基于虛擬儀器技術的發動機ECU自動測試系統

李秀娟，徐惠鋼，謝啟

(1.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221008;2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

基于虛擬儀器技術的發動機ECU自動測試系統

李秀娟1，2，徐惠鋼2，謝啟2

(1.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221008;2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

論述了基于虛擬儀器技術的汽車發動機ECU自動測試系統的設計，利用各種高精度的板卡模擬ECU各路傳感器信號并對ECU進行輸出負載仿真，同時通過CAN通訊對其進行監控。軟件設計部分選用TestStand作為測試管理軟件，利用LabVIEW編寫子VI以模塊的形式作為測試序列中的測試項進行測試。最后對系統的測試結果進行分析，驗證了系統的可靠性和穩定性。

虛擬儀器;發動機ECU;自助測試系統;TestStand;LabVIEW

0 前言

隨著汽車行業與電子技術的快速發展，越來越多的汽車采用電子控制單元，作為汽車主控單元的發動機也不例外。發動機控制單元 (ECU，Engine Control Unit)也就是車載電腦，其工作原理是采集與ECU相連的各路傳感器的信號進行運算，并將運算的結果轉變為控制信號，用來對發動機的點火、噴油、空燃比、廢氣再循環等多項參數的控制［1－2］。由于人們對汽車的動力性能、安全性能、燃油經濟性能以及環保性能的要求不斷提高，發動機ECU的復雜程度也在不斷提高，從而使發動機ECU的測試項不斷增加。發動機ECU測試是發動機ECU開發和生產過程中的重要環節，開發出高效的發動機ECU測試平臺對其研發和生產具有重要意義。

近年來，計算機技術、虛擬儀器技術及各種總線技術的快速發展，使得基于虛擬儀器的自動測試系統在各種產品的功能檢測和最終質量檢測中得到了廣泛應用。本文作者采用先進的虛擬儀器圖形化開發環境LabVIEW作為軟件平臺，以TestStand作為測試執行管理軟件，設計出了一套發動機ECU自動測試系統。

1 測試方案設計

測試系統利用各種板卡模擬發動機ECU各路傳感器的信號，使用負載箱對發動機ECU的各路輸出負載進行模擬，包括正常帶載和故障仿真，通過上位機以CCP協議發送CAN通訊命令，再對發動機ECU進行實時信號采集，將采集的數據與事先保存在Excel中的標定數據的上下限進行比較并判斷其是否在標定數據的上下限范圍內。如果采集的數據全部在標定數據的上下限范圍內，則被測ECU合格;如果采集的數據有一項不在標定數據的上下限范圍內，則被測ECU不合格。整個測試系統主要完成以下測試項:

(1)連接性測試

在產品不上電的情況下，通過配置矩陣開關卡來連接DMM與產品待測管腳，并將DMM設置為電阻測量，根據DMM讀取的電阻值來判定測試結果。

(2)上拉下拉電阻測試

上拉電阻測試即測量產品待測管腳與電源之間的阻值，下拉電阻測試即測量產品待測管腳與地之間的阻值。

(3)上電測試

配置可編程電源來供給產品相應電壓，并設置點火開關為不同的狀態，通過DMM讀取產品消耗的電流及各傳感器電源端的電壓值。

(4)輸出漏電流測試

將輸出管腳設置為高阻態，再測試輸出管腳上的電流大小。

(5)通信測試

按照CAN通信協議發送相關指令，讀取返回值。(6)輸入信號測試

對于開關輸入信號，將被測ECU的數字輸入管腳切換到電源正端或地，對于模擬輸入信號，利用模擬輸出板卡產生相應的電壓，對于頻率輸入信號，利用波形卡生成正弦波或方波信號，然后經過信號調理板卡將信號輸出給被測ECU，再通過CAN通訊讀取相關數據。

(7)輸出信號測試

對于開關輸出信號，將輸出端連接到仿真負載箱上，通過CAN通訊發出開/關命令，用DMM依次讀取各個數字輸出的電平。對于PWM輸出信號，將輸出端連接到仿真負載上，通過CAN通訊發出控制命令，用DMM依次測量輸出的波形，在軟件中計算輸出波形的電平、頻率、占空比等。

(8)故障測試

通過配置負載箱各路負載的接通或斷開設置被測ECU為不同的輸出故障，包括開路故障、對電源短路故障以及對地短路故障，用于判斷當ECU出現故障時，監控模塊是否能檢測出故障。

