基于虛擬儀器的VCU自動測試系統設計

丁光林，崔根群，蔡永祥，鄭子健

(1.河北工業大學 機械工程學院，天津 300130； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

基于虛擬儀器的VCU自動測試系統設計

丁光林1，崔根群1，蔡永祥2，鄭子健1

(1.河北工業大學 機械工程學院，天津 300130； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

在純電動汽車開發過程中，整車控制器的軟件與硬件會頻繁更新，為了快速匹配樣件、提高測試效率、提升測試吞吐量，設計了通用自動化測試系統;該系統使用TestStand作為測試執行模塊;在LabVIEW中開發了一套即時可用的測試動作庫和驅動程序，動作庫執行測試動作，通過TestStand引擎與驅動程序進行數據交互;設計了測試項目管理軟件，覆蓋VCU測試全過程并保證可追溯性;實際測試應用表明，該系統可以快速配置測試環境、生成可執行測試序列，能夠高效地定位控制器缺陷，且運行穩定、通用性好。

純電動汽車；整車控制器；自動化測試；虛擬儀器

0 引言

整車控制器(vehicle control unit, VCU)是純電動汽車電池、電機和電控三大系統的重要零部件之一[1-3]，其通過協調和控制各動力系統部件，完成整車級別的動力管理、能量管理和故障診斷等功能，對汽車的行駛性、安全性和續航里程起關鍵作用。因此，在VCU應用到整車之前，必須要對其進行嚴格的功能測試。

在控制器的開發過程中，其硬件接口、總線協議和控制策略會頻繁更新，而在傳統的自動測試系統中，測試用例是固化的[4]，給自定義測試邏輯帶來困難，并且管理方式多是對單一過程的管理[5]，缺少嚴謹的管理思想和過程跟蹤。為此基于虛擬儀器技術設計了通用自動化測試系統，采用以軟件為核心的模塊化PXI平臺[6-8]，利用TestStand在開發和部署自動化測試系統的優勢[9]，結合質量管理體系概念[10-12]，能夠實現快速適應VCU接口變更、自定義測試邏輯、高效執行測試并進行測試項目流程控制和缺陷跟蹤。

1 系統方案

整車控制器自動化測試系統包括測試項目管理軟件、測試動作庫和驅動程序，實現3個功能：測試項目管理、序列編輯和測試執行，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

軟件部分運行于嵌入式計算機內。測試項目管理軟件可以查看和管理測試序列，具有通信協議和接口控制文檔導入程序，以實現測試環境快速配置。通過測試動作庫，結合TestStand序列編輯器內置的步驟類型可以完成復雜測試序列的編寫。測試序列在TestStand引擎中執行，與驅動程序進行數據交互，進而控制硬件部分輸出激勵信號并采集整車控制器的反饋信號，完成測試過程。

2 硬件設計

測試系統以美國國家儀器公司的PXI平臺為硬件基礎，主要由嵌入式計算機、數據采集模塊、程控電源和斷路接線盒組成。

為了實現快速更換被測樣件的功能，設計了斷路接線盒。該斷路接線盒兩端安裝有重載連接器，共108路通道，單通道電流可達10A，每個通道經過短路插聯通。斷路盒串聯在機柜與被測樣件之間，可以通過拔出短路插來使信號斷開，也可將測試儀器連接到面板插頭上，在不中斷信號連接的情況下進行信號測量。

3 軟件設計

自動測試系統可以完成針對整車控制器的高壓上/下電、前進驅動、充電、空調制冷制熱、制動/滑行能量回收、信息轉發和電池/電機故障診斷等測試，軟件框架如圖2所示，以TestStand引擎為核心，主要包括測試項目管理軟件、測試動作庫、驅動程序和測試序列，各軟件組件之間通過TestStand應用程序編程接口(application programming interface, API)進行數據交互。

3.1 測試項目管理軟件設計

為了對不同職責的用戶進行權限管理并保證可追溯性，設計了用戶管理程序和項目管理程序。運行測試項目管理軟件時，首先進入登錄界面，用戶登錄成功后會顯示用戶權限、登錄次數與登錄時間等信息。

