汽車超容模組自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳春 吳育華 熊亮

摘 要：討論了汽車超容模組的測試要求和方法，介紹了基于策略模式的自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及各功能模塊的實(shí)現(xiàn)。采用了分層、分模塊的軟件設(shè)計(jì)思想，使用了面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Java，在Eclipse RCP框架的基礎(chǔ)上快速搭建出了基于策略模式的自動(dòng)化測試系統(tǒng)。將不同的測試功能封裝成不同的測試用例，并支持設(shè)置測試參數(shù)，保證了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。硬件使用了多種上位機(jī)擴(kuò)展板卡和測試設(shè)備，并根據(jù)A/D采樣擴(kuò)展板的采樣頻率計(jì)算出了超容放電精確時(shí)間。系統(tǒng)操作簡單，測試效率高，具有較高正確性和穩(wěn)定性，經(jīng)受住了生產(chǎn)測試的反復(fù)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：超容模組;自動(dòng)測試;面向?qū)ο?設(shè)計(jì)模式

1 引言

現(xiàn)階段使用超級(jí)電容啟動(dòng)的燃油或混合動(dòng)力汽車越來越多[1]，它不僅可以延長汽車蓄電池使用壽命，降低汽車怠速油耗，而且可以很好的提升汽車駕駛體驗(yàn)[2]。沃爾沃公司的某款混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)使用的就是稊米汽車公司為其量身定制的超容模組，它包含五個(gè)串聯(lián)超容單體和一個(gè)保護(hù)控制電路板，對(duì)外輸出12V電壓，啟動(dòng)瞬間電流可達(dá)150A以上，一次充電可滿足汽車啟動(dòng)四次的需要。超容模組串聯(lián)在汽車蓄電池和啟動(dòng)電機(jī)之間，啟動(dòng)時(shí)完全依賴超容供電，從而徹底避免了啟動(dòng)放電對(duì)蓄電池造成的不利影響，接線方式如下圖所示：

汽車工業(yè)對(duì)電子零部件的質(zhì)量有著極高的要求，超容模組的作用是為汽車啟動(dòng)提供電能，一旦出現(xiàn)故障汽車就無法啟動(dòng)，嚴(yán)重影響汽車出行安全。為保證每件超容模組穩(wěn)定、可靠，出廠前的功能測試是必不可少的，測試涉及三項(xiàng)功能，即：充放電、靜態(tài)電流和反向支撐。充電測試用于驗(yàn)證超容充滿電后電壓和放電后測量的電壓是否在預(yù)期范圍內(nèi);靜態(tài)電流測試用于驗(yàn)證待機(jī)和休眠時(shí)輸出電流是否足夠小，避免存在漏電的可能性;反向支撐測試用于驗(yàn)證超容工作電流大小和持續(xù)時(shí)間是否達(dá)到啟動(dòng)電機(jī)工作要求。由于測試過程復(fù)雜，為滿足大批量生產(chǎn)制造需要，一套全自動(dòng)的測試系統(tǒng)是必不可少的，下文將詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)原理。

2 系統(tǒng)控制流程

本系統(tǒng)的上位機(jī)安裝了I/O擴(kuò)展板卡和A/D采樣擴(kuò)展板卡，前者用于繼電器斷開閉合狀態(tài)查詢和控制，后者用于超容模組A、B、Umeas三個(gè)端子和A端子外接導(dǎo)線上CT電壓值的實(shí)時(shí)監(jiān)測。除工控機(jī)外，測試使用的儀器還包括：可編程直流電源、高精度數(shù)字萬用表、電子負(fù)載，具體連接關(guān)系如下圖所示：

所有繼電器初始狀態(tài)均為斷開，當(dāng)繼電器K1、K2、S1閉合時(shí)超容模組開始充電執(zhí)行充電測試，繼電器K2、K3閉合時(shí)超容模組進(jìn)入休眠狀態(tài)執(zhí)行靜態(tài)電流測試，繼電器S1、K1閉合時(shí)超容模組開始放電執(zhí)行反向支撐測試。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

在自動(dòng)測試系統(tǒng)中，軟件提供用戶與測試設(shè)備之間、測試程序與控制模型之間的操作接口，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行與測試系統(tǒng)相關(guān)的控制模型，是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心[3]。為了提高軟件的通用性、可移植性和擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用了分層、分模塊的設(shè)計(jì)思想，從上至下依次為：應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層、基礎(chǔ)組件層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，如下圖所示：

應(yīng)用層提供完整的人機(jī)交互界面，輔助用戶完成測試控制和管理;業(yè)務(wù)邏輯層包含測試邏輯、用例數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)訪問接口;基礎(chǔ)組件層包含了儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)庫訪問接口，其上層使用時(shí)無需了解儀器設(shè)備操作原理[3];數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了設(shè)備信息、設(shè)備參數(shù)、測試用例庫、測試結(jié)果、用戶權(quán)限等信息，系統(tǒng)配置包括測試儀器通信和界面操作習(xí)慣參數(shù)。系統(tǒng)使用Java語言開發(fā)，采用Eclipse RCP框架作為快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的手段。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 儀器通信與擴(kuò)展板控制

