多控制器協同下的測試數據采集與分析系統設計研究

摘 要：隨著汽車電子技術的快速發展，整車控制系統逐漸由單一控制器向多控制器協同控制轉變，這對控制器測試系統提出了更高的要求。過去的測試方法很難完全滿足多控制器并發運行、多信號同步采集與分析的新需求，因此需要構建一種高效、精準的多控制器協同測試數據采集與分析系統。本文以汽車控制器測試為研究對象，分析多控制器協同測試中的技術挑戰，設計了一種集成高精度數據采集模塊、時序同步機制和智能分析算法的系統架構。系統通過統一的通信接口和調度機制，實現了對多個控制器運行狀態、輸入輸出信號及控制器間交互信息的實時監測與分析，提升了測試效率和數據準確性。實驗驗證表明，該系統具有良好的擴展性和穩定性，能夠有效支持智能駕駛、動力總成、電控底盤等領域的控制器測試工作，為智能網聯汽車控制系統的研發與驗證提供了技術支撐。

關鍵詞：多控制器協同 測試數據采集 汽車電子控制器

隨著汽車技術的日益智能化，整車電子電氣架構趨于復雜化，多種電子控制單元（ECU）需在統一平臺下協同運行，如發動機控制器（ECM）、變速器控制器（TCU）、車身控制模塊（BCM）等。這種控制器間的協同關系使得測試驗證工作不再局限于單個控制器，而是需要實現多控制器間的數據交互驗證和協同測試。當前行業中普遍存在測試數據獲取延遲、同步精度差、分析效率低等問題，嚴重影響控制器開發迭代效率和產品可靠性。為解決上述問題，構建一套具備高并發、高精度、強同步能力的多控制器測試數據采集與分析系統成為研究的關鍵。

1 需求分析

1.1 異構信號采集能力需求

多控制器測試場景中，涉及多種類型的信號，包括模擬量（如溫度、電壓、電流）、數字量（如開關狀態）、總線數據（如CAN、LIN、Ethernet等）以及狀態量（如故障碼、控制標志位等）。測試系統應支持這些異構信號的同時采集與處理，且具備良好的可擴展性，能夠適應不同控制器組合與接口形式。

1.2 時序同步性需求

多控制器之間的數據交互和協同控制往往對時間同步精度有極高要求[1]。尤其是在涉及ADAS與自動駕駛測試時，控制策略需在毫秒甚至微秒級時間內作出響應，測試系統必須具備統一時間基準、同步誤差小、時序對齊能力強等特點。

1.3 通信協議兼容性需求

目前主流的汽車總線協議包括CAN、CANFD、LIN、FlexRay、Automotive Ethernet等。測試系統必須具備廣泛的協議解析能力，能夠對上述協議數據進行實時捕獲、幀級解析和物理信號轉換，便于后續數據比對與功能驗證。

1.4 數據分析需求

在采集數據的基礎上，測試人員需要對數據進行多維度分析，包括信號趨勢分析、控制邏輯驗證、故障追溯、數據回放等功能。尤其在多ECU協同邏輯驗證場景中，測試系統應支持跨控制器的數據對比、同步軌跡重建、狀態一致性驗證等分析手段，并可自動生成測試報告，輔助測試結論判定。

1.5 可視化需求

為了提升測試效率，系統還應具備圖形化數據查看能力，包括波形圖、趨勢圖、狀態圖等形式。測試人員可以在測試過程中實時查看數據變化趨勢，也可以在測試結束后進行數據回放與逐幀分析，實現對系統行為的深度理解與驗證。

2 系統架構設計

系統架構設計如圖1所示。

2.1 測試控制平臺

作為系統的核心調度單元，測試控制平臺負責系統配置管理、測試流程控制、數據集中存儲與分析等功能。平臺集成圖形化用戶界面（GUI）、信號解碼模塊、數據分析引擎和報告生成模塊，可對各節點進行遠程控制與狀態監控。

2.2 數據采集節點

該模塊分布部署在各被測控制器附近，主要負責對物理信號（模擬量、數字量）、總線數據（CAN、LIN、Ethernet等）進行實時采集，并預處理（濾波、緩存、壓縮）后上傳至控制平臺。每個節點具備獨立處理能力，支持模塊化擴展，滿足多種測試場景。

2.3 時間同步模塊

為了實現跨控制器數據的一致性與協同性，系統引入高精度時間同步機制。該模塊基于PTP（IEEE1588）、GPSPPS信號或IRIG-B協議，為所有采集節點和控制器提供統一時間源，確保數據對齊精度在微秒級別。

2.4 汽車控制器集群

包括車輛的多個ECU，如VCU、MCU、BMS、ADAS域控制器等，這些控制器通過CAN/LIN/以太網等方式進行交互。在系統架構中，各控制器均接入采集節點，實現其狀態數據、總線報文、輸入輸出信號的同步采集與反饋分析。

