(bào)表生成和并行/多線程測(cè)試[7-8]。

本文將系統(tǒng)軟件由下及上分為3層：代碼模塊層、測(cè)試序列層和用戶界面層。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 代碼模塊層

代碼模塊采用LabVIEW軟件開發(fā)，用來實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)試項(xiàng)或非測(cè)試相關(guān)動(dòng)作。測(cè)試項(xiàng)包括電源連接測(cè)試、CAN通訊測(cè)試、輸入信號(hào)測(cè)試、輸出信號(hào)測(cè)試、輸入信號(hào)故障測(cè)試、執(zhí)行器故障測(cè)試等。非測(cè)試相關(guān)動(dòng)作指不直接與被測(cè)單元功能驗(yàn)證相關(guān)聯(lián)的任務(wù)，包含夾具控制、電源控制、程序燒寫、條形碼掃描等。下面以輸入信號(hào)測(cè)試下的曲軸位置信號(hào)測(cè)試項(xiàng)為例進(jìn)行代碼模塊設(shè)計(jì)介紹，曲軸位置信號(hào)測(cè)試項(xiàng)主要包括信號(hào)模擬和ECU對(duì)應(yīng)變量讀取兩部分。

磁電式曲軸位置傳感器輸出信號(hào)近似為正弦信號(hào)，在缺齒處會(huì)出現(xiàn)一定量的形變。曲軸模擬信號(hào)使用標(biāo)準(zhǔn)正弦波和部分圓弧拼接翻轉(zhuǎn)而成，拼接時(shí)要保證拼接點(diǎn)t0對(duì)齊且匹配[9]。模擬信號(hào)通過DAQ配置PXI-6733板卡輸出，模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)速、幅值、總齒數(shù)和缺齒數(shù)均可自由配置，以適應(yīng)不同工況和曲軸齒盤。

下線測(cè)試端變量測(cè)量采用命令控制模式，這種模式實(shí)現(xiàn)簡單，適合單個(gè)變量測(cè)量。本研究使用ECU Measurement and Calibration Toolkit解析A2l文件，獲取CAN_ID和BAUDRATE完成CAN卡和ECU的通訊連接；查詢A2l文件中Epm_nEng(曲軸轉(zhuǎn)速變量名)對(duì)應(yīng)地址，聯(lián)合使用SET_MTA和UPLOAD命令，上傳對(duì)應(yīng)地址數(shù)據(jù)[10]。

最后封裝曲軸信號(hào)測(cè)試子VI，輸入端口為轉(zhuǎn)速設(shè)定值、幅值、總齒數(shù)、缺齒數(shù)、A2l地址、變量名，輸出端口為轉(zhuǎn)速測(cè)量值和故障信息。

3.2 測(cè)試序列層

序列層使用TestStand開發(fā)，用于管理和執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)，主體使用順序過程模型，分為功能測(cè)試序列和處理模式序列兩部分。

功能測(cè)試序列負(fù)責(zé)依據(jù)測(cè)試需求配置測(cè)試項(xiàng)和非測(cè)試相關(guān)動(dòng)作，即封裝好的代碼模塊，功能執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 功能序列執(zhí)行流程圖

其中,配置信息從ini文件中讀取，包含測(cè)試用例設(shè)置、測(cè)試步驟的Pass/Fail條件和hex、A2l文件路徑等。電壓、電阻信號(hào)測(cè)試和電源連接測(cè)試步驟使用Numeric Limit Test；頻率和噴油信號(hào)測(cè)試步驟使用Multiple Numeric Limit Test；開關(guān)信號(hào)測(cè)試步驟使用Pass/Fail Test；CAN通訊測(cè)試和程序燒寫步驟使用String Value Test；夾具控制等非測(cè)試相關(guān)動(dòng)作步驟使用Action；測(cè)試主序列調(diào)用測(cè)試子序列或不同線程序列測(cè)試步驟使用SequenceCall。所有步驟均在打開序列文件時(shí)加載，以提高測(cè)試效率。

處理模式序列主要負(fù)責(zé)序列號(hào)追蹤、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫記錄，采用各自對(duì)應(yīng)的回調(diào)序列進(jìn)行修改配置。以報(bào)告生成為例，一個(gè)完整的測(cè)試報(bào)告包括表頭、主體和表尾3個(gè)部分。表頭包含工作站ID、操作員、測(cè)試起始時(shí)間等基本信息；主體包含詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)；表尾包含一些腳注或商標(biāo)信息。在具體測(cè)試步驟Module屬性框中勾選“Log”選項(xiàng)就可以將對(duì)應(yīng)變量記錄到報(bào)告主體中。自定義表頭和表尾需要分別修改ModifyReportHeader和ModifyReportFooter序列。ModifyReportHeader序列的重要參數(shù)是Parameters.ReportHeader,表頭的所有信息都儲(chǔ)存在這個(gè)參量中。比如在回調(diào)序列中添加表達(dá)式：Parameters.ReportHeader=“”+ Parameters.ReportHeader,就可以在表頭部分添加公司Logo。

