基于CANoe的ECU功能自動化測試系統設計

于文函，黃銳景，王 琪，賴永發(fā)，劉 軍

（廣汽零部件有限公司 技術中心，廣東 廣州 510000）

當前，新一輪科技革命和產業(yè)變革蓬勃發(fā)展，汽車正由人工操控的機械產品逐步向電子信息系統控制的智能產品轉變，智能汽車已成為全球汽車產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。隨著消費者需求不斷升級，自動駕駛等級不斷提升，汽車電氣化和智能化不斷發(fā)展，汽車控制器作為汽車電子控制系統的核心將愈加重要。控制器的功能測試一般分為臺架測試和實車驗證，是保障ECU功能安全的重要環(huán)節(jié)。臺架手動測試需要測試人員使用萬用表、示波器、函數發(fā)生器等設備，有時還需要自制線束做故障注入測試，存在測試周期長、測試效率低、漏測誤測率高、測試成本高和自動化程度低等缺點。

為解決以上問題，有研究者提出設計自動測試系統以替代人工完成大量重復、枯燥的測試工作。楊一璜采用上位機LabVIEW監(jiān)控程序+下位機數字信號處理（Digital Signal Processing, DSP）的架構檢測飛機防滑剎車控制器性能[1]；陳良提出基于LabVIEW+CAN卡的永磁同步電機性能測試系統[2]；柴華提出PXle架構+Simulink+LabVIEW搭建燃料電池汽車動力系統測試平臺[3]，但是以上采集模塊均不能滿足CAN總線實時性高和自動化測試的要求。肖騰飛利用LabVIEW+PXIe-1078搭建了適用于各種變速器的測試系統，但其面向儀器系統的PCI擴展（PCI extensions for Instrumentation, PXI）實時系統不能模擬其他節(jié)點報文[4]。李璐提出基于 CANoe+Vector設備的汽車網關自動化測試系統，但是成本頗高，設備均需購買[5]。夏曉經[6]、張博棟[7]、孫立行[8]均提出 LabVIEW+NI板卡的測控系統來測試汽車控制器，但是沒有提出多條測試用例自動化測試的方法且購買板卡成本頗高。楊雪等[9]自研了電機控制器測試系統的下位機，但是下位機不具備模數轉換器（Analog to Digital Converter, ADC）、數模轉換器（Digitalconverter to Analog Converter, DAC）、 脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）功能。總的來說，購買板卡存在開發(fā)費過高、兼容性和拓展性差等缺點。

本文提出了一種基于CANoe的CAPL（上位機）+自研控制板（下位機）的針對汽車控制器的自動化測試系統。下位機檢測待測件輸出數字量和模擬量并將其轉化為CAN或者LIN報文發(fā)送至上位機。上位機發(fā)布指令控制程控電源和下位機，發(fā)送節(jié)點報文至總線，接收、分析和判斷待測件輸出報文，輸出測試報告和保存測試數據等。上位機界面可實時顯示待測件各種信號值和相應曲線，方便工程師進行判斷。

1 測試臺架硬件設計

汽車電子控制系統主要由 ECU、傳感器、執(zhí)行器組成[10-11]。ECU對各種傳感器的輸入信號檢測并進行計算處理，根據控制策略向執(zhí)行器發(fā)出控制指令[12-13]。汽車ECU工作所需信號一般包括電源電壓（12 V）、總線報文、開關類信號、模擬量信號和PWM信號。總線報文是ECU與車上其他ECU通訊的媒介；開關類信號一般包含兩種狀態(tài)：一種是接到VBAT電源，另一種是接到地上；模擬量信號通常由傳感器獲得的直流電壓信號；PWM信號一般為幅值0 V～5 V的方波信號。ECU輸出量包括數字信號、模擬量輸出、總線報文、PWM信號。數字信號一般為高低電平信號，模擬量信號常為直流電壓信號，PWM信號一般為驅動燈光、電機等的方波。

所以測試系統下位機應能模擬ECU工作時所需的各種信號，同時檢測ECU輸出給各執(zhí)行器的驅動信號，最終通過報文發(fā)送至上位機。

1.1 下位機需求分析

圖1為測試系統硬件連接示意圖，AC220 V給穩(wěn)壓電源和程控電源分別供電。程控電源通過負載板給被測器件（Device Under Test, DUT）供電，DC12 V穩(wěn)壓電源給主板和負載板供電。CANoe是德國Vector公司開發(fā)的關于汽車總線網絡開發(fā)、測試和分析的專業(yè)工具。控制板采用主板加負載板的設計模式：主板包括微型控制單元（Micro Controller Unit, MCU）和其外圍控制電路等；負載板包括接插件、功率電路、繼電器電路和保護電路等。

圖1 測試系統硬件連接示意圖

1.1.1 主板電路

圖2為主板和負載板硬件連接示意圖。控制板包括主板和負載板，主板采用 NXP的 FS32 K144-100LQFP芯片作為主 MCU、適配 PE燒錄器，采用外部16M無源晶振，上電自復位。電源管理模塊輸出5 V電源給MCU供電。CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器收到上位機發(fā)送的報文并進行解析，再執(zhí)行相應指令。PWM輸入、輸出模塊和IO（通用輸入輸出）輸入模塊采用三極管 MMBT 3904L組成檢測和驅動電路。散熱風扇由穩(wěn)壓直流電源供電，為主板和負載板散熱。IO輸入可采集并判斷DUT輸出信號高低電平。IO輸出模塊采用鎖存器控制繼電器的方式控制點火（Ignition, IG）信號的通斷，也可以注入短電短路故障。ADC輸入可以采集各種物理量；DAC輸出可以輸出不同的電壓值；PWM輸入捕獲可以檢測DUT輸出的PWM；PWM 輸出可以輸出不同幅值、不同占空比、不同頻率的PWM波形。主板把采集到的信號轉化為CAN或者LIN報文，并發(fā)送至上位機，是下位機控制的核心。

