汽車多功能交互開關耐久測試系統的設計與應用

林搖杰　林候前

摘要：針對汽車多功能交互開關的耐久測試需求，通過環境試驗箱、氣缸控制器、測試工裝等硬件模塊，依托控制器局域網絡（CAN）現場總線和Modbus通信協議，設計了基于LabVIEW軟件的耐久測試系統。實現了在不同工況下多個被測器件（DUT）并行測試的功能，同時能夠智能監控整個的測試過程。選用分布在汽車座艙不同區域的多功能交互開關進行耐久測試，實際應用的結果表明：該耐久測試系統適用于多個主機廠不同類型的多功能交互開關；在多DUT并行測試下，該系統能夠長時間穩定運行且便于試驗參數的配置和測試過程的監控；試驗結果便于分析，提高了測試效率。研究結果為汽車多功能交互開關耐久測試提供了技術支撐。

關鍵詞：汽車電子；多功能交互開關；可靠性試驗；耐久測試系統

中圖分類號：U463；U467；TP27? 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.028

1 前言

隨著汽車智能化、網聯化水平的不斷提高，物理按鍵在汽車中的應用逐漸減少，多功能開關的按鍵交互模式將從物理按鍵逐步演變為智能觸控式交互[1-2]。車用開關使用耐久性研究，是汽車質量與安全性能檢測領域的重要環節之一，汽車上眾多不同類型電控開關的性能優劣直接影響汽車開關的質量[3]。

目前，車用開關疲勞試驗機普遍存在通用性差、試驗效率低和缺少開關狀態監控的問題[4]。白瑤等[5]研究了分布式實時車用開關耐久性測試原理；李尚林[6]研究了基于LabVIEW的汽車玻璃升降器耐久測試系統；唐伎玲等[3、7]基于費樹明[8]設計的汽車組合開關耐久性檢測試驗臺，進一步研究了具有通用性和并行性的檢測系統接口設計和耐久檢測系統關鍵技術。前期的研究集中在以電機為核心驅動的耐久測試系統，且應用于汽車用轉向管柱上組合開關和汽車玻璃升降器，而在以氣缸為核心驅動的耐久測試系統設計和應用上沒有研究。因此，研究以氣缸為核心驅動的耐久測試系統在多功能交互開關（如方向盤開關、中控開關等）的應用具有重要的現實意義。

本文依據汽車主機廠對多功能交互開關按壓耐久的試驗要求，依托LabVIEW測試軟件，設計了一種智能監控按壓過程，滿足多個DUT并行測試，具有通用性的耐久測試系統。

2 耐久測試的試驗要求分析

以A、B、C、D、E為代表的主流汽車主機廠，在按壓耐久測試的試驗標準中規定了溫濕度和耐久次數負載譜的分布要求，同時定義了耐久測試持續時間的計算方法。通過分析上述耐久測試的試驗要求，總結得出耐久測試系統設計開發需具備的功能。

2.1 溫濕度和耐久次數負載譜的分布要求

溫濕度和耐久次數的分布負載譜定義了溫濕度的加載順序以及在每個溫濕度下需要運行的耐久循環次數。按照溫濕度和與其相對應的耐久循環次數的分布情況進行了分析匯總，如表1、表2和表3所示。

通過分析表1、表2和表3中溫濕度和耐久次數的分布要求，為了實現在不同的溫濕度譜下完成相應的耐久次數的目的，需要環境試驗箱為DUT提供一個外部的模擬環境；通過上位機軟件的控制，實現在不同溫濕度的環境下按壓DUT，達到相應的耐久次數；試驗過程中需要通過測試工裝來執行按壓DUT的動作，同時需要監控按壓的過程。

2.2 耐久測試持續時間的計算方式

通過耐久測試持續時間的計算，可以得出DUT在每個溫濕度下耐久測試持續的時間和耐久測試完成所需的總時間。下面介紹耐久測試持續時間的計算方法。

3 耐久測試系統的設計

為了實現表4所述的功能，耐久測試系統的設計方案如圖1所示。該系統主要由供電模塊、環境試驗箱、氣缸控制器、測試工裝、CAN卡和主控制模塊組成。

3.1 供電模塊

供電系統使用220 V交流電對直流電源、環境試驗箱、電腦、氣缸控制器進行供電。其中直流電源為DUTs供電。

3.2 環境試驗箱

環境試驗箱可以根據試驗要求設置相應的高溫、低溫和濕度，從而為DUTs提供一個外部的模擬環境。本文選用的環境試驗箱的參數為：內部空間大約為1 000 L，溫度控制范圍為-40～+180 ℃，濕度控制范圍為10%到98%RH。

