基于NI產(chǎn)品的高壓共軌柴油機電控單元測試系統(tǒng)的開發(fā)

挑戰(zhàn)：
 
發(fā)動機電控單元的開發(fā)面臨著開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量的雙重壓力，如何在產(chǎn)品開發(fā)過程中快速地測試控制系統(tǒng)的功能性、可靠性，在保證開發(fā)質(zhì)量的前提下，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，是所有開發(fā)人員面前的難題。而在實際的發(fā)動機臺架試驗中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險的，可能會對控制器、發(fā)動機、臺架設(shè)備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設(shè)備模擬發(fā)生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進行該項功能的全面測試，節(jié)約臺架時間，降低測試風險。

應用方案

利用NI公司的軟硬件產(chǎn)品，開發(fā)人員可以快速高效地搭建出電子控制系統(tǒng)（ECU）測試平臺, 其靈活的硬件配置、圖形化的編程方法，使用戶可以方便地開發(fā)出從簡單的子系統(tǒng)測試到復雜的全系統(tǒng)測試方案。在此基礎(chǔ)上應用TestStand建立了一套ECU功能檢測設(shè)備，從而在整個開發(fā)流程中提供了一個從靈活的軟件調(diào)試工具、軟件功能測試到硬件電路檢測的完整解決方案。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 7.1
LabVIEW FPGA 
TestStand 3.5
PXI-6229 M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡
PXI-7831R 可重新配置的多功能I/O卡
PXI-6512 低價位工業(yè)數(shù)字輸出卡
PXI-8464/2 單口軟件可選PXI-CAN接口
PXI-6723 靜態(tài)和波形模擬輸出板卡

介紹：

高壓共軌控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)要求建立起一套硬件在回路仿真測試平臺，要求該平臺能提供高速的相位準確的發(fā)動機曲軸和凸輪軸信號，以及其他傳感器輸入信號，如共軌油壓、踏板開度、冷卻水溫度、機油壓力、燃油溫度、增壓壓力等，對輸出到執(zhí)行器，諸如各缸的預噴、主噴以及泵油信號的寬度和相位也要求能準確捕捉，以反映出控制系統(tǒng)真實的控制功能。同時，要求測試系統(tǒng)具有故障發(fā)生模塊，方便調(diào)試電控單元的診斷功能。這樣在控制軟件的設(shè)計過程中，通過硬件在環(huán)的仿真調(diào)試，可以快速地確認算法的功能，盡早地發(fā)現(xiàn)和糾正軟件功能錯誤，降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。NI公司的虛擬儀器理念克服傳統(tǒng)儀器功能單一，擴展開發(fā)困難的缺點，為電控高壓共軌系統(tǒng)控制單元的開發(fā)提供靈活、完整的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop）仿真調(diào)試平臺，并建立產(chǎn)品ECU功能檢測設(shè)備。本文介紹了該套系統(tǒng)的設(shè)計方案及其特點。

正文：

軟件調(diào)試平臺建立：
根據(jù)高壓共軌控制器的輸入信號相位要求、輸出信號高速采樣要求和故障發(fā)生原理，基于NI公司軟硬件產(chǎn)品，利用PXI-7831R FPGA板卡高速發(fā)生和采集關(guān)鍵信號，利用PXI-6512和繼電器組合實現(xiàn)了各種故障的發(fā)生。搭建出的測試系統(tǒng)在實際ECU功能測試中的應用表明，該系統(tǒng)能夠高速模擬發(fā)生發(fā)動機在不同工況下不同相位關(guān)系的曲軸和凸輪信號，結(jié)合其他如共軌壓力、油門踏板和溫度信號的發(fā)生，通過對噴油脈寬和相位、泵油脈寬和相位的捕捉，實現(xiàn)了對控制器在不同工況下硬件電路、軟件功能的測試，進而為控制器的研發(fā)和調(diào)試提供了很好的手段。
利用兩塊NI的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）板卡PXI-7831R，一塊用來發(fā)生轉(zhuǎn)速和捕捉同步信號，實現(xiàn)了高速、相位準確的發(fā)動機曲軸和凸輪軸信號的發(fā)生，一塊用來捕捉噴油和泵油信號。轉(zhuǎn)速信號采用While 循環(huán)和平鋪式順序(flat sequence)結(jié)構(gòu)，第一個序列中為一可調(diào)計時器，用來控制第二個序列信號點輸出的速度，進而改變轉(zhuǎn)速信號的頻率，該板卡上的另外5路AO用于發(fā)生軌壓信號、油門開度及其它溫度信號，如圖1所示。

