基于CAN的VCU入廠來料檢測系統的研究

周煉，沈永輝，董勇濤

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.天津智行汽車技術有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著社會的不斷進步，能源需求不斷增加，造成的環境問題也日益嚴重，目前已成為制約我國社會發展的突出問題[1]，其中比較嚴重的污染源就是汽車尾氣的排放，據相關統計每年就會有數十億噸的污染物排放到大氣中[2]。由于純電動汽車環境污染小、能源來源廣泛等特點能夠在一定程度上緩解環境問題，因此受到世界各個國家政府的高度重視，各個車企在純電動汽車的研發與生產過程中投入大量的人力、物力。但是由于純電動汽車復雜的電氣結構，在沒有診斷功能和安全控制策略的情況下，汽車的故障信息獲取起來有一定的難度[3]。汽車電子網絡化近年來發展迅速以及純電動汽車故障診斷標準逐漸統一，CAN總線協議被廣泛用于純電動汽車的系統控制，診斷及通訊等方面?；?CAN總線的汽車故障診斷系統目前逐漸成為汽車互聯網化、智能化的最基本要求[4,5]。

2 整車控制器

整車控制器（VCU）是電動汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統的核心部件，在整車控制系統中居于最高層級，主要負責采集制動踏板、加速踏板等部件信號，并對采集信息進行管理、分析和運算等[6]，整車控制器的功能作用如圖1所示，整車控制器的功能正常對于電動汽車的重要性是不言而喻的[7]。因此，本文為了提高純電動汽車安全性機器診斷的可靠性，開發一套基于 CAN總線的整車控制器來料檢測系統，對整車控制器進行相關測試。

圖1 整車控制器關系圖

測試系統主要由硬件系統與軟件平臺兩部分組成，用于檢測 VCU硬件接口是否正常工作。硬件系統主要是一些發生模塊，可實現 CAN通訊和模擬量、開關量、脈沖量的輸出及模擬量、PWM、開關量采集，同時還包括供電單元。軟件平臺主要是用于測試系統管理，包括測試系統管理以及VCU功能測試等。圖2為測試系統總體結構圖。

圖2 測試系統總體結構圖

3 硬件設計

硬件系統可以實現的功能包括模擬信號、數字信號、PWM信號的采集與輸出，根據VCU功能需求對整套測試系統的硬件構架進行了設計。自檢模塊，主要是對設備自身通訊正常與否的檢測。電源模塊，主要由程控電源、電源電路、繼電器組成，可程控輸出不同電壓。信號調理模塊，主要由開關量驅動電路、繼電器驅動電路、模擬量濾波電路、數字信號調理電路、模擬信號調理電路組成。最后就是通過多種數據采集板卡組成的數據采集與發生模塊。

圖3 測試系統硬件構架圖

3.1 自檢模塊

為了保證測試的準確性和穩定性，首先需要測試系統自身具有較強的穩定性和準確性，因此，在對控制器測試之前，首先完成系統自檢。系統在自檢過程中，首先需要對測試系統的輸入通道進行相應的檢測，然后將輸入通道與輸出通道相連接，通過輸入同代檢測輸出通道是否正常。對于通信通道檢測，首先將2路CAN通道首先連接在一起，然后采用一個通道發送，一個通道接收地方式檢測通訊是否正常。

3.2 電源模塊

在控制器的實際使用場景中，整車控制器會出現供電電源電壓過低或者過高狀態，所以在對 VCU功能進行測試評估時需要考慮 VCU在欠壓或過壓情況下運行能力。目前在市場上的純電動乘用車車低壓系統正常供電電壓為12V，商用車為24V，過高電壓通常為18V或36V，過低電壓通常為9V或18V，整個測試系統能夠模擬整車控制器在常壓、過壓、欠壓及反壓四種工作電壓的輸出。在對電源輸出控制時選用了研華 USB-4761板卡進行電源控制，可以通過研華 USB-4761板卡控制電源輸出不同電壓值，來滿足測試系統對VCU供電需求。

