基于MFC的電動汽車整車下線檢測設備的開發

張薇，沈永輝，王旭

（1.中機車輛技術服務中心，北京 100070；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

引言

自 1886 年德國的 Carpentz 發明第一輛汽車以來，汽車工業的發展至今已有了100多年的歷史。在這個世紀的發展過程中，汽車是促進現代文明進步的現代工業的產物，汽車給人們帶來便利，但對自然環境惡化也有著不可推卸的責任，空氣污染是環境問題的主要形式[1]。20 世紀六七十年代后，隨著人們對環境保護及能源的重視，開始對因汽車排放的污染引發的環境問題也開始備受關注。于是，以石油等傳統能源為燃料的內燃機汽車的發展軌跡也由此發生轉折。目前，保守估計全球有10億輛汽車，到2050年應該將劇增到30億輛左右[2]。并且據保守估計，按現在的消耗規模，全球的石油資源只能使用40年左右[3]。由此可見新能源電動汽車汽車的研發與推廣已迫在眉睫。

新能源電動汽車主要是指部分或全部依靠電能來驅動電動機的汽車[4]，它目前分為純電動的汽車（EV）、混合動力電動汽車（HEV）和燃料電池電動汽車（FCEV）[5]。未來，新能源電動汽車的方向是純電能驅動的純電動汽車。電動汽車與傳統的汽車有所不同，電動汽車 ECU 控制器被廣泛使用并設計汽車及人身安全，如通用馬達控制器（MCU）、電池管理系統（BMS）、整車控制器（VCU）等，其質量是否可靠與乘員的人身安全直接相關。因此出廠前必須對所有電氣設備，線束和控制器進行檢查，以確保所有電氣設備在出廠后都能正常工作。因此開發電動車故障診斷設備尤為必要[6]。根據生產新能源電動汽車下線檢測系統的實際需求開發，并應用于新能源電動汽車生產線上。本文正是基于MFC的電動汽車整車下線設備研發。

1 國內外整車下線檢測發展現狀

1.1 整車下線檢測的國內發展狀況

中國汽車工業處于高速發展時期，品種和產量不斷增加，質量逐步提高。從常規汽車（燃油噴射系統，安全氣囊，防抱死系統）中的電子控制系統到電動汽車的電力系統，使用大量電子設備。基于現代汽車電子，汽車下線檢測的技術也在不斷的發展。電子產品的電路必須經過檢測階段，電路已經處于無限小型化的過程中，電路板上的區域越來越小，而功能則越來越強大，導致檢測的難度也越來越大。目前電路檢測的技術有下面的幾種：

1）人工目測

在汽車發展的早期，人們對汽車的檢測主要是通過眼睛、耳朵和手。對于高度復雜的表面安裝板，手動視覺檢測方法既不可靠也不經濟。在使用微型球陣列封裝，芯片封裝和倒裝芯片的表面安裝板的情況下，手動目測檢查實際上是不可能的。隨著科技現代化的推進，特別是受計算機技術進步的影響的汽車檢測技術取得了劃時代的進步和發展。目前，人們已經能夠通過各種先進的設備對汽車進行安全，方便，準確的檢測[7,8]。

2）光學檢測技術

不管它們是自動光學檢測技術還是自動 X射線檢測技術，他們的可靠性都不盡如人意，盡管他們可以幫助執行難以進行人眼視覺檢查的任務。這些技術高度依賴于計算機圖像處理，但是如果處理的不好可能會導致誤判。

3）功能測試

功能的測試是表面貼封裝器件還有電路板小型化的主要趨勢。一旦任何系統太小而無法檢測其內部，只有少數輸入和輸出通道與系統的外部世界打交道。這種情況在三十到四十年前，在功能測試開發的早期完全一樣。如今功能所使用的測試儀器的國際標準日益成熟，標準的儀器模塊還有虛擬的儀器軟件的技術得到了廣泛的應用。增加了功能測試儀器的通用性和靈活性，并有助于降低成本。

