汽車ABS ECU控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)

王祥鑫+陳科屹+王蕓+張琪+楊國(guó)輝

摘 要：為了判斷ABS ECU控制系統(tǒng)是否存在故障，以ABS實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)開發(fā)出一套ABS檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集卡控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU進(jìn)行控制，并利用CAN總線進(jìn)行通信讀取故障碼，實(shí)現(xiàn)了在ABS各種情況下對(duì)ECU內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與研究。

關(guān)鍵詞：Labview ECU檢測(cè)與通信 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（a）-0116-03

現(xiàn)如今ABS廣泛應(yīng)用成為汽車上的標(biāo)配系統(tǒng)，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何檢測(cè)ABS傳感器和ECU是否工作正常，對(duì)ABS技術(shù)的檢測(cè)、診斷、教學(xué)等需求量越來(lái)越大。汽車ABS檢測(cè)系統(tǒng)解決了實(shí)車不容易觀察、分析、檢測(cè)汽車ABS內(nèi)部控制系統(tǒng)故障的問(wèn)題，使汽車維修人員能夠直觀地學(xué)習(xí)汽車ABS單元內(nèi)部控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及檢測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)了我國(guó)汽車檢測(cè)、維修人員對(duì)ABS單元內(nèi)部控制系統(tǒng)不了解，資料不全面的局面。

1 ABS控制系統(tǒng)的工作原理分析

汽車ABS由電磁閥、輪速傳感器、電子控制單元ECU等組成，在汽車的緊急制動(dòng)過(guò)程中，電子控制單元通過(guò)輪速傳感器采集與車輪轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，根據(jù)預(yù)先編好的程序判斷并計(jì)算各車輪的滑移率、速度和角速度，將滑移率控制在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，其中如果檢測(cè)到某個(gè)車輪有抱死的趨勢(shì)，ECU發(fā)出指令對(duì)液壓系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行控制，使ABS系統(tǒng)實(shí)行減壓-保壓-增壓的工作循環(huán)，車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)，使車輪與地面之間的附著力增大，最終避免汽車側(cè)滑失去控制造成交通事故。

2 系統(tǒng)硬件框架組成設(shè)計(jì)與搭建

系統(tǒng)硬件主要包括NI公司的USB_6251數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)PC機(jī)，USB/CAN適配器，ECU，K線適配器，繼電器，MK20-I實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2.1 USB-6251數(shù)據(jù)采集

以NI公司的USB-6251數(shù)據(jù)采集卡為核心，是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理；數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過(guò)USB、PXI、PCI、PCI Express、火線（IEEE1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。NI USB-6251是一款USB高速M(fèi)系列多功能DAQ設(shè)備，經(jīng)優(yōu)化在高采樣率下也能保持超高精度；具有16路模擬輸入（16位），單通道1.25 MS/s采樣率（總計(jì)1 MS/s）；2路模擬輸出（16位，2.8 MS/s）；24路數(shù)字I/O（其中8路時(shí)鐘同步）；32位計(jì)數(shù)器配合使用Mass終端版和SCC信號(hào)調(diào)理。

NI信號(hào)讀寫實(shí)現(xiàn)USB上的雙向高速數(shù)據(jù)流；可提供OEM版與LabVIEW、LabWindows?/CVI和Visual Studio.NET的Measurement Studio兼容；NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEWSignalExpress LE交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。

2.2 USB/CAN適配器

USB/CAN適配器與PC機(jī)連接，另一端與CAN網(wǎng)連接，使PC機(jī)通過(guò)USB接口與ECU進(jìn)行通信。

3 ECU與ABS試驗(yàn)臺(tái)連接設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的是四通道的ECU通訊協(xié)議為KWP2000，使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)是MK20-I型。檢測(cè)方法分為兩種：第一種是利用USB-6251數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送信號(hào)來(lái)模擬輪速傳感器發(fā)出的信號(hào)和控制虛擬開關(guān)量的改變時(shí)ECU內(nèi)部元件與電路運(yùn)行會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變[1]，通過(guò)K線的KWP2000協(xié)議進(jìn)行與ECU通信并讀取相關(guān)故障碼進(jìn)行分析，因輪速波形不是標(biāo)準(zhǔn)波形，此法需要進(jìn)行方波與輪速波形同頻率設(shè)定，所以不需要ABS試驗(yàn)臺(tái)就可完成檢測(cè)，結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

