整車電氣性能測試系統的研究*

李苗苗 楊偉東 蔡永祥 郭志剛 王浩淼

（1.河北工業大學，天津 300000；2.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300000）

1 前言

整車電氣系統是指由汽車的電源系統、用電設備及全車電路和配電裝備3大部分組成的系統總稱[[11]]。在整車電氣系統開發驗證過程中，為保證在整車環境下，車載電子電氣系統能夠準確實現各自功能，電氣系統運行穩定可靠，降低因整車電路保護系統異常而發生線束燒蝕，甚至車輛自燃的風險，需要進行整車電氣系統性能測試驗證[[22]]。

由于汽車電氣性能測試涉及多信號、多通道的數據采集，且測試工況多變、工作環境復雜，因此迫切需要開發一種集成度高、可靠穩定的測試系統。本文從整車電氣系統性能的定義出發，結合實際測試需求，設計了一套整車電氣性能測試系統[[33]]，該系統體積小、精度高、性能穩定，可在－40℃~70℃的溫度范圍下工作，符合現代整車電氣系統的測試需求。

2 整車電氣測試系統總體方案設計

整車電氣系統性能測試實施的目的在于獲得整車電源及信號分配特性，獲得車載用電器的詳細電氣特性，驗證車輛線束系統的設計合理性，驗證車輛電路保護系統選型的合理性，驗證車輛線束系統、電路保護系統是否具備足夠的過流/短路保護能力，為車輛電源網絡最小化電壓損失及優化成本提供依據，為后續系統改進提供數據基礎與支持。

根據汽車整車電氣性能測試的國家標準、測試要求和工程要求，本文確定的試驗項目及試驗流程如圖1所示。

圖1 整車電氣系統性能測試流程圖

根據試驗項目和測試流程整理出所需測量的信號主要分為電壓信號、電流信號、靜態電流信號、CAN總線信號和溫度信號。被測試量分布廣、數目多且多為動態信號，測試系統應具備一定的自動化水平，能夠滿足測試對精度和實時性的要求，可以對采集通道參數進行設置，同時還要實現對主要測試參量的實時觀測、顯示、處理與存儲。

根據上述需求，確定整車電氣測試系統主要由CRIO實施控制器、數據采集模塊、網絡通訊模塊、數據存儲模塊、供電模塊和上位機6部分組成[[44]]。其系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

3 硬件系統設計

整車電性能測試系統的硬件集成于一個便攜式機箱內，設計緊湊便于攜帶。

3.1 CRIO實時控制器

控制器是整個測試系統的核心，本文選用NI公司的CompactRIO-9068嵌入式系統，由實時控制器和可重配置的FPGA兩部分組成[[55]]。其中實時控制器包含一個667 MHz雙核ARM Cortex-A9工業級處理器，能夠可靠而準確地執行LabVIEW實時應用程序，并可提供多速率控制、進程執行跟蹤、板載數據存儲及與外部設備通訊等功能；內嵌的8槽LX45 FPGA可重置機箱能夠直接和每個I/O模塊相連，可高速訪問I/O電路并靈活實現定時、觸發和同步等功能。1 GB非易失性存儲、512 MB DDR3內存、2個千兆以太網端口、1個USB高速端口和3個串行端口。

3.2 數據采集模塊

數據采集模塊選用NI C系列I/O板卡，包含隔離、轉換電路、信號調理等功能，并可直接與工業傳感器或執行機構相連，大幅度降低了測試空間的需求和現場布線成本。根據測試需求選用NI 9853、NI 9221、NI 9205、NI 9227、NI 9213采集板卡，各模塊之間通過CompactRIO平臺獨立工作、互不影響，能夠滿足測試中對電壓、電流、溫度和總線信號等物理量的采集工作，且設計有預留的端口和插槽。表1為測試板卡信息列表。

表1 測試板卡信息列表

3.3 網絡通訊模塊

Moxa AWK-3121（工業IEEE 802.11a/b/g無線AP/橋路/客戶端）安裝于箱體內通過網線與CRIO機箱通訊，可創建局域網實現測試設備與PC機之間的信息交互，具備可靠的無線連接和讀寫性能，可降低測試現場設備的接線難度和布線成本。

3.4 數據存儲模塊

CompactRIO機箱上帶有1個USB接口，支持格式為FAT32、FAT16的存儲設備，用此接口外接一個工業硬盤作為存儲設備[[66]]，主要用于系統相關信息存儲（錯誤記錄、系統使用歷史信息）和采集數據存儲（系統采集來的原始數據）。

3.5 供電模塊

在測試過程中，若直接選用220V電壓供電，雖然可減小開發成本、縮小設備體積，但是會對整個測試系統和汽車產生電磁干擾從而影響測試精度，因此本系統選用電池供電。由于與其他硬件設備相比電池的壽命相對較短，從更換方便角度考慮設計定制了可拆卸式電池。該電池負責給除了PC機以外的整個測試系統供電。

4 上位機PC程序設計

為縮短系統開發周期，測試系統的軟件開發采用LabVIEW 2014開發環境，以及LabVIEW Real-Time、FPGA、NI-RIO驅動、XNET工具包。軟件系統開發分為兩部分，即上位PC程序和CRIO系統的開發。系統設計完全遵循了模塊化和結構化的編程思想，系統構架科學合理，具有最大限度實現代碼重用、可擴展性強等特點，同時程序具有較高的可讀性和可維護性。

