一種應(yīng)用于ECU HIL測(cè)試系統(tǒng)的PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊設(shè)計(jì)

張志強(qiáng)，王穎

（一汽轎車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

一種應(yīng)用于ECU HIL測(cè)試系統(tǒng)的PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊設(shè)計(jì)

張志強(qiáng)，王穎

（一汽轎車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

基于某款在研的動(dòng)力總成電控系統(tǒng)HIL測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊，節(jié)省了系統(tǒng)硬件資源，擴(kuò)展了系統(tǒng)功能，滿(mǎn)足ECU實(shí)際測(cè)試應(yīng)用需求。

PWM自學(xué)習(xí)；硬件在環(huán)；測(cè)試應(yīng)用

1 設(shè)計(jì)背景及目的

隨著汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各主機(jī)廠加速應(yīng)用電子控制系統(tǒng)。但是由于控制單元功能的復(fù)雜化，其產(chǎn)生的問(wèn)題也不斷增加［1］。電子控制單元硬件在環(huán)（ECU HIL）測(cè)試在整車(chē)電子電器開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和設(shè)備的軟、硬件資源配置，可以構(gòu)建較高性?xún)r(jià)比的HIL測(cè)試系統(tǒng)。ECU HIL廣泛應(yīng)用在整車(chē)電子電器開(kāi)發(fā)V模型的測(cè)試階段，對(duì)保證ECU產(chǎn)品軟、硬件品質(zhì)發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)備硬件資源是有限的，如何利用這些有限資源，更好地服務(wù)于更多的項(xiàng)目，是工程師們所不斷追求的目標(biāo)。本文以現(xiàn)有ECU HIL測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊，擴(kuò)展設(shè)備功能，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

ECU HIL測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照自下向上的設(shè)計(jì)模式，主要包括硬件操作系統(tǒng)層、模型層及應(yīng)用層。硬件操作系統(tǒng)層主要包括NI實(shí)時(shí)處理器、板卡及操作系統(tǒng)等；模型層主要包括IO模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、自動(dòng)變速器模型、其它輔助車(chē)輛模型等；應(yīng)用層主要包括測(cè)試用例設(shè)計(jì)、測(cè)試腳本實(shí)現(xiàn)、測(cè)試報(bào)告生成等模塊。

圖1 ECU HIL測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

2.1 資源描述

ECU和實(shí)時(shí)系統(tǒng)交互使用較多的通道包括DIO（數(shù)字輸入輸出）［2］、AIO（模擬輸入輸出）［3］、特殊信號(hào)（如曲軸、凸輪軸、噴油、點(diǎn)火等）［4］。對(duì)于DIO通道，NI提供可重配置功能，使用LabVIEW編程，可以將其開(kāi)發(fā)成為PWM IN／OUT通道。但是，對(duì)于固定的DIO板卡，其FPGA資源是有限的（如計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等計(jì)算和存儲(chǔ)資源），則將DIO通道配置成PWM IN／OUT通道數(shù)目也是有限的。當(dāng)PWM資源使用完畢時(shí)，如何在當(dāng)前硬件配置下再解析PWM信號(hào)呢？本文使用DI通道對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行采集，在模型層使用PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行解析，將解析后的信號(hào)傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)或者變速器模型，完成被控對(duì)象仿真功能，實(shí)現(xiàn)ECU測(cè)試應(yīng)用。

2.2 模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊主要由初始化模塊Initial、頻率自學(xué)習(xí)模塊f_SelfLearning、占空比自學(xué)習(xí)模塊DC_SelfLearning、故障處理模塊FaultMode、語(yǔ)義自學(xué)習(xí)模塊Semantic_SelfLearning 5個(gè)子模塊構(gòu)成。PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊功能是基于輸入的PWM信號(hào)，解析出其頻率和占空比，同時(shí)根據(jù)信號(hào)的語(yǔ)義解析出其對(duì)應(yīng)的等效邏輯值。模塊設(shè)計(jì)的主體思路是通過(guò)Initial模塊初始化計(jì)算資源，然后由f_SelfLearning模塊計(jì)算出頻率值，接著由DC_SelfLearning模塊計(jì)算出占空比值，最后由Semantic_SelfLearning模塊計(jì)算出等效語(yǔ)義值。

2.2.1 Initial模塊設(shè)計(jì)

Initial模塊主要在固定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)數(shù)器的初始化，本文使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是隊(duì)列Queue，滿(mǎn)足先進(jìn)先出的原則。Initial模塊算法設(shè)計(jì)如下。

2.2.2 f_SelfLearning模塊設(shè)計(jì)

f_SelfLearning模塊基于隊(duì)列結(jié)構(gòu)，隊(duì)列中每個(gè)元素是一個(gè)采樣計(jì)算點(diǎn)，整個(gè)隊(duì)列始終保持Q.size個(gè)最新的計(jì)算點(diǎn)，以求出針對(duì)當(dāng)前隊(duì)列元素的PWM信號(hào)頻率。f_SelfLearning模塊算法設(shè)計(jì)如下。

2.2.3 DC_SelfLearning模塊設(shè)計(jì)

DC_SelfLearning模塊通過(guò)信號(hào)頻率計(jì)算出信號(hào)周期，在每個(gè)周期時(shí)間內(nèi)使采樣點(diǎn)進(jìn)入隊(duì)列，遍歷隊(duì)列計(jì)算出信號(hào)不同采樣值的數(shù)目，最后計(jì)算出信號(hào)的占空比。DC_SelfLearning模塊算法設(shè)計(jì)如下。