第二種方法為利用USB-6251采集卡對(duì)MK20-I實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的輪速傳感器進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)Labview程序顯示到PC機(jī)上與通過(guò)USB/CAN適配器接收到ECU給定的輪速值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)輪速與ECU通信的輪速對(duì)比，誤差在0.1到0.2之間為正常（見(jiàn)圖2）。

4 檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)原理

4.1 K線適配器與通信協(xié)議

K線是汽車控制單元與診斷插座之間雙向傳遞的一條串行數(shù)據(jù)線，K線適配器通過(guò)RS232接口COM1與PC機(jī)連接實(shí)現(xiàn)了總線的轉(zhuǎn)換。PC機(jī)根據(jù)診斷協(xié)議與ECU進(jìn)行通信診斷。此次采用KWP2000協(xié)議，KWP2000是現(xiàn)在大多數(shù)車輛使用的一種車載診斷標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，KWP2000是由ISO14030-1/ISO9141-2在物理層的規(guī)范，其中包括K線與L線，表1是報(bào)文結(jié)構(gòu)。

4.2 USB/CAN適配器與UDS通信協(xié)議

UDS協(xié)議是基于CAN總線未來(lái)汽車上通用的一種標(biāo)準(zhǔn)化診斷協(xié)議。UDS協(xié)議在OSI七層模型上定義了4種，分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層[5]。

在數(shù)據(jù)傳輸中CAN支持兩種報(bào)文格式，即標(biāo)準(zhǔn)格式和拓展格式。在標(biāo)準(zhǔn)格式中標(biāo)識(shí)符（ID）長(zhǎng)度為11位，在報(bào)文格式中的開頭稱為幀起始（SOF），依次是仲裁域（RTR）、控制域包括擴(kuò)展位（IDE），判斷是標(biāo)準(zhǔn)格式或者是擴(kuò)展格式其后數(shù)據(jù)域范圍為0～8個(gè)字節(jié)，這個(gè)區(qū)域用來(lái)指明數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（DLC）數(shù)據(jù)幀最大為64位。安全域主要是檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查（CRC），在CAN中線有5種錯(cuò)誤的修正方法。應(yīng)答域ACK長(zhǎng)度為兩個(gè)位，其中包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符，用來(lái)反映發(fā)送站與接收站是否接收到數(shù)據(jù)。最后是結(jié)束域，由隱形位組成，這是顯示錯(cuò)誤并發(fā)送的最后一次機(jī)會(huì)（見(jiàn)圖3）。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬檢測(cè)系統(tǒng)，利用采集卡、個(gè)人電腦、通信網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)ABS ECU運(yùn)行工況的信號(hào)進(jìn)行通信，采集ECU中的數(shù)據(jù)包。將采集數(shù)據(jù)與該系統(tǒng)存儲(chǔ)的正常波形對(duì)比，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終直接給出故障診斷結(jié)果，Labview在研究中起到搭配協(xié)調(diào)分析判斷的作用。endprint

在Labview程序面版中有協(xié)議通信方式，該程序采用VISA串口方式與CAN總線進(jìn)行通信，控制面板上主要有兩大模塊分別為通信模塊、控制模塊，通信模塊設(shè)置正確的IP地址，使Labview與ECU建立正常的通信讀取內(nèi)部?jī)?chǔ)存的故障碼。

控制面板是控制繼電器通斷的，通過(guò)面板上的數(shù)字通道選擇按鍵向指定的通道發(fā)送指令碼對(duì)相應(yīng)的繼電器進(jìn)行通斷，來(lái)達(dá)到控制ECU的效果。

6 ECU的檢測(cè)與分析

檢測(cè)在各種部件運(yùn)行情況下ECU是否工作正常，比如輪速傳感器、電磁閥，需要檢測(cè)它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)是否正常運(yùn)行。該系統(tǒng)由Labview程序控制USB-6251采集卡來(lái)達(dá)到使ECU對(duì)外部電路的通斷，USB-6251采集卡共有32路輸出分成兩個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)的是1、2，每個(gè)通道有16路輸出對(duì)應(yīng)兩個(gè)字節(jié)，前8位對(duì)應(yīng)bit0～bit7，后8位對(duì)應(yīng)bit8～bit15，如ECU電源控制為1時(shí)接通，為0時(shí)關(guān)閉。ECU需要檢測(cè)各個(gè)傳感器與執(zhí)行器，每個(gè)通道都滿足ECU開關(guān)的控制。