3.3 信號調理模塊

為了能夠使數據采集卡和信號發生卡的接口特性和VCU的接口特性保證一致，所以需要在設計測試系統硬件時需要對信號做相關的調理。設備采用的研發USB-4750板卡中的輸出與采集通道是由板卡內置的光耦開關控制的，輸出狀態分為高阻態（懸空）或高邊輸出，結合控制器端的 PIN腳電路特性，需要做一個信號調理，根據控制器端的每個PIN腳的電路特性匹配一個上拉或者下拉電路，消除整個電路過程中的高阻態（懸空），確保研華USB-4750板卡輸出和采集到的狀態的可靠性。

3.4 數據采集與信號發生模塊

數據采集系統是自動化測試系統中至關重要的組成部分，主要是通過基于計算機或者其它專用測試平臺測量硬件和軟件產品來實現的。數據采集卡是一種可以通過 USB、PXI、PCI等總線接入個人計算機內能夠實現數據采集（DAQ）功能的計算機擴展卡。根據整車控制器測試系統功能需求選擇了研華 USB-4750多功能數據采集卡、阿爾泰 ART-2831模擬量輸出卡以及周立功 CAN卡，以實現系統的數字量輸入/輸出、 模擬量輸入/輸出和脈沖信號的輸入/輸出。

4 系統軟件設計

基于模塊化設計方法對測試系統進行開發，編程語言采用 LabVIEW 進行編程。首先，測試系統需要有友好、簡單的人家交互界面，方便測試人員的操作和管理；其次，整個測試過程結束之后應該提示測試結果，同時要保存相應的測試報告，方便后期質量的追溯和管理。

根據整車控制器測試需求和測試內容制定測試流程；同時為了便于系統軟件按的改進和擴展，系統上位機軟件的設計采用模塊化結構，一個模塊實現一個功能，各個模塊功能上相互獨立，在數據傳遞和程序結構上又緊密連接，這樣不僅會使得程序結構簡單明了，便于設計、調試和后期的維護，同時使測試軟件操作簡易、數據交換高效、控制準確、穩定性高。測試系統操作界面如圖4所示。

圖4 測試系統操作界面

4.1 測試流程總體設計

整車控制器是整個汽車的核心控制部件，相當于汽車的大腦，控制下層的各部件控制器的動作，驅動汽車正常行駛。所以整車控制器的重要性是不言而喻的，為了保證純電動車的人車安全，對整車控制器進行相關檢測也是很有必要的，整個測試過程如圖5所示。

測試人員打開上位機測試軟件，通過用戶名和密碼登錄系統，進入測試主界面后，點擊“打開采集卡”按鈕，此時測試系統會先進行自檢，如果自檢成功，系統功能及板卡功能正常，才可以進行系統測試，并且“自檢”指示燈點亮。接下來點擊“開始自動測試”按鈕，此時系統才開始了整車控制器的相關測試。在測試工程可分成兩個步驟進行：參數配置和功能測試。

參數配置主要是對整車控制器的相關參數進行配置，包括其類型、型號及端口等。同時還會配置 CAN通訊板卡類型及波特率的設置等。功能測試主要是對整車控制器的電性能和相關功能測試。測試完成后會將測試結果存儲至計算機本地，便于品質管理及數據追蹤。

圖5 系統軟件測試流程框圖

4.2 功能測試

功能測試主要是包括通訊檢測、模擬信號檢測和數字信號檢測。其中通訊檢測主要是針對整車控制器的 CAN通訊功能進行檢測；模擬信號檢測主要包括電壓信號和脈沖信號的檢測；數字信號檢測則主要包括數字量的輸入輸出和繼電器驅動檢測，功能測試流程如圖6所示。

圖6 功能測試流程圖

4.2.1 通信檢測

圖7 CAN通信測試流程圖

純電動汽車整車控制器通常具有 CAN通信端口，在對整車控制器進行功能測試時就是通過 CAN端口反饋信息完成測試的，所以需要對CAN端口先進行測試。圖7為整車控制器CAN通信檢測的測試流程。首先，進行CAN初始化，初始化完成需要對發送信息參數急接收信息參數進行設置，最后將接收到的CAN報文參數和發送的CAN報文參數進行比較，如果發送的和接收的數據能夠相同則說明測試通過。