3.3 氣缸控制器

氣缸控制器通過線束與電磁閥連接，電磁閥通過氣管與氣缸連接，如圖2所示。氣缸控制器通過接收上位機的指令，控制電磁閥的開閉，從而使氣缸完成伸出和縮回的動作。

3.4 測試工裝

使用測試工裝是為了便于固定DUTs，同時為其提供一個模擬實車的安裝條件。根據產品的特征，集成在測試工裝上的氣缸模塊通過接收氣缸控制器的指令，使氣缸執行相應的動作，從而實現在不同環境條件下對DUTs按壓的能力。測試工裝上通常有6個工位可以安裝DUT進行同時測試。

3.5 CAN

CAN具有多主優先級總線訪問、非破壞性仲裁機制、配置靈活、錯誤檢測、自動重傳等特點[9]，被廣泛應用于道路車輛控制領域。DUTs通過CAN連接，搭建一個模擬實車通信模式的場景。

3.6 主控制模塊

主控制模塊主要包含電腦和上位機軟件。以上位機為中樞系統對各個模塊進行控制和交互：通過CAN與DUTs建立模擬實車通信的模式；通過實驗室網關控制環境試驗箱；通過氣缸控制器控制氣缸模塊；同時實現各個模塊之間的信息交換、試驗過程實時監控和記錄等功能。

4 耐久測試系統軟件的開發

本文選用LabVIEW測試軟件，結合測試方法和標準要求，進行耐久測試系統的軟件開發。該軟件使用“生產者/消費者”的主體架構[10]，采用圖3所示的基本流程框圖。該軟件的運行邏輯為：首先選擇硬件，然后配置相應的試驗參數，點擊開始運行，軟件根據配置的試驗參數按步驟運行，直至耐久次數達到后結束，試驗過程采集并記錄相應的數據。

耐久測試系統的軟件主要包含6個模塊：DUT功能交互模塊、環境試驗箱控制模塊、氣缸控制模塊、試驗參數配置模塊、數據記錄模塊、試驗過程實時顯示模塊。軟件的界面如圖4所示。

4.1 DUT功能交互模塊設計

本文使用Vector公司型號為VN1640的物理接口卡。在“DUT Configuration”軟件界面內，配置DUT參數并選擇對應的CAN通道，通過CAN通信技術，實現DUT與耐久測試軟件之間的功能交互。在“CAN”軟件界面內，實時顯示DUT功能交互情況。

4.2 環境試驗箱控制模塊設計

在“Climate Control”軟件界面內，配置IP地址、溫箱的編號等參數，通過環境試驗箱上位機和實驗室網關實現對溫箱的控制與數據交換。環境試驗箱的控制如圖5所示。