上位PC程序是人機交互的接口，故要具有良好的可視化界面，直觀、形象、便于操作[7]。軟件系統的邏輯功能框圖如圖3所示。軟件啟動后進行功能選擇，包括項目管理配置、數據采集、數據回放分析。功能選擇后會進入相應的設置界面、測試界面或分析界面。

圖3 軟件系統邏輯功能框圖

4.1 測試項管理功能

測試項管理功能使用樹形結構框架。針對某指定車型可以確定需要進行的測試項（如單負載測試、短路測試、過流測試等）和測試矩陣（如單負載測試矩陣包括發電機、EPS電子助力轉向、左前揚聲器等待測零部件信息），根據這些信息生成測試項管理模塊。在進行整車測試前，對各測試項參數進行配置，用于指導現場測試和后續的數據分析及報告生成。

4.2 測試、監控界面

基于已有的NI硬件采集模塊、無線通訊模塊AWK3121、離線電源、電子負載等核心硬件，數據采集軟件實現對應模擬量數據和總線傳輸數據的記錄、顯示，同時包括對硬件參數的配置。

4.3 數據回放、分析與報告生成

采集來的測試數據是由TDMS格式存儲的，可以選取已存儲的數據進行回放，支持對顯示精度、橫坐標、縱坐標進行設置。數據分析時支持最大值、最小值、平均值、方差值、有效值等基本物理量的自動計算，特別是在雙游標狀態下，通過分析按鈕，自動分析兩游標之間數據的最大、最小、平均、方差、有效值等信息。根據分析結果，參照對應的評價準則對測試結果進行評價，將分析結果和評價結果存儲至報表中。

5 CRIO系統開發

CompactRIO有掃描接口模式、FPGA接口模式和兩者的組合模式共3種開發模式。這里選用FPGA接口模式，整個程序分為底層FPGA數據采集驅動、RT控制中轉和TCP/IP數據傳輸3個層面。

5.1 FPGA驅動設計

數據采集驅動模塊采用兩種方法采集數據，單點輪詢采集：FPGA端采集I/O通道數據后設置中斷，RT端觸發相應中斷后通過讀寫節點讀取I/O通道數據。DMA FIFO方式采集：將I/O通道數據捆綁后存儲在主機和終端都能訪問的一塊先進先出的緩存中，然后在RT端通過DMA方法節點輪詢讀取緩存中的數據。由于溫度變化緩慢且NI-9213采樣率低、數據量小，采用輪詢中斷單點采集。對于NI-9253、NI-9221、NI-9227、NI-9205等電壓與電流參量的采集，涉及到高采樣與大吞吐量數據，為了減少CPU的負擔，選擇DMA FIFO形式采集。

5.2 RT程序設計

嵌入式實時操作系統，是按搶先式和時間片循環式（Rround-robin）執行任務并進行排序，使用搶先式排列，高優先級線程搶先于低優先級線程執行，優化確定性能。基于多線程并行運行的機制在實時系統端（RT）上實現控制器數據采集、消息處理及數據運算、網絡傳輸等操作。圖4為在RT系統中對采集來的溫度信號進行預處理。

5.3 TCP/IP數據傳輸設計

RT系統部署在CRIO實時系統里，不提供操作界面，因此必須通過以太網與PC之間實現數據通信，本系統采用TCP/IP與網絡流做數據傳輸。以RT端作為TCP/IP的服務器，PC端作為TCP/IP的客戶端，在RT端寫入或在PC端讀取都得將數據流轉換成字符串形式，并且為了確保數據流的完整性。

圖4 9213數據預處理

6 測試系統應用

6.1 測試系統性能檢測

利用精度較高的模擬電子負載來模擬實際電流、電壓、溫度等信號，用所設計的整車電氣測試系統進行采集，通過分析系統的參數變化來檢測系統的穩定性、測量精度。

持續向整車電氣測試系統發送20 mA的電流、5 V的電壓，同時將熱電偶置于100℃環境中；分別記錄系統在初始時刻、1 h、2 h和4 h共4個時刻的測量值。觀察各參數值的變化情況，記錄結果如表2所示。計算得到電流的測量精度為0.14%，電壓的測量精度為0.12%，溫度的測量精度為0.23%，由測試結果可知，本測試系統穩定性較好，測量精度高。

表2 試驗結果記錄表

6.2 實車試驗

該測試系統開發完成后，以東風汽車某款車型為例，對其進行夏季（38℃）一般市郊工況（CNL）驗證。測試要求如表3所示。

測得發電機平均發電電流112.64 A，蓄電池平均充電電流（蓄電池負極電流）7.12 A，發電機平均電壓14.1065 V，蓄電池平均電壓13.9270 V，發電機尾部平均溫度64.98℃，蓄電池左側平均溫度60.45℃。

根據測試數據可知，測試過程中蓄電池以較大電流充電（7.12 A），發電機能夠滿足該工況下已開啟的車載電器功率消耗。在該工況下車輛發電機、蓄電池及其他已開啟電器負載，滿足動態平衡。

表3 測試要求

7 結束語

本文基于LabVIEW圖形化開發環境和CompactRIO嵌入式硬件平臺開發了一套用于整車電性能測試的系統，該系統集數據采集、數據分析處理和報告生成為一體，具有可靠性高、集成度高、性能穩定和適應復雜特殊工作環境等特點。與傳統測試系統相比，該測試系統的自動化和智能化程度大大增加，降低了對測試人員經驗、能力和數量的要求，節省了測試時間，降低了測試成本。

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