1.2 整車下線檢測的國外發展狀況

國外汽車檢測技術的發展主要集中在一些發達國家，從20 世紀 50 年代開始，到了60 年代末，國外一些汽車檢測技術在診斷技術方面才開始迅速發展，應用了物理，電子，光學等原理。20世紀70年代微處理器的誕生和計算機技術的發展，為 VCU控制單元打下了堅實的基礎，已經開發了自動化車輛檢測設備，如數據采集和處理，輸出打印檢測結果等、數據采集處理、輸出打印檢測結果等[9]。到20世紀80年代，計算機在這一領域得到了進一步發展，并逐漸集成了用于各種檢測和數據處理功能的系統軟件，實現了全自動車輛檢測線。這種人為錯誤的判斷已被避免，測試的準確性和效率也得到了提高[10]。

故障診斷基于對車輛的一些性能參數的檢測，可以確定車輛的狀況，并且可以識別和判斷汽車障礙，從而為汽車的可靠性和安全運行提供保證的電子控制單元被廣泛應用，汽車電氣控制系統的故障診斷一開始轉向基于車輛的診斷。到20 世紀 80 年代，除了能夠在車輛使用過程中報告車輛的運行狀態之外，車輛的檢測過程還可以依靠車輛自身的故障自診斷功能來實現對該項目的更方便地測試。90 年代，隨著車輛的診斷的系統進行完善，標準也隨之統一。自2000年以來，汽車診斷的范圍擴大了，診斷和預測復雜障礙的能力得到了提高，汽車檢測和故障診斷技術不斷發展。

一般來說，一些發達的國家汽車的檢測已經“制度化”，基礎技術檢測已經實現“標準化”，檢測技術正向“智能化、自動化檢測”方向發展。未來，汽車檢測技術的發展方向將會是通過開發預測障礙的系統來提高車輛的診斷和預測能力，從而使得車輛保持著良好的安全狀態，并且能夠和檢測，預測和診斷達成統一[11]。

2 測試系統原理分析及總體方案設計

2.1 測試原理

新能源電動汽車下線檢測設備通過上位機對每個 VCU信號進行仿真，分析和解包VCU的CAN總線報文，報出故障并連接駕駛室的OBD接口，形成可檢測的閉環控制電路，以對整車需要進行測試的原件進行檢測，最終將檢測結果保存并傳輸到下線檢測設備上。

2.2 CAN總線的接收和控制功能

CAN信號通過短幀結構傳輸，每幀有效字的節數是8，因此時間短，抗干擾性強。如果節點出現故障，可以自動關閉，來實現切斷節點與總線之間的關聯，這樣就能夠保證其他的節點就不會因此受到干擾，并且支持多主模式工作，它使用總線仲裁技術。那些較低優先級的節點能夠主動停止發送，這樣就能夠避免發生總線沖突[12]。通過總線接收功能，接受高速的CAN線路上從低速CAN總線轉換來的一起指示信號，發動機數據信號和診斷信號，可以設計出各種監測系統的監控程序。

2.3 硬件連接方式

測試系統只需連接車體CAN總線，即可處理車體高速和低速CAN總線的有用信息，實現車體狀態的檢測。根據測試車輛的OBD接口定義，它們分別分為兩個CAN,CAN A和CAN B,第6和第14個引腳為CAN A通道。第11引腳和第12引腳為CAN B通道，并且第6引腳和第14引腳為高速CAN High，第14引腳和第12引腳為低速CAN Low,引腳連線如圖1，引腳定義如表1。

圖1 引腳連線圖

根據引腳定義制成診斷線，診斷線一端為OBD接口，另一端連接兩個DB9接口，一端會連接到車輛上的 OBD接口，另一端連接到研華IPC的CAN0和CAN1通道。接線如圖2所示，在研華IPC中附帶一張CAN卡，這樣整車離線檢測設備就能通過診斷線的連接來控制和接收總線數據了。