2.2.4 FaultMode模塊

FaultMode模塊在初始化失敗的情況下運(yùn)行，為了避免對(duì)HIL系統(tǒng)其它模塊產(chǎn)生干擾，其輸出PWM信號(hào)頻率和占空比的錯(cuò)誤值，并且終止DC_SelfLearning模塊的運(yùn)行，以減少對(duì)系統(tǒng)計(jì)算資源的消耗。

2.2.5 Semantic_SelfLearning模塊

Semantic_SelfLearning模塊，主要用于ECU以PWM OUT信號(hào)的形式來(lái)主要表達(dá)DO含義的場(chǎng)景，根據(jù)來(lái)自ECU的PWM信號(hào)的語(yǔ)義（高低有效性、占空比含義特性等），模塊中設(shè)置一個(gè)閾值τ，將已經(jīng)求出的占空比值和閾值τ進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)頻率值進(jìn)行取值范圍判定，最終形成一個(gè)等效的語(yǔ)義邏輯，以Semantic_High或者Semantic_Low的形式輸出。

2.2.6 模塊算法實(shí)現(xiàn)

本文使用Simulink［5］建模實(shí)現(xiàn)上述模塊設(shè)計(jì)的算法，其中，總體模型如圖2所示，DC_SelfLearning模塊如圖3所示。

本文基于的HIL系統(tǒng)其最終更新頻率為1 000 Hz，所以初始化隊(duì)列大小為1000，以容納1s之內(nèi)的所有采樣點(diǎn)。

圖2 PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊總體模型

圖3 DC_SelfLearning模塊模型

實(shí)際建模過(guò)程中，由于通過(guò)模型軟件實(shí)現(xiàn)，所以本模塊的應(yīng)用范圍是：被解析的PWM信號(hào)周期與被解析的PWM信號(hào)占空比的乘積是模型仿真步長(zhǎng)的整數(shù)倍。同時(shí)需要處理模塊間觸發(fā)機(jī)制、復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生、除零溢出等技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題。

3 實(shí)際應(yīng)用

將搭建的PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊加載到HIL系統(tǒng)中，用于對(duì)奔騰B50車(chē)型項(xiàng)目測(cè)試。下面例舉2個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：其一是用于怠速起停功能測(cè)試；其二是用于ECU繼電器診斷功能測(cè)試。

3.1 怠速起停功能測(cè)試

對(duì)于怠速起停功能測(cè)試，當(dāng)車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力、水溫等條件滿(mǎn)足邏輯約束時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS和自動(dòng)變速器控制單元TCU協(xié)同進(jìn)行停機(jī)處理，TCU IC驅(qū)動(dòng)Port口輸出PWM信號(hào)，PWM自學(xué)習(xí)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，將解析后的頻率和占空比信息傳遞至自動(dòng)變速器模型，用于計(jì)算油路壓力，示波器顯示如圖4所示。經(jīng)過(guò)PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊后，學(xué)習(xí)到的頻率和占空比在Veristand軟件中顯示如圖5所示。

從圖4、圖5可見(jiàn)，TCU發(fā)出PWM信號(hào)的頻率為20.00Hz、占空比為74.4%；經(jīng)過(guò)PWM信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊解析后，頻率為20 Hz、占空比為70%～72%，可以滿(mǎn)足實(shí)際ECU測(cè)試應(yīng)用需求。對(duì)于占空比解析存在的誤差，是多方面因素的疊加結(jié)果，主要包括DI通道采集誤差，信號(hào)傳遞至模型后模型仿真計(jì)算誤差等。

圖4 TCU輸出的電磁閥控制PWM信號(hào)

圖5 經(jīng)過(guò)自學(xué)習(xí)模塊解析出的頻率和占空比

圖6 ECU輸出PWM信號(hào)

3.2 ECU繼電器診斷功能測(cè)試

對(duì)于ECU繼電器診斷功能測(cè)試，ECU IC中同一個(gè)Port口，在同一個(gè)項(xiàng)目不同的階段，其輸出由DO變?yōu)镻WM OUT，用于繼電器粘連診斷。同時(shí)ECU還需要使用PWM OUT信號(hào)表達(dá)DO的含義，以控制繼電器的吸合與斷開(kāi)。如果不進(jìn)行信號(hào)語(yǔ)義形式轉(zhuǎn)換，則發(fā)動(dòng)機(jī)模型就會(huì)異常起動(dòng)，無(wú)法正常測(cè)試。示波器顯示的ECU發(fā)出信號(hào)如圖6所示。經(jīng)過(guò)PWM語(yǔ)義模塊學(xué)習(xí)之后，輸出信號(hào)在Veristand軟件中顯示如圖7所示。根據(jù)語(yǔ)義，主繼電器控制、輔助電子水泵繼電器控制均為低電平有效，在模型中使用1表示有效，使用0表示無(wú)效。

從圖6、圖7可見(jiàn)，ECU發(fā)出頻率為50.00Hz、占空比為0.6%以及頻率為24.98Hz、占空比為99.8%的PWM信號(hào)，經(jīng)自學(xué)習(xí)模塊輸出的等效語(yǔ)義和ECU表達(dá)的內(nèi)容相符，前者為有效數(shù)值1，后者為無(wú)效數(shù)值0，滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)試應(yīng)用需求。

Design of PWM Signal Self-learning Module Applied in ECU HIL Testing System

ZHANG Zhi-qiang，WANG Ying

（FAW Car Co.，Ltd.，ChangChun 130012，China）

Based on a powertrain electronic controlling system HIL testing platform under developing，this article designs a PWM signal self-learning module，which could economize system hardware resources，extend system functions and satisfy Electronic Control Unit（ECU）testing requirements practically.

PWM Self-learning；ECU HIL；testing application

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0056－03

2016-07-07；

2016-07-25

張志強(qiáng)，男，工程師，碩士，主要從事ECU HIL測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)及應(yīng)用工作。