3 關鍵技術

3.1 多通道并行數據采集

汽車控制系統的測試往往涉及多個ECU并發工作，各ECU所產生的數據具有高頻、異步等特性，單通道串行采集方式已無法滿足性能需求。本系統采用多通道并行采集技術，結合高帶寬總線與多線程調度機制，使得采集節點能夠同步采集來自多個源的信號。其中，高性能AD采樣模塊采用高速模數轉換芯片，可支持每通道高達幾MHz的采樣率；多線程DMA緩存機制確保數據從采樣端到處理端的無損傳輸；通道隔離設計物理隔離確保各通道信號采集互不干擾，提升系統抗干擾能力。

3.2 高精度時間同步

在多控制器并行采集過程中，時間一致性是確保數據可關聯性和后續分析準確性的前提。本系統結合PTP（Precision Time Protocol）、GPSPPS信號、IRIG-B等多種授時方式，搭建高精度時間同步網絡。主從時鐘架構方面，系統中設置一個時間主節點，其他設備作為從節點，通過同步協議自動校時；時間戳打標機制方面，每條采集數據均帶有高精度時間戳，誤差可控制在±1μs以內；軟件對齊算法方面，在后處理階段進一步對不同來源數據進行微調，以確保統一的時間基準。

3.3 異構數據融合

車輛控制系統的各控制器所輸出的數據格式、頻率、協議各不相同。為了實現統一的分析和呈現，本系統采用了異構數據融合技術，通過建立中間件轉換層，屏蔽物理層差異，并進行統一建模。首先，通過多協議解析支持CAN、CANFD、LIN、FlexRay、UDS、以太網AVB等通信協議，能夠自動解析不同類型的報文；其次，用戶可導入DBC、ARXML等描述文件，自動識別信號名稱、單位、值域等元信息[2]；然后，通過統一的JSON/XML格式進行封裝、融合，實現采集數據在平臺內的統一調用與存儲。

3.4 本地數據預處理

考慮到采集節點部署于控制器附近，原始數據體量龐大，直接傳輸至控制平臺會造成網絡瓶頸，因此系統引入邊緣計算技術，在本地進行部分數據預處理。采集節點內置均值濾波、中值濾波算法，對信號進行初步處理；事件觸發緩存機制僅在檢測到觸發條件（如故障碼、異常波形）時才上傳完整數據段，提升帶寬利用率；邊緣推理引擎針對部分測試任務（如信號邊沿檢測、周期性異常判斷），可在采集節點直接運行輕量級分析模型。

3.5 大數據分析

為應對海量多維測試數據的分析需求，系統集成大數據分析與智能可視化技術，提升問題發現與定位效率。采用InfluxDB、TDengine等高性能時序數據庫，實現高頻采樣數據的高效寫入與查詢；支持波形圖、熱力圖、趨勢圖等多種可視化模式，可進行多通道數據對比分析；集成模式識別、頻域分析、主成分分析（PCA）、K-Means聚類等算法，輔助定位異常。

3.6 自動化測試

為提升測試效率與復現能力，系統支持自動化測試腳本設計與數據回放功能。用戶可通過Python或圖形化流程構建測試用例，實現測試自動運行；將歷史采集數據在控制器真實環境下重放，檢驗控制策略穩定性；可將測試結果反向注入ECU，完成控制邏輯的閉環仿真測試。

4 測試驗證

4.1 應用場景

本測試涉及以下控制器：VCU（整車控制器）、MCU（電機控制器）、BMS（電池管理系統）、TCU（變速器控制器）。測試目標為：各控制器協同起步、換擋、充電狀態下的數據一致性；高壓聯鎖故障下多控制器響應延時評估；控制器之間CAN通信幀丟失、錯序檢測。

4.2 測試過程

4.2.1 測試系統部署

測試系統部署如圖2，涵蓋采集節點布置、信號接入與控制器連接，每個ECU通過高速CAN總線與數據采集節點連接；采集節點部署于各ECU附近，采集模擬信號、電壓電流、狀態位；GPS授時模塊與主控平臺建立同步鏈路，實現數據全局統一時間戳；控制平臺通過以太網實時接收并處理采集數據。

4.2.2 測試執行流程

在測試執行過程中，首先進行系統初始化與設備連通性檢測，確保各采集節點、控制器及授時模塊工作正常，采集通道配置無誤。隨后，按照預設場景逐一開展測試任務。每項測試前，啟動平臺進行實時數據采集與時間同步，確保各控制器數據在同一時間軸下準確對齊。以“車輛起步測試”為例，測試人員手動觸發VCU發送起步指令，系統同時記錄MCU輸出轉矩、TCU擋位反饋以及CAN通信數據，分析各控制器間的響應時延與協同一致性。再如“高壓互鎖故障注入測試”，通過模擬高壓電斷開，觀察BMS、VCU、MCU等控制器的故障識別與保護動作時間，評估系統安全性響應速度。各項測試結束后，采集數據統一上傳至測試平臺進行可視化分析，提取關鍵參數波形、通信異常事件與控制邏輯變化，最終輸出數據報告支持設計優化。