充電測試使用RJ45網(wǎng)口與GW INSTEK可編程直流電源通信，使用Socket通信接口向固定IP地址和端口發(fā)送命令字符串，例如：輸出15V電壓和30A電流的命令為“：APPL 15.0，30.0”。靜態(tài)電流的測量使用RS232串口與FLUKE高精度數(shù)字萬用表通信，使用Javax擴(kuò)展的串口通信接口，例如：查詢電流為“MEAS：curr：dc？”。超容放電使用USB口與Chroma電子負(fù)載通信，使用JNA本地調(diào)用接口調(diào)用NIVISA函數(shù)庫[4]發(fā)送命令，例如：啟動(dòng)命令為“LOAD ON”，停止命令為“LOAD 0”。研華I/O擴(kuò)展板卡使用自帶的Java驅(qū)動(dòng)程序庫對(duì)繼電器狀態(tài)進(jìn)行查詢和控制。A/D采樣擴(kuò)展板卡調(diào)用本地NIDAQmx函數(shù)庫設(shè)置采樣參數(shù)、執(zhí)行和停止采樣。

3.2.2 測量與計(jì)算

系統(tǒng)中A/D采樣擴(kuò)展板卡最大頻率為10000Hz，存在量測噪聲[3]，下圖左側(cè)是在充電過程中每間隔1秒量測的UB瞬時(shí)值繪制的趨勢圖，上下波動(dòng)十分明顯，而根據(jù)超容的物理特性可知在充滿之前電壓只會(huì)上升，不會(huì)下降，這顯然是受到了量測噪聲影響。為了避免噪聲帶來的影響，我們將量測瞬時(shí)值改成平均值，即每次采集10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將它們的平均值作為量測值繪制出下圖右側(cè)趨勢線，結(jié)果和理論預(yù)期效果一致。

反向支撐測試中超容模組放電時(shí)間的統(tǒng)計(jì)是另外一個(gè)無法直接量測的值，模組的放電時(shí)間比電子負(fù)載設(shè)置的放電時(shí)間要小，而電子負(fù)載沒有統(tǒng)計(jì)實(shí)際放電的時(shí)間。因此我們嘗試使用A/D采樣擴(kuò)展板卡采樣頻率穩(wěn)定的特點(diǎn)來間接計(jì)算放電時(shí)間，即先根據(jù)頻率推算出兩次采樣時(shí)間間隔為100微秒，然后統(tǒng)計(jì)出放電過程中采樣點(diǎn)大于等于放電電流的點(diǎn)數(shù)N，即可算出總放電時(shí)間為N×100微秒。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，該方法的統(tǒng)計(jì)精度和穩(wěn)定性均滿足測試要求。

3.2.3 設(shè)計(jì)模式

測試邏輯層采用面向?qū)ο蟮牟呗阅Ｊ?，即把這些測試方法都封裝成一個(gè)類，它們都實(shí)現(xiàn)相同的接口。其優(yōu)點(diǎn)是可以靈活的添加新用例或?qū)ΜF(xiàn)有的用例進(jìn)行升級(jí)替換，而不影響原有的功能，既滿足高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)原則，又可最大程度上復(fù)用現(xiàn)有代碼。

3.3 人機(jī)界面

執(zhí)行測試時(shí)，用戶需在窗口左側(cè)掃描輸入產(chǎn)品條碼，條碼校驗(yàn)通過后自動(dòng)啟動(dòng)測試。測試過程中“控制臺(tái)”界面會(huì)輸出繼電器動(dòng)作信息和電流電壓測量值，一旦某個(gè)用例不通過立即彈出警告提示框終止測試，測試完可在下方“測試用例”表格中查看測試數(shù)據(jù)和結(jié)果?！安樵冇涗洝苯缑婵刹樵儦v史記錄、導(dǎo)出測試報(bào)告?！坝美渲谩苯缑婵蔀椴煌吞?hào)配置測試用例，如圖5所示。

4 結(jié)果

根據(jù)超容模組設(shè)計(jì)要求充電測試須在90秒內(nèi)完成，且電壓在13.2±0.2V范圍內(nèi);待機(jī)和休眠電流分別小于0.1A和0.1mA;當(dāng)放電電流分別為280A、200A、500A時(shí)反向支撐時(shí)間分別在[15， 25]毫秒、[30， 45]毫秒、小于500微秒范圍內(nèi)。當(dāng)某件產(chǎn)品三項(xiàng)測試全部通過時(shí)認(rèn)定為合格，否則只要一項(xiàng)不通過就認(rèn)定為不合格。本系統(tǒng)經(jīng)受住了1000件以上產(chǎn)品測試的驗(yàn)證，能夠100%發(fā)現(xiàn)超容模組的產(chǎn)品缺陷，為產(chǎn)品質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過控制多種儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)了汽車超容模組功能的自動(dòng)化測試，界面友好，操作簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)受住了長時(shí)間生產(chǎn)運(yùn)行的考驗(yàn)。利用均值處理消除了A/D采樣噪聲，利用A/D采樣頻率精確計(jì)算了超容放電時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，擴(kuò)展性好，可根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)配置測試邏輯和判斷條件，最大程度上復(fù)用了原有功能代碼，對(duì)其它自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)有較高的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙旭哲.混合動(dòng)力汽車用超級(jí)電容及其關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2014（10）：82-87.

[2]王鑫.超級(jí)電容器在汽車啟動(dòng)中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2006（05）：57-59.

[3]楊文，黃文濤.通用自動(dòng)測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25（01）：79-83.

[4]王海霞，顏桂定，李寶輝，劉曉燕，王軼.直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（03）：264-269.

作者簡介：陳春（1980-），男，湖北孝感人，工程碩士，工程師中級(jí)，研究方向：軟件工程。