4.3 氣缸控制模塊設計

4.4 試驗參數配置模塊設計

該模塊主要分為7個部分，詳細功能如下：

a.氣缸控制器配置：通過輸入連接類型和網關，實現氣缸控制器與上位機的通信。

b.電磁閥配置：通過電磁閥編號與其相對應的物理按鍵的配對，實現氣缸按壓動作能夠精確地施加到目標按鍵上。

c.按鍵按壓順序配置：可以對DUT上所有按鍵按壓的先后順序進行管理。

d.氣缸伸縮配置：通過對氣缸伸縮動作的分步控制，實現按壓時間、保持時間的設置，從而可以計算出完成一次按壓需要的時間。

e.按鍵狀態判斷配置：在氣缸伸縮配置的每一個分步中，設置按鍵狀態值判斷和判斷等待時間，以便于測試軟件對每一次按壓過程進行判定，從而利于對失效次數的統計和分析。

f.按鍵次數配置：設置每一個按鍵需要按壓的耐久次數。

g.溫濕度和耐久次數的分布負載譜配置：根據測試標準和需求，設置溫濕度和與其相對應的耐久循環次數，最終實現在不同的溫濕度下完成相應的耐久次數。

根據試驗標準和測試方法，配置不同的試驗參數，最終實現在不同的溫濕度下，有序地按壓DUT到指定的次數，同時記錄整個過程中按鍵的狀態并進行判定。

4.5 數據記錄模塊設計

數據記錄模塊的功能是記錄試驗過程中的事件數據和錯誤信息。在“Data View”軟件界面內，記錄每個按鍵信號被觸發的次數和每一次按壓的事件數據。在“Wago Control”軟件界面內，記錄每一次耐久測試的完成情況。通過記錄這幾類數據，便于快速分析試驗結果。

4.6 試驗過程實時顯示模塊設計

試驗過程實時顯示模塊的功能是實時顯示DUT功能的交互情況和耐久試驗的執行過程。在“Data View”軟件界面內，實時顯示按鍵被觸發的次數。在“Wago Control”軟件界面內，實時顯示環境試驗箱的溫濕度，氣缸動作的狀態和按鍵按壓的情況。在“Visu”軟件界面內，按照DUT外觀視圖呈現，便于觀察和判斷按鍵的功能，按壓的順序，DUT的連接是否正常等信息。

5 耐久測試系統的應用

選用主流汽車主機廠，同時具有多功能交互功能的開關作為測試對象，以F、G、H、I、J、K、L、M命名，這些產品分布在汽車座艙的中控區域、行駛區域和方向盤上，產品涉及的操作模式有物理按鍵式和觸控式。通過這8個典型項目耐久試驗的實際應用，對耐久測試系統長時間連續運行下的穩定性、文件記錄情況、軟件是否便于使用等方面進行了統計和分析，匯總結果見表5。

由表5可知，該耐久測試系統適用于多個主機廠不同類型的多功能交互開關的耐久試驗。在多DUT并行測試下，該系統能夠長時間穩定運行，且便于試驗參數的配置和測試過程的監控，試驗結果便于分析，提高了測試效率。

6 結語

研究了不同主機廠對多功能交互開關按壓耐久的測試要求，開發了以氣缸為核心驅動且基于LabVIEW軟件的耐久測試系統，并對該耐久測試系統進行了驗證。通過對多個主機廠不同類型的多功能交互開關的耐久試驗，驗證了本耐久測試系統的穩定性和可靠性。

在測試應用方面，該系統通過更換測試工裝、局部更新測試軟件模塊，即可滿足不同產品的耐久測試需求，具有通用性和易擴展性的特點。使用該系統不僅縮短了產品耐久性驗證的周期，還提高了工程師對試驗結果分析的效率。本研究為汽車多功能交互開關耐久測試提供了技術支撐。

參考文獻：

[1]李玉昆，孟健，郁淑聰展望未來智能汽車人機交互：多模態融合感知技術成為趨勢[J]汽車與配件，2022（21）：56-58

[2]王在昌，吳峰汽車開關研究現狀和發展趨勢[J]汽車實用技術，2019（9）：241-244

[3]唐伎玲，費樹明，王樂樂，等嵌入式汽車開關耐久性檢測試驗臺接口[J]長春工業大學學報，2020，41（6）：608-612

[4]李念峰，趙丹華，高鵬，等車用儀表開關疲勞壽命檢測系統研究[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication（SEMC 2011 V1），2011：332-334

[5]白瑤，黃昶分布式實時車用開關耐久性測試原理[J]信息技術，2012，36（11）：140-141+144

[6]李尚林基于LabVIEW的玻璃升降器耐久測試設備研究[D]長沙：湖南大學，2020

[7]唐伎玲，費樹明車用組合開關耐久性檢測系統設計與關鍵技術[J]汽車技術，2020（5）：59-62

[8]費樹明汽車組合開關耐久性檢測試驗臺設計[D]長春：長春工業大學，2019

[9]ISO 11898-1：2015-12 Road vehicles-Controller area network（CAN）-Part 1：Data link layer and physical signalling[S]

[10]陳樹學，劉萱LabVIEW寶典[M]2版北京：電子工業出版社， 2017

作者簡介：

林搖杰，男，1987年，工程師，研究方向為汽車電子產品的可靠性試驗驗證與分析。