圖2 診斷線連線圖

2.4 檢測設備布置及測試總體流程

2.4.1 整車下線設備整體結構

整車下線檢測設備專門用來實現新能源汽車的 VCU裝配檢測，整車 CAN線上的功能配置數據讀取，故障分析讀取和清除，動作測試，基本信息保存等，整車下線測試功能安裝于總裝車間整車下線工位，它用于所有車間生產及后續新增車型的電控系統診斷工作。設備將連接到車輛的整個車輛CAN線路，與車輛的VCU進行診斷通訊，并遵循模型配置和基本測試要求，實現車輛下線檢測項目，并具備車型檢測項目的一些拓展能力，下線檢測設備整體結構圖 3，整車下線檢測設備連線示意圖如圖4所示。

圖3 下線檢測設備整體結構圖

圖4 整車檢測設備連線示意圖

2.4.2 下線檢測設備測試總體流程

設計的整車下線檢測設備設立在車輛生產線旁邊，這樣就可以方便對每一輛待測車輛進行流水線式測試，提高測試效率。整車下線檢測設備測試步驟如下：

（1）測試人員將測試用的整車顯現測試設備通過診斷線與被測車輛的 OBD診斷接口連接，如圖5所示。將設備的通訊線束與整車CAN網絡線束連接，接通設備220V電源。

圖5 測試連接圖

（2）按下電源按鈕，計算機開啟。打開“新能源電動車下線綜合檢測系統”，點擊中可選的兩個按鈕，分別打開計算機的串口和CAN卡。

（3）將測試儀的CAN線連接到待測試車的“整車CAN”上，將車鑰匙擰到 ACC檔，設備開始自動化測試，測試過程與結果會顯示在右側的表格中，完成后點擊將打印測試結果，待打印完畢后小心撕下打印結果。

（4）將 CAN總線接頭接到下一輛待測試車的“整車CAN”上，重復“（3）”中的步驟。

所涉及的測試系統軟件安裝在計算機上，系統可分為三種檢測模式：基本信息、數據顯示及測試結果打印功能。

基本信息功能，打開“基本信息”頁面。在進行基本信息錄入時先將鼠標光標選擇想要錄入的基本信息項，如上圖選中“電機控制器”，然后用無線激光掃描器掃描“電機控制器”對應的條形碼，就可以將“電機控制器”相應的信息錄入到設備中，其他選項方法一樣。如果想對已經錄入的基本信息保存，則點擊右下角的，則可將已錄入的基本信息保存至工控機D盤。

圖6 基本信息界面

數據讀取功能，打開“數據顯示”頁面，如圖7所示，打開“數據顯示”界面后，界面會出現相應的檢測情況，如果檢測項后面的“故障”前面的圓圈內顯示白色表示該項無故障，如果顯示為綠色表示該項有故障。

圖7 數據顯示界面

信息打印功能，待檢測結果結束后可打印檢測結果，點擊界面左上角可將測試結果打印，待打印完畢后小心撕下打印結果。

3 測試軟件設計

本測試系統在下線檢測設備機柜的計算機上運行，通過CAN 卡和診斷線與車身 CAN 網絡連接，主要是通過系統軟件來完成下線測試[13]。本設備基于UDS協議來實現車輛的診斷，通過實現UDS數據通信來獲取車輛的相應參數數據，最終通過這些計數方法實現車輛的在線診斷與分析。

3.1 UDS通信機制

UDS(Unified Diagnostic Services)[14-18]協議，即ISO14229[19-21]協議，它是一種統一診斷服務，是診斷服務的一種規范化的標準，它規定了診斷設備應該向車輛VCU發送什么樣的報文，以及VCU應向設備回復什么樣的報文。UDS診斷通信的機制相對來說比較簡單，采集或者診斷工具發送 request報文，VCU在接收到request之后回復response報文，同時它也有自己的特點，診斷協議規定了 request和 response之間的格式，以及request和response的處理方式等。UDS定義的功能單元診斷服務主要有以下幾個類型：診斷/通信管理、數據傳送、存儲數據傳送、輸入/輸出控制、遠程激活例程。