2 系統硬件設計

根據以上測試需求及發動機ECU輸入輸出信號的特點，確定測試所需的相關硬件設備，主要包括主控制器、模擬各種類型傳感器信號的設備、負載箱、可編程電源、DMM卡、矩陣開關卡、測試夾具等。整個系統的硬件結構如圖1所示。DI/O卡采用PXI-6514，它具有光隔離的32路輸入與32路輸出端口，用于對氣缸、光柵、指示燈及其他自動化元器件的監測與控制;CAN卡選用 PXI-8512，負責主控器與ECU之間的通信;PXI-6704模擬輸出卡和PXI-6733波形卡分別為ECU提供模擬輸入和頻率輸入;DMM卡選用PXI-4070，用于采集ECU輸出的電壓、電流及波形信號;可編程電源為ECU提供測試時所需的不同電壓;矩陣開關電路用于控制通道信號的接通和斷開;可編程負載用于ECU的各路輸出信號仿真及故障模擬。

圖1 測試系統硬件結構圖

3 系統軟件設計

系統采用先進的虛擬儀器圖形化開發環境Lab-VIEW作為軟件開發平臺，LabVIEW在操作界面開發、數據庫操作、程控儀器編程等方面具有顯著優勢，但由于發動機ECU測試測試項多達200多項，僅用LabVIEW作為開發工具不僅工作量大、開發周期長，而且難以維護和升級。TestStand提供了一種模塊化快速開發測控系統的方法，使用TestStand作為測試序列管理軟件具有結構清晰、模塊化程度高以及易開發、易使用、易維護等優點［3］。另外，TestStand與目前主流測試編程環境兼容，如NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio和微軟 Visual Basic 和 Visual C++ 等［4－5］。該系統選用 TestStand作為測試管理軟件，利用LabVIEW編寫子VI作為測試序列 (Sequence)中的測試項 (Step)，通過適配器接口實現TestStand和LabVIEW的結合，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的優點。最后利用Lab-VIEW編寫用戶界面，通過調用相應的TestStand API實現對測試序列的控制，LabVIEW提供了基于ActiveX的TestStand用戶控件，完成載入序列文件、執行測試步驟、顯示和保存測試結果等［6］。整個測試系統的軟件架構如圖2所示。

圖2 測試系統軟件架構圖

子VI(例如通訊連接，矩陣開關通道切換，板卡的打開、關閉等)編寫成模塊的形式方便插入到測試序列中并實現代碼重用。下面以CAN通信模塊和矩陣開關模塊為例進行軟件設計介紹。

3.1 CAN標定協議及CAN通訊模塊程序設計

經過標定的發動機ECU會將輸入信號的采集結果存放在ECU相應的內存單元中，以便為查表運算提供數據依據，所以測試系統必須通過相應的通信方式從ECU的內存單元讀取ECU的信號采集結果［7］。CCP［8］(CAN Calibration Protocol，CAN 標定協議)是基于CAN總線的ECU標定協議規范，以CAN報文的形式來實現，支持11位標準消息幀和29位擴展消息幀，CCP協議的實現依賴兩則CAN消息:命令接收對象 (CRO)和數據傳輸對象 (DTO)。在Polling通信模式下，當從設備收到主設備發送的一則CRO后，必須反饋一則DTO。

在LabVIEW中安裝相應的工具包后可以直接使用CAN通信函數，CAN通訊配置模塊程序如圖3所示。首先配置CAN網絡，主要包括設置CAN網絡接口名稱、波特率、數據大小等。然后配置CAN對象，主要設置CAN對象名稱、發送和接收ID、通信類型等，CAN對象名稱格式為“CANx::STDy”或者 “CANx::XTDy”，STD表示標準幀，XTD表示擴展幀。打開CAN以后，按照CCP協議消息傳輸格式發送和讀取數據，在程序退出時關閉CAN。

圖3 CAN通信配置模塊程序

3.2 矩陣開關模塊程序設計

在發動機ECU測試過程中，需要對多路數據進行采集，并且在不同的測試流程中需要獲取不同數據通道的信號。以往通常通過增加A/D采樣前端的模擬開關數目來解決，但同樣也增加了測試系統的復雜性以及軟件操作的重復性工作;或者采用多個分立的繼電器單獨控制，切換不同的數據通道到A/D采集，但需要較多的外接數字 I/O口，使得系統的走線十分復雜，增加了測試系統的規模［9］。該測試系統選用矩陣開關PXI-2532來實現多路通道之間的切換，它是一塊具有512個交叉點的高速矩陣開關模塊，只需要在軟件中進行配置，將需要采集的通道連接到測試儀表端口，矩陣開關模塊軟件界面如圖4所示。