1.1.2 負載板電路

如圖 2所示，負載板包括啟動停止模塊、電機故障制造模塊、接插件模塊、散熱風扇驅動模塊、繼電器模塊和保險絲模塊。主板IO口采用鎖存器控制繼電器的方式輸出高低電平。場效應管（Metal Oxide Semiconductor, MOS）用于驅動繼電器吸合、斷開。接插件模塊連接待測件線束以采集其信號。DUT模擬量輸出端通過焊接線連接至負載板接插件，改變了之前線束連接不牢固、不安全的弊端。主板和負載板兩部分設計可以有效保護MCU，隔絕大電流。保險絲分別采用1 A、5 A、30 A的玻璃管保險絲，防止大電流和短路對主板的損傷。

圖2 主板和負載板硬件連接示意圖

2 軟件設計

下位機采用NXP的S32編譯環(huán)境進行編程，上位機采用CANoe的CAPL進行編程。測試系統采用上位機+下位機的模式進行設計。

CANoe的可擴展標記語言（Extensible Markup Language, XML）模塊可從編譯好的測試用例中選擇并執(zhí)行連續(xù)的測試流實現自動化測試[14-15]。CAPL是CANoe的編程語言，它提供了豐富的測試應用程序編程接口（Application Programming Interface, API）：Test Feature Set，并能自動生成測試報告，同時提供Report View功能，方便客戶自定義報告模板。

2.1 下位機軟件設計

下位機軟件流程圖如圖 3所示，控制板上電后芯片進行初始化、運行操作系統（Operating System, OS）、接收上位機CAN報文指令、控制鎖存器芯片驅動繼電器等。

圖3 下位機軟件運行流程圖

控制板適配PE燒錄器。控制板支持I/O輸入捕獲和檢測（8路）、AD采集（8路）、DA輸出（4路）、PWM輸入捕獲（4路）、PWM輸出（4路）、配置阻性負載（3路）、驅動三相電機（1個）和直流電機（3個）等功能。

2.2 上位機軟件設計

圖4為測試系統控制方式示意圖。CANoe的CAN1連接到DUT，CAN2連接到控制板的CANH和CANL，兩路CAN分別受CANoe控制，互不影響，保證測試精度。程控電源通過USB線和PC機連接。CANoe自帶的CAPL程序通過RS232模塊發(fā)送可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments, SCPI）控制程控電源，發(fā)送CAN報文控制控制板繼電器通斷繼而控制IG電。

圖4 測試系統控制方式示意圖

圖5為CAPL架構圖，CAPL提供了.cin文件，可將基本的函數接口按照不同類型分別定義在各自的.cin，從而形成二層引用結構。AFTP.cin和DUT進行總線通訊，RS232.cin控制其他儀器設備（比如程控電源等），Context.cin對輸入的dbc（通訊矩陣）進行解析和存放一些系統級函數。XML模塊包含大量測試用例，用戶可以通過測試分組對這些用例進行分類和分級管理。程序運行完成后，會根據測試用例生成測試報告并保存測試數據。CANoe導入dbc后可仿真整車節(jié)點并周期性發(fā)送報文，CAPL可定義報文中不同信號值。CANoe通過CAN1接收DUT的CAN報文并解析出具體信號值，再判斷信號值正確與否。

圖5 CAPL架構圖

3 實驗

圖6為測試換擋器功能臺架。控制板和DC12 V穩(wěn)壓電源等固定在機柜內部。負載板接插件通過焊接線連接至前面板；香蕉頭把前面板和待測件線束連接起來，這樣控制板就可采集待測件的輸出量。PC裝載測試程序通過RS232指令控制程控電源輸出相應電壓，通過CAN報文給控制板發(fā)送控制命令，并在電腦顯示器中顯示出待測件發(fā)送報文情況和其模擬量檢測情況。

圖6 測試系統實物圖

按照圖 7測試流程，搭建好測試環(huán)境后開始自動測試，上位機初始化已配置好供電電壓、節(jié)點報文信號和其他模擬量輸入，按照圖 8上位機提示進行手動操作（換擋），即可實現換擋器控制器功能自動化測試。面板實時顯示KL30、KL15、DID0600、P_SW、變速箱控制單元（Transmission Control Unit, TCU）擋位、電子換擋器擋位、鑰匙狀態(tài)、駕駛模式、報警信號值。上位機把采集信號值和預期值（依據功能規(guī)范輸入）進行對比分析，進而確定此項測試通過與否。測試完成后，可自動生成如圖 9所示的測試報告并保存測試數據。

圖7 自動化測試流程圖

圖8 換擋器自動化測試上位機圖

圖9 功能測試報告

4 結束語

本測試系統利用CANoe仿真整車其他節(jié)點報文，控制程控電源輸出電壓，給下位機發(fā)送相關指令，接收控制板檢測報文，提示操作者進行操作，判斷待測件輸出量是否正確和生成測試報告等。

基于此，測試系統可自動完成ECU基礎性功能測試、電源管理類實驗、跛行類功能檢測、下線檢測等臺架測試。測試系統極大地提升了測試效率，降低了 ECU測試成本，繼而降低了 ECU的開發(fā)成本，保障ECU功能安全。