6.1 輪速模擬信號(hào)

汽車輪速傳感器一般有霍爾效應(yīng)式、磁電式、磁阻式、光電式。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)MK20-I采用的是霍爾式傳感器來(lái)采集輪速，最初輪速傳感器采集到的波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，波形經(jīng)過(guò)處理變成方波進(jìn)入ECU。根據(jù)施密特觸發(fā)器波形轉(zhuǎn)換處理使采集卡模擬波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換達(dá)到實(shí)際輪速的波形，輪速計(jì)算多倍周期法得知式子（1）[3]：

m1為周期乘倍數(shù)，N2為m1個(gè)周期累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，為信號(hào)周期。通過(guò)發(fā)送同頻率的脈沖波形來(lái)達(dá)到模擬輪速的信號(hào)。

6.2 判斷分析

根據(jù)ECU收集到的信號(hào)判斷分析是哪部分傳感器執(zhí)行器出現(xiàn)故障需要輪速高低兩個(gè)狀態(tài)分別來(lái)判斷，從以下方面分析傳感器、執(zhí)行器、ECU是否工作正常。

（1）基于K線的KWP2000的診斷協(xié)議。

ECU本身帶有自檢功能，如果ECU在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障會(huì)以故障碼的形式儲(chǔ)存在ECU里，Labview程序通過(guò)基于K線的KWP2000的診斷協(xié)議對(duì)故障碼進(jìn)行分析顯示到PC機(jī)上進(jìn)行分析處理，同時(shí)采集卡的采集功能利用程序采集來(lái)判斷傳感器是否正常工作。

（2）CAN總線通信判斷ECU內(nèi)部是否工作正常。

由于現(xiàn)在ECU都采用線型結(jié)構(gòu)，故能否與CAN正常通信就可間接判斷ECU是否故障，PC機(jī)通過(guò)USB/CAN適配器與ECU對(duì)應(yīng)的地址ID連接，PC機(jī)不斷地接收到CAN總線傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析判斷ECU是否工作正常。

7 整體測(cè)試流程

7.1 模擬信號(hào)檢測(cè)流程

直接對(duì)ECU進(jìn)行檢測(cè)時(shí)串口初始化，采集卡的四通道發(fā)送模擬輪速波形不需要實(shí)體臺(tái)架，PC機(jī)控制采集卡3個(gè)通道控制ECU通電，ECU得電進(jìn)入工作自檢狀態(tài)，K線適配器工作連接并通信PC機(jī)與ECU，PC機(jī)此時(shí)分別讀取故障碼，采集卡8位模擬通道發(fā)送模擬輪速傳感器波形與讀取ECU中采集的波形進(jìn)行對(duì)比，模擬傳感器波形采用調(diào)整周期的方式改變輪速的高低，例如調(diào)高波形的周期值T車輪轉(zhuǎn)速升高，調(diào)低周期值T車輪轉(zhuǎn)速降低，最后對(duì)比結(jié)果顯示在PC機(jī)上。檢查CAN總線通信是否正常，ECU第二次得電，PC機(jī)與ECU通過(guò)USB/CAN適配器建立通信并讀取信息分析判斷將結(jié)果存入文件中。流程如圖4所示。

7.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)流程

PC機(jī)通過(guò)K線適配器連接ECU建立通信并讀取故障碼，數(shù)據(jù)采集卡前3個(gè)通道控制ECU，第四通道實(shí)現(xiàn)采集功能實(shí)時(shí)采集輪速傳感器的真實(shí)波形與從ECU中讀取的波形進(jìn)行對(duì)比，最后將結(jié)果寫入文件。

8 結(jié)語(yǔ)

汽車ABS ECU控制系統(tǒng)使汽車維修人員了解ABS單元內(nèi)部控制，方便檢測(cè)ABS內(nèi)部控制系統(tǒng)故障，根據(jù)ABS ECU收集到的信號(hào)判斷分析從以下方面分析傳感器、執(zhí)行器、ECU是否工作正常，解決了實(shí)車不容易觀察、診斷、分析、檢測(cè)汽車ABS內(nèi)部控制系統(tǒng)故障的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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