4.2.2 模擬信號檢測

模擬信號檢測主要包括對整車控制器的工作電壓模擬測試和脈沖信號測試。

（1）工作電壓模擬測試

測試規范與項目參考 ISO16750-2 《道路車輛電氣與電子設備的環境條件和試驗 第二部分電氣載荷》，如直流供電測試、過壓測試、疊加交流測試、供電電壓變化測試、供電電壓閃斷重連測試等。具體測試項目如下（舉例 VCU常壓供電12V）。通過程控電源為VCU輸出常壓、過壓、欠壓、反壓4種不同工作電壓，同時并激活VCU，通過上位機檢測CAN通訊功能，并根據VCU反饋報文判斷VCU電壓耐受性是否合格，工作電壓模擬測試如表1所示。

表1 工作電壓模擬測試

（2）模擬輸入口測試

通過模擬板卡控制輸出相應電壓，然后發送 CAN查詢報文，通過反饋報文判斷 VCU模擬輸入口是否正常，模擬輸入口測試如表2所示。

表2 模擬輸入口測試

（3）PWM輸入口測試

表3 PWM輸入口測試

通過軟件控制板卡輸出PWM信號，然后向VCU發送CAN查詢報文，根據VCU反饋報文判斷VCU PWM輸入口是否正常，PWM輸入口測試如表3所示。

另外模擬輸出口、PWM 輸出口測試和輸入測試方法相同，最后將測試系統相應通道采集后數據和請求幀數據進行比較，如果數據對比誤差不大于 5%則判定測試合格。系統模擬信號檢測流程如圖8所示。

圖8 電壓模擬型號測試流程圖

4.2.3 數字信號檢測

數字信號檢測主要是針對整車控制器輸入口測試和輸出口測試。

（1）數字輸入口測試

通過軟件控制繼電器對 VCU進行供電，供電后發送CAN查詢報文，根據 VCU反饋報文是否與預期結果判斷VCU數字輸入口是否正常。測試方式如表4所示。

表4 數字輸入口測試

（2）數字輸出口測試

通過軟件發送端口驅動報文，VCU接受到報文使能驅動口輸出高電平或者低電平，此時板卡采集相應端口，判斷VCU驅動口是能是否正常，數字輸出口測試如表5所示。

表5 數字輸出口測試

數字信號測試流程如圖9所示。

圖9 數字信號測試流程圖

4.2.4 測試報告生成

整車控制器電來料入廠檢測設備一鍵式操作，測試過程完全實現自動化，在測試完成后，測試結果自動保存，可以.csv格式保存設備本地，可以存檔Access數據庫，也可以上傳至廠家系統云端，測試報告生成功能的開發需要利用NI LabVIEW的Report Generation Toolkit報告生成工具包，生成報告程序如圖10所示。測試報告包括VCU序列號、測試時間、測試人員、測試項目及測試結果等。同時可通過上位機界面對歷史數據進行查詢，可通過測試結果是否合格、檢測時間、測試 VCU序列號進行篩選查詢。數據可設有管理員登錄名和登陸密碼，保證數據庫的安全性。

圖10 測試報告生成模塊程序

5 測試結果分析

在測試系統對整車控制器進行測試過程中，首先是對整車控制器電性能進行測試，測試系統給整車控制器提供過壓18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V的工作電壓，持續一分鐘后切換到 12V±0.5V常壓供電，同時上位機檢測整車控制器的 CAN通訊功能，如果整車控制器通訊正常則表示其電性能正常，圖11為上位機輸出正常電壓12V±0.5V、過壓 18V±0.5V、欠壓9V±0.5V及反壓-12V±0.5V曲線。接下來測試系統開始對整車控制器的其他功能進行測試（數字量、模擬量等）最終在每一項測試完成之后，存儲成 Excel格式測試報告。整車控制器測試結果如圖12所示。

圖11 電性能測試曲線圖

圖12 測試報告

通過測試報告可以清晰看出整車控制器的各個檢測項目以及其檢測結果還有整車控制器的最終檢測結果，檢測人員與維修人員可以精準定位控制器的缺陷項目，提高生產與售后維修效率。

6 結論

經過大量試驗證明所開發的基于 CAN總線的整車控制器測試系統具有工作穩定可靠、測試精度高、實用性強等優點，整套測試系統完全可用于純電動汽車的整車控制器的各項性能的測試，有廣泛的推廣使用價值。本測試系統目前已投入市場使用，測試過程均為自動化測試，能很大程度上降低整車控制器的測試成本。