3.2 軟件測試設計

4.2.1 故障碼的清除與讀取

（1）首先是清除故障碼：該服務請求被用于清除 VCU的存儲故障碼設備，發送的請求如表1所示，則VCU的響應為表2所示。

表1 設備發送的請求

表2 VCU響應

（2）故障碼的讀取，程序如圖8，該服務請求被用于讀取VCU存儲的所有故障碼DTC。當設備發送的請求請求如表3所示，這時就會出現不同的狀況：

1）當VCU給予的回應如表4所示，則表示整個車輛檢測正常，沒有故障；

圖8 故障碼讀取程序

表3 設備發送的請求

表4 VCU響應

表5 VCU響應

2）當VCU給予的回應如表5所示，則表示整個車輛檢測不正常，存在故障，同時也告訴設備現在有多個故障碼，緊接著設備就發送一幀如圖9所示的報文。

圖9 故障報文

3.2.2 動作測試

表6 VCU響應

表7 VCU回應

圖10 動作測試程序

動作測試需要在擴展模式下通過27H服務的安全校驗才可以執行，因此設備需要先向 VCU發送擴展模式請求，進入擴展模式后每隔1s發送02 3E 00維持在當前會話模式下，否則VCU隔1～1.5s后收不到這幀報文會自動退出擴展模式。如果VCU回復結果如表6所示，表示同意進入擴展模式，否則為拒絕擴展模式，測試失敗，然后設備需要通過27H的SID向VCU發送Level 1級別的安全校驗請求，VCU會回復四個校驗碼（seed）：并且設備需要回復VCU對這四個seed的校驗，VCU會回復如表7報文，表示校驗已通過，允許進入IO控制，否則IO測試失?。?s周期發送3E服務，保持在當前會話模式不退出。接下來設備接過 VCU的控制權，進行IO控制。測試完成后，需要返回控制權給VCU，設備發送如下字節，且不再發送請求進入擴展模式的字節，動作測試程序如圖10。

3.2.3 讀取VCU內部信息

利用service $22讀取VCU硬件、軟件版本號生產日期和PCB編號等信息，信息讀取程序如圖11。如果請求讀取的信息長度不超過4個字節（length≤4），按如下方式讀取，設備請求如表8，VCU響應如表9。

圖11 VCU內部信息讀取程序

表8 設備發送的請求

表9 VCU響應

如果請求讀取的信息長度超過4個字節（length>4），設備先使用$22服務請求信息如表10，然后接收到VCU的第一條肯定響應（表11）后發送一條固定報文，然后VCU響應連續 n條報文將請求信息發送給設備，表 12是各信息對應的DID和該信息的長度。

表10 設備發送的請求

表11 VCU響應

表12 各信息對應的DID和該信息的長度

3.2.4 寫數據到VCU

下線時需要使用service $2e向VCU寫VIN碼和安裝日期信息，寫數據之前需要先進入擴展會話模式，然后獲取權限進行S&A校驗（$27服務），數據寫入成功后需停止報文發送并將KL15下電（此時VCU將寫入的數據存儲到EEPROM中）。

寫入數據過程中需要通過3E服務，保持在擴展服務模式下。寫VIN的一般流程如下，VIN寫入程序如圖12：

圖12 VIN寫入程序

（1）進入擴展會話模式；

（2）通過S&A安全校驗，獲得寫入權限；

（3）寫入VIN數據；

（4）設備停止所有CAN報文發送，鑰匙撥到OFF檔，使VCU下電。為了確保VCU確實已經下電，設備可根據實際下線請求設計檢測方法，如等待5S，檢測總線上不再有VCU發送的報文等；

（5）鑰匙上電重新讀取VIN碼，比較讀取的VIN和之前寫入的相同則寫入成功。

4 結論

通過對電動汽車整車下線檢測設備國內外發展狀況做出調查分析，并對系統的原理進行分析及總體方案設計分析得到下線檢測設備總體方案，測試系統最后實現了對故障碼的讀取與清除，動作測試，VCU內部信息的讀取及將數據寫入到VCU等功能，從而加快電動汽車檢測速度，保證了產品質量。

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