在項目管理程序中，可以分級創建和查看車型信息、待測樣件版本、各個功能項的測試用例等。其中具有管理員權限的用戶可以修改上述內容、編輯測試用例，具有操作員權限的用戶只能查看和執行測試用例。用戶信息和樣件信息會自動顯示在測試報告中，保證每一次測試中發現的缺陷項目可追溯。

整車控制器接口的更新主要包括CAN通信協議的變更和硬件接口控制文件(interface control document, ICD)的變化。測試系統要能快速配置出與上述接口變化相匹配的測試環境，為此開發了導入程序。總線DBC文件導入程序會對通信數據庫進行解析，提取整車控制器發送和接收的報文。硬線ICD導入程序會解析硬線接口配置表格，對數據采集模塊和VCU管腳進行通道映射。導入程序通過調用TestStand API在序列編輯器中生成全局變量，用于編寫測試序列。創建VCU發送信號變量的程序如圖3所示。

圖3 創建變量的程序框圖

為了便于調試和排查問題，編寫了手動測試程序。手動測試程序同樣有總線和硬線信息導入功能，能夠單步設置硬線和CAN總線信號值，并顯示VCU反饋信號的波形，包括系統發給VCU的激勵信號和從VCU采到的反饋信號。

在TestStand中測試結束后會自動生成測試報告，包括測試人員、樣件版本、測試數據和波形等信息，并會統一保存，以便跟蹤測試缺陷項目。測試項目管理軟件的界面如圖4所示。

圖4 測試管理軟件界面

3.2 測試動作庫與驅動程序設計

測試動作庫主要包括設置參數值、獲取信號值、采集波形和模擬波形等。對于發送給VCU的激勵信號，“設置參數值”通過API在TestStand中寫入信號值，驅動程序再通過API讀取該值并控制硬件發送。對于VCU發出的反饋信號，驅動程序全部采集并保存到緩沖區，“獲取信號值”通過API設置待采集信號的索引值，驅動程序通過API讀取到該索引值并返回其信號值，“獲取信號值”即可讀取到待測信號的真實值并進行判斷。使用測試動作庫內的基礎動作，結合TestStand內置的流程控制語法，即可編寫出具有復雜邏輯的測試序列。

數字量、PWM信號、模擬電壓和CAN信號等各個驅動程序采集到的數據將匯總到數據交互主循環，因此總線信號與硬線信號可以同步顯示到波形圖表中。

CAN驅動程序用LabVIEW編寫，在測試序列初始化部分可以批量設置CAN信號值。CAN驅動程序能夠計算并發送生命信號，即滾碼計數器和校驗和。

3.3 測試序列

測試序列可以在TestStand引擎中執行，是測試邏輯的最終體現。測試序列由自定義動作庫和內置動作類型編寫，遵循規范化測試流程。測試序列可以通過拖拽圖標完成編寫，降低了工作難度，并且近似于自然語言，方便查看。在執行過程中，測試序列會調用驅動層程序，序列中的各個動作通過TestStand API與驅動層進行數據交互，完成測試過程。

4 測試驗證

利用自動化測試系統對整車控制器進行前進驅動測試，其主要測試步驟與評價標準為：鑰匙由ACC切換至ON檔，判斷VCU是否發出高壓閉合與整車狀態就緒指令、正確完成高壓上電過程；踩踏制動踏板，掛D檔；踩踏油門踏板達到100%，電機轉速由0rpm上升到8 000 rpm，判斷VCU計算出的扭矩請求值是否隨著電機轉速的上升而減小，并在超過臨界轉速后扭矩請求為特定值。

測試過程中的波形如圖5所示，其中外部電池電壓、電機工作狀態和電機實際轉速是測試系統發送給VCU的激勵信號；電機轉矩請求、校驗和、滾碼計數器、整車實際檔位與整車狀態就緒是從VCU采集到的反饋信號。可以看出外部電池電壓達到特定值后，VCU發出整車狀態就緒信號，高壓上電完成；然后換檔桿切換至D檔，VCU采集到該信號并準確發出檔位信息，接著測試系統發出模擬電壓值來仿真加速踏板達到100%，并且令電機轉速信號值遞增，VCU發出的電機轉矩請求隨之降低，且校驗和跟隨轉矩請求而變化。該波形圖在測試過程中實時顯示，測試結束后自動保存到測試報告中。