3.3 用戶界面層

TestStand自帶的圖形化界面適用于前期序列的開發(fā)和調(diào)試，但是對(duì)于生產(chǎn)線上的操作人員來說過于復(fù)雜，因此需要使用LabVIEW軟件額外設(shè)計(jì)簡單直觀的測(cè)試界面。由于直接從底層調(diào)用TestStand API，編程工作量巨大，本文使用基于ActiveX的TestStand UI控件進(jìn)行用戶界面開發(fā)。其中應(yīng)用程序管理控件負(fù)責(zé)加載或卸載序列文件和啟動(dòng)執(zhí)行；序列文件試圖管理控件負(fù)責(zé)追蹤當(dāng)前執(zhí)行序列；執(zhí)行視圖管理控件負(fù)責(zé)更新當(dāng)前測(cè)試的報(bào)告內(nèi)容。對(duì)TestStand UI控件的編程主要使用了屬性節(jié)點(diǎn)、方法節(jié)點(diǎn)和注冊(cè)回調(diào)事件等。

用戶界面設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 用戶界面設(shè)計(jì)流程

出于測(cè)試系統(tǒng)管理和安全角度的考慮，本研究將測(cè)試系統(tǒng)用戶分為操作員和技術(shù)員兩組，操作員只可以執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試，技術(shù)員還可以使用測(cè)試參數(shù)配置、測(cè)試序列修改和查看數(shù)據(jù)庫等功能。通過用戶界面識(shí)別不同的用戶權(quán)限，將操作員不具備操作權(quán)限的選項(xiàng)設(shè)置成灰色不可選取狀態(tài)。

操作員用戶界面如圖7所示。

圖7 操作員使用界面

4 測(cè)試系統(tǒng)分析與驗(yàn)證

4.1 需求覆蓋度分析

高壓共軌ECU功能復(fù)雜、測(cè)試需求繁多，為避免對(duì)關(guān)鍵需求的疏忽以及驗(yàn)證測(cè)試序列的完整性[11]，本研究采用NI需求管理軟件 (Requirements Gateway)創(chuàng)建測(cè)試系統(tǒng)需求文檔、應(yīng)用程序和測(cè)試報(bào)告之間的追蹤關(guān)系，生成追蹤和影響分析報(bào)告，總體的需求覆蓋度檢查結(jié)果如圖8所示。

圖8 需求覆蓋度檢查結(jié)果

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際測(cè)試過程中，操作人員只需要將待測(cè)ECU放到工位上，點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，使用掃碼槍讀取ECU條形碼信息，測(cè)試完成后取下待測(cè)ECU根據(jù)測(cè)試結(jié)果分類放置，測(cè)試結(jié)果基本不受操作員操作影響，滿足測(cè)試系統(tǒng)可再現(xiàn)性要求[12]。測(cè)試系統(tǒng)采用的軟、硬件都是成熟的商架產(chǎn)品，滿足測(cè)試系統(tǒng)可重復(fù)性、線性和穩(wěn)定性方面的要求。該測(cè)試系統(tǒng)已部署在ECU測(cè)試生產(chǎn)線上，目前已完成BRE4.2-2Y24V001、BRE4.2-4Y24V001、BRE4.2-6Y24V001等3款ECU的下線測(cè)試，其中BRE4.2-4Y24V001已開始小批量供貨。

5 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)和CAN通訊，本研究完成了高壓共軌ECU下線測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)。測(cè)試系統(tǒng)可在90 s內(nèi)完成單個(gè)高壓共軌ECU的一鍵測(cè)試，保證了ECU生產(chǎn)的可靠性和ECU測(cè)試的高效性。

測(cè)試系統(tǒng)將所有的測(cè)試項(xiàng)封裝成代碼模塊，當(dāng)測(cè)試需求發(fā)生變化時(shí)，軟件開發(fā)工程師只需要根據(jù)需求和軟件之間的追蹤關(guān)系對(duì)測(cè)試序列進(jìn)行修改，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試軟件的快速迭代，從而降低測(cè)試成本和加快生產(chǎn)周期。

由于缺乏ECU故障數(shù)據(jù)，當(dāng)ECU測(cè)試不通過時(shí)，只能得到大概的故障區(qū)域，無法根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)將故障精準(zhǔn)定位到具體元件。