圖4 矩陣開關模塊軟件界面

4 實驗結果及測試系統分析

只有確保ECU測試系統的可靠性和穩定性，才能保證被測ECU的出廠質量，那么就要對ECU測試系統進行分析。所謂測試系統分析，是指用統計學的方法來了解測試系統中的各個波動源及其對測量結果的影響，最后給出該測試系統是否合乎使用要求的明確判斷［10］。工程上通常用測試系統的重復性和再現性來研究其統計特性，也就是通常所說的“GRR研究”，傳統的方法是測試者通過手工計算。該系統在研究測試系統分析方法的基礎上，采用LabVIEW編寫分析軟件對發動機ECU測試系統進行分析。

以DMM卡測量油門傳感器電源電壓為例進行驗證，選取10個ECU樣品，由3名操作員分別進行3次測試并把測試的結果導入到軟件中進行分析運算，得到如圖5所示的分析結果。

均值圖指示測試系統是否合格，如果所有的點都在控制線內，則產品間變差淹沒在測試系統重復性誤差中，不可接受。當超出控制線的點越多且評價人都有失控點，表明測試系統辨別產品間變差的能力越強。極差圖指示操作員采取的測量方法是否一致，如果操作員都有失控點，說明測試系統對操作員的操作技術是敏感的，需要改進。圖5中均值圖和極差圖均表明該測量過程受控。系統能夠區分部件的不同類別數目為18＞5，總的量具R＆R在總變差中所占的百分比為7.21%＜10%，上述分析結果表明測試系統完全能夠勝任測量任務的要求，可用于發動機ECU產品的終檢測試。圖6為測試系統分析運算部分程序框圖。

圖5 測試系統分析界面

圖6 測試系統分析運算部分程序框圖

5 結束語

利用功能強大的TestStand測試程序管理軟件和當前最流行的虛擬儀器LabVIEW開發平臺，設計出了一套高效的發動機ECU自動測試系統，模塊化的程序設計方便用戶對測試系統的升級和維護，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的優點，不僅縮短了測試系統開發周期，而且極大地提高了測試系統的工作效率。

［1］陳虹，宮洵，胡云峰，等.汽車控制的研究現狀與展望［J］.自動化學報，2013，39(4):322 －346.

［2］王建.汽車現代測試技術［M］.北京:國防工業出版社，2013.

［3］王浩偉，陳振林，錢進，等.基于TestStand的計量軟件介紹［J］.計測技術，2009，29(6):50 －53.

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［5］NIDeveloper Zone.What is NITestStand［Z］.2012.

［6］王浩偉，陳振林，錢進，等.基于TestStand的計量軟件介紹［J］.計測技術，2009，29(6):50－53.

［7］韓偉.汽油發動機ECU綜合性能檢測系統的設計與實現［D］.武漢:武漢科技大學，2008.

［8］羅峰，孫澤昌.汽車 CAN總線系統原理、設計與應用［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［9］刁春敏.基于PXI和虛擬儀器的汽車發動機電控單元測試系統［D］.上海:上海交通大學，2010.

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Automatic Test System of ECU Based on Virtual Instrument Technology

LIXiujian1，2，XU Huigang2，XIE Qi2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China;2.School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China)

The design of ECU automatic test system based on virtual Instrumentwas discussed.Using a variety of high precision cards to simulate senor signals of the ECU and output load of ECU was also simulated in this system.Simultaneously，the ECUwasmonitored via CAN communication.In partof software design，choosing TestStand as testmanagement software，and using sub-VIwritten by LabVIEW as step of sequence in the form ofmodule for testing.At the end，the test results of system were analyzed to verify the reliability and stability of the system.

Virtual instrument;Engine control unit;Automatic test system;TestStand;LabVIEW

TH 71;TP29

A

1001－3881(2015)21－138－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.033

2014－08－29

蘇州市科技計劃項目 (SGZ2012062)

李秀娟 (1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為汽車零部件測試技術、智能檢測與控制技術。E－mail:lixiujuanfd@163.com。