圖5 測試信號波形

波形圖表明該測試系統能夠對電機控制器和電池管理系統的信號進行仿真，模擬出特定工況對VCU進行測試激勵，并且能夠準確采集VCU反饋信號。相對于文獻[4]中固化的測試序列，利用該測試系統靈活地搭建了針對蠕行功能、制動/滑行能量回收測試、電機扭矩限制、電池故障診斷等邏輯更加復雜的自動化測試序列。系統硬件連接如圖6所示。

圖6 測試系統硬件連接

5 結束語

針對整車控制器測試需求，設計了通用自動化測試系統，該系統具有多種信號類型收發模塊和斷路接線盒，以及DBC和ICD文件導入程序，能夠快速適應VCU硬件接口和軟件策略的頻繁更新。通過測試動作庫和集成的驅動程序，能夠以拖拽的形式用少數基礎動作實現高度自定義的測試邏輯。通過測試項目管理軟件，可以對整個測試過程進行統一控制和跟蹤。

該系統已經應用到主機廠某純電動車型的開發測試過程。實際工作表明，該系統可以發現整車控制器策略和功能上的缺陷，并幫助開發人員快速定位缺陷原因、跟蹤整改進度，且運行穩定，保證了開發進度。

[1] 歐陽明高. 中國新能源汽車的研發及展望[J]. 科技導報，2016，34(6)：13-20.

[2] 張 翔. 純電動汽車整車控制器進展[J]. 汽車電器，2011(2)：1-5.

[3] Schulte T，Kiffe A，Puschmann F. HIL Simulation of Power Electronics and Electric Drives for Automotive Applications[J] . Electronics，2012，16(2)：130-135.

[4] 李 彬，徐惠鋼，謝 啟. 基于LabVIEW的汽車EPS控制器測試系統設計[J]. 儀表技術與傳感器，2015(7)：57-60.

[5] 于洪澤，賀永鵬，袁紹民，等. 基于LabVIEW與TestStand的通用板卡自動測試系統[J]. 電氣傳動，2015，45(9)：66-69.

[6] Rings M D. Customizing a PXI-based Hardware-In-The-Loop Test System with LabVIEW[A]. SAE 2010 World Congress & Exhibition[C]. 2010.

[7] 蔡永祥，王子龍，彭 楊. 基于虛擬儀器的車載電子電氣測試平臺設計[J]. 測控技術，2013，32(6)：116-118.

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[11] 鄧 軍. 面向產品生命周期的全面質量管理系統建模及實現技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2009.

[12] 耿俊浩，張振明，田錫天，等. 產品生命周期管理環境下汽車行業全面質量管理方法[J]. 汽車工程，2009，31(6)：569-574.

Design of Automatic Test System for Vehicle Control Unit Based on Virtual Instrument

Ding Guanglin1, Cui Genqun1, Cai Yongxiang2, Zheng Zijian1

(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

The software and hardware of vehicle control unit will be updated frequently in the electric vehicle development process. In order torealize quick matching and meet the demand for higher efficiency and test throughput for VCU, designed a general automatic test system. The system consists of a ready-to-use test action library and device driver developed in LabVIEW, and uses TestStand as test execution module. The test action library executes test activities and exchanges data with device driver through TestStand engine. Developed a test project management software that covers the whole VCU test process and ensures traceability. The results of practical test application verify that the system can match the unit under test rapidly, implement executable test sequences and spot defects efficiently with good stability and generality.

electric vehicle; VCU; automatic test; virtual instrument

2016-10-09；

2016-11-06。

河北省自然基金項目(E2014202114)。

丁光林(1991-)，男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事整車電子電氣測試技術方向的研究。

崔根群(1962-)，男，河北人，教授，碩士研究生導師，主要從事汽車電子控制技術方向的研究。

1671-4598(2017)04-0005-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.002

TP271

A