程序中While 循環(huán)中的循環(huán)計數(shù)用來控制當前循環(huán)各模擬輸出口電平的高低，其邏輯根據(jù)所需信號的種類而定，本文中的曲軸信號為每轉(zhuǎn)48齒缺3齒，凸輪軸信號為每兩轉(zhuǎn)6齒加1齒。另外，為了實現(xiàn)噴油和泵油信號捕捉處理時與轉(zhuǎn)速信號相位的同步，在每兩圈曲軸信號第一齒上升沿位置產(chǎn)生一捕捉同步信號，實際發(fā)生的發(fā)動機1500轉(zhuǎn)信號如圖2。

圖2 實際發(fā)生的轉(zhuǎn)速與捕捉同步信號 
  
噴油信號和泵油信號的捕捉是測試中的關(guān)鍵，直接反映軟件的控制輸出，設(shè)計中是通過測量驅(qū)動電路中電流波形來獲得，選用Honeywell的電流傳感器。對噴油信號需精確獲取噴油脈寬和噴油相位，對泵油信號主要是獲取精確的相位，對脈寬寬度測量精度要求不高。 

圖3為LabVIEW FPGA中的程序，顯示了一路噴油器控制信號和一路泵油信號的測量流程。在測試程序中，首先利用速度信號發(fā)生模塊中的捕捉同步信號來觸發(fā)測試開始，確保測試開始點與發(fā)動機工作相位的嚴格同步，進而保證結(jié)果中噴油和泵油信號相位的準確性。

圖4所示為電流信號測量的原理圖，以噴油器電流信號為例。首先針對信號幅值確定兩個閾值，分別為電流上升閾值up和下降閾值down。在測試中，測試程序一經(jīng)觸發(fā)，以恒定的采樣時間間隔 對電流波形進行采樣，首先尋找上升沿，當在第n1個循環(huán)找到后，把n1值寫入預設(shè)數(shù)組第一行，程序轉(zhuǎn)入尋找下降沿n2，寫入數(shù)組第二行，接著是后一個脈沖的n3、n4，(n2-n1)* 和(n4-n3) * 則為主預噴射的噴油脈寬。

找到每一缸噴油信號的上述時間，再考慮各缸相位和當前轉(zhuǎn)速，則可以最終計算出噴油信號相對于該缸上止點的提前角。實際測量中，F(xiàn)PGA板卡對各通道能實現(xiàn)的最小采樣時間間隔 為0.006ms，相當于發(fā)動機轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)時的0.108 。 

在ECU控制功能中，對故障的識別和處理非常重要，必須給予詳細的功能測試。但在實際的發(fā)動機臺架試驗中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險的，可能會對控制器、發(fā)動機、臺架設(shè)備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設(shè)備模擬發(fā)生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進行該項功能的全面測試，節(jié)約臺架時間，降低測試風險。方案中采用NI PXI-6512數(shù)字量輸出板卡和繼電器組合，在圖5的故障發(fā)生控制面板通過對下拉式菜單的選擇，實現(xiàn)了各種輸入輸出信號斷路、短路、對地短路或?qū)﹄娫炊搪返裙收夏M。

圖5 LabVIEW中故障發(fā)生控制面板 

另外，結(jié)合軟件中CAN J1939協(xié)議開發(fā)的需要，我們利用PXI-8464 CAN卡在LabVIEW中方便地開發(fā)出靈活的、滿足J1939協(xié)議的收發(fā)單元，與ECU節(jié)點進行聯(lián)調(diào)，測試和監(jiān)控ECU節(jié)點單元對協(xié)議的滿足情況。 

圖6所示為我們在標準的19寸控制柜中安裝的PXI控制器，控制器上部安裝有監(jiān)視器，下部則安裝有鍵盤鼠標、接口電路板卡及負載，圖7為在LabVIEW中編制的主控制界面。

圖6  19寸控制柜中的PXI控制器及NI板卡

圖7  LabVIEW中的主控制界面

ECU功能檢測設(shè)備開發(fā) 