4.2.3 測試場景

（1）車輛起步測試

車輛起步階段是多控制器協同的典型工況之一，涉及VCU（整車控制器）發出起步請求，MCU（電機控制器）執行轉矩輸出，TCU（變速器控制器）調節適當擋位配合起步[3]。測試中，操作人員通過測試平臺觸發VCU發出起步信號，平臺同步采集VCU指令、電機扭矩曲線、變速器狀態字以及整車速度變化數據。通過分析三者間的響應時間差異，可評估控制器間指令傳遞的時效性和數據一致性。例如在某次測試中，VCU到MCU的響應延遲為8ms，MCU到TCU的協調時差為5ms，總體滿足系統同步響應要求。同時，測試過程中重點監控是否出現指令丟失、響應延遲過大等問題，并記錄CAN通信數據以便后續分析。本測試場景可有效驗證系統在起步初期多控制器協同控制的穩定性與可靠性，為整車動態響應性能評估提供依據。

（2）換擋邏輯同步性測試

換擋過程對多控制器間協同提出較高要求，尤其在電驅動系統中，TCU與MCU需高度協調，以避免換擋頓挫或驅動中斷[4]。測試過程中，試驗車輛在設定速度范圍內運行，TCU依據程序邏輯發出升擋或降擋請求。系統同步采集TCU擋位變化信號、MCU轉矩調整過程及VCU反饋指令。關鍵測試指標包括換擋響應時間、轉矩調節曲線變化平滑性及各控制器之間的數據一致性。例如，在一次升擋測試中，TCU發出升擋請求后，MCU在20ms內完成轉矩瞬時調降，并在TCU擋位確認完成后恢復至目標輸出，期間無抖動、扭矩突變。通過圖形化分析工具還可觀察換擋期間整車加速度曲線，進一步判斷協同控制的舒適性與邏輯合理性。本測試可有效識別控制策略存在的問題，并為TCU-MCU協調控制邏輯優化提供數據支撐。

（3）高壓聯鎖故障注入

高壓聯鎖系統是保障車輛高壓回路安全的關鍵裝置，一旦故障未能被及時識別并斷電，可能引發安全隱患[5]。測試中，通過控制高壓互鎖模擬器斷開高壓聯鎖信號，平臺同時監控BMS、VCU、MCU的故障識別時間、響應延遲以及是否按照設計邏輯執行功率下發禁止、斷開接觸器等保護動作。以一次測試為例，高壓聯鎖斷開后，BMS在3ms內識別并上報故障狀態，VCU于5ms內接收并下發停機命令，MCU響應并將輸出轉矩降為0。測試還驗證了系統在突發故障情況下的數據完整性及故障處理的閉環性。通過CAN數據記錄工具采集事件發生前后的通信內容，可分析是否存在通信阻塞或丟幀等影響故障處理效率的異常。本測試場景可驗證系統的功能安全等級，評估控制器之間對關鍵故障的協同響應能力。

（4）通信擾動驗證

在車輛運行過程中，外部電磁干擾或網絡負載過高可能導致CAN總線通信異常，影響控制器間數據交互的可靠性。通信擾動測試主要通過專用干擾發生模塊，在系統運行中注入短時高頻干擾或模擬總線負載過載，平臺實時采集所有控制器之間的CAN通信幀，分析是否出現幀丟失、重復、錯序等異常情況。測試結果通過平臺數據校驗模塊自動生成通信異常報告，并標記異常幀序列。以一組典型數據為例，在5秒內注入8次干擾，總計檢測到幀丟失14幀、錯序3幀，誤碼率控制在0.1%以內，系統能通過冗余機制完成重發并恢復正常。測試過程中還觀察MCU與VCU在干擾期間是否存在控制失效或異常狀態反饋。該場景重點驗證系統通信鏈路魯棒性與抗干擾能力，為通信設計冗余、校驗機制的合理性評估提供依據。

5 結論

隨著新能源汽車和智能駕駛系統的發展，控制器數量和控制復雜性呈指數級增長，傳統測試手段已難以勝任全場景、多系統驗證任務。本文所設計的多控制器協同測試數據采集與分析系統，結合高精度時序同步、統一總線解析、智能分析算法和分布式架構，能有效解決現有測試難題，提升測試效率和問題發現能力。工作中，系統可進一步融合AI深度學習模型，實現智能故障預測與自動報告生成。同時，結合云平臺與數字孿生技術，可實現遠程測試與虛實結合驗證，為車企研發提供更全面的測試解決方案。

參考文獻：

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[5]李孝云，付貝貝，劉琴，等.電動汽車電機及電控系統綜合性能檢測試驗臺[J].設備管理與維修，2020（1）：2.