在ECU軟件調(diào)試設(shè)備開發(fā)成功后，公司提出了開發(fā)一套產(chǎn)品ECU功能檢測儀的需求，用于出廠前ECU質(zhì)量控制。我們在軟件調(diào)試設(shè)備開發(fā)的原理基礎(chǔ)上，考慮到成本，選用MXI-4接口的PXI-PCI-8331板卡，直接用PC機控制NI硬件。硬件板卡中選用PXI-6229輸出轉(zhuǎn)速信號，PXI-6723輸出模擬量信號，PXI-6512發(fā)生數(shù)字量信號，其余DO結(jié)合繼電器產(chǎn)生故障，PXI-8464實現(xiàn)CAN通訊，并利用TestStand軟件進行測試項目管理和報告生成，根據(jù)需要增加了相關(guān)的產(chǎn)品功能測試項，如ECU上電檢測、內(nèi)存檢測、輸入輸出端口功能檢測、驅(qū)動電路功能檢測等。測試數(shù)據(jù)主要通過電流傳感器和CAN通訊數(shù)據(jù)獲得，為此定義了簡單的CAN通訊協(xié)議，通過測試設(shè)備的請求，ECU回復相應的數(shù)據(jù)。圖8所示為開發(fā)完成的檢測設(shè)備圖，圖9為TestStand中調(diào)用的主要測試步驟。

圖8  電控單元功能檢測儀

主要測試步驟的測試內(nèi)容如下：

初始化： 
該步驟主要完成測試流程的配置，包括哪些測試步驟需要進行，各步驟中的具體測試參數(shù)的設(shè)置等。

短路測試： 
該步驟完成ECU上電時電源模塊測試，通過對上電過程中供電電流的監(jiān)測，確定供電電路中有無短路、斷路故障，確保ECU測試的安全。

CAN握手： 
完成測試設(shè)備與ECU之間的CAN通訊測試，并建立連接，為后續(xù)測試的數(shù)據(jù)獲取做準備。

獲取ECU ID： 
測試設(shè)備按照協(xié)議發(fā)出CAN請求，ECU回復軟件中的ECU編號。該編號將作為測試報告的文件名，方便報告管理。

靜態(tài)數(shù)字端口、模擬端口測試： 
測試設(shè)備不發(fā)生轉(zhuǎn)速信號，只按照設(shè)計的時序依次改變數(shù)字端口、模擬端口的電平。在測試設(shè)備發(fā)出CAN請求幀后，ECU采集信號，并將測試結(jié)果打包通過CAN發(fā)送給測試設(shè)備，測試設(shè)備通過比較發(fā)出與收到的數(shù)據(jù)，進行判別。該測試步驟覆蓋了ECU所有數(shù)字、模擬端口通道的功能測試。

動態(tài)工況測試1、2、3： 
在該步驟中，測試設(shè)備發(fā)生曲軸和凸輪信號，ECU驅(qū)動執(zhí)行器動作。通過預設(shè)的3個特定工況的運行，對驅(qū)動電流的峰值大小、脈寬寬度、信號相位進行監(jiān)測，檢測ECU功率驅(qū)動電路的功能和軟件算法的正確性。同時，對ECU發(fā)出的基于J1939協(xié)議的CAN報文進行監(jiān)測。
 
測試完成后，生成報告，顯示測試通過與否，不通過項在報告中高亮顯示，方便檢修人員定位。測試報告自動以ECU編號存盤，為后續(xù)的質(zhì)量跟蹤服務。

上述流程已經(jīng)在實際ECU檢測中得到了應用，能夠準確有效地發(fā)現(xiàn)新制ECU存在的軟硬件問題，為生產(chǎn)線上產(chǎn)品ECU的質(zhì)量控制提供了有效的工具。

結(jié)論 

美國國家儀器公司擁有豐富的軟件、硬件系列產(chǎn)品，其強大的軟硬件功能，靈活方便的LabVIEW編程工具，幫助我們在很短的時間內(nèi)，快速方便地建立起滿足高標準、高靈活性的一套電控高壓共軌控制單元開發(fā)平臺和一套產(chǎn)品功能測試平臺。

基于開放工業(yè)標準的計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬儀器技術(shù)，其靈活性和可擴展性是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的，相比國際上專用的汽車電子測試設(shè)備，NI方案具有很好的價格優(yōu)勢和極大的靈活性，相信在我們后續(xù)的汽車電控產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中，NI公司的軟硬件產(chǎn)品將會得到更大的應用。