汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)中待測(cè)項(xiàng)目綜述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)是汽車中最為復(fù)雜且功能最為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，它包含電源、MPU、通信鏈路、離散輸入、頻率輸入、模擬輸入、開關(guān)輸出、PWM 輸出和頻率輸出等9大模塊，了解這些模塊以及待測(cè)試的項(xiàng)目，對(duì)于(中國)測(cè)試工程師參與汽車ECU的測(cè)試具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也有利于設(shè)計(jì)工程師從測(cè)試角度去全盤考慮汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制裝置，也稱作發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)，于20世紀(jì)70年代誕生。當(dāng)時(shí)，由于石油危機(jī)，人們正在尋找一種提高燃油經(jīng)濟(jì)性的方法，他們想要找出一種能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在更為清潔和污染更少的條件下運(yùn)行的方法。當(dāng)時(shí)的工程師運(yùn)用一種叫做燃料分配器的機(jī)械裝置來控制火花定時(shí)，使用化油器來控制燃料混合。這種機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)整能力較差。20世紀(jì)70年代微處理器誕生了，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)控制火花定時(shí)和燃料混合所需的復(fù)雜、高速的運(yùn)算。在80年代早期ECU成為了大多數(shù)車輛中的標(biāo)準(zhǔn)部件。ECU是設(shè)計(jì)用于解決具體問題的計(jì)算機(jī)。通常ECU是汽車中最為復(fù)雜且功能最為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

車輛中通常含有一個(gè)以上的電子控制模塊(ECM)。ECU是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的電子控制模塊，其主要用途是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣體污染物。

為何要測(cè)試ECU？

測(cè)試通常被認(rèn)為是一項(xiàng)不會(huì)增值的工作。在理想的世界中確實(shí)如此，因?yàn)樵诶硐氲氖澜缰校a(chǎn)工藝從來都不會(huì)產(chǎn)生缺陷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)沒有瑕疵，軟件永遠(yuǎn)正常運(yùn)行，從來不會(huì)有客戶退貨，產(chǎn)品和原材料質(zhì)量問題為零，由于不會(huì)出現(xiàn)任何故障，測(cè)試就顯得毫無必要。但是世界并非完美，因此需通過測(cè)試來實(shí)現(xiàn)可測(cè)量的、可重復(fù)的和可跟蹤的最低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量確實(shí)有價(jià)值，盡管它的價(jià)值無法直接衡量。

測(cè)試的必要性還體現(xiàn)在其它方面。汽車制造商有自己的質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)(如QS-9000)以及長期跟蹤和規(guī)章要求。汽車制造商通常都要求元件供應(yīng)商在將其元件發(fā)往BA(組裝)工廠(元件在此處組裝成整車)之前對(duì)元件進(jìn)行測(cè)試。BA工廠是勞動(dòng)密集型工廠。由于供應(yīng)商的元件故障造成汽車返工是不可接受的，它會(huì)造成極大的損失。供應(yīng)商合同中通常都包括由于供應(yīng)商的原因造成的元件缺陷相關(guān)的罰款條款。

ECU生產(chǎn)商需要證明其產(chǎn)品符合客戶的規(guī)范，這需要通過DV(設(shè)計(jì)驗(yàn)證)測(cè)試來實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)商還需證明其生產(chǎn)工藝可以正確生產(chǎn)出產(chǎn)品，這需要通過PV (生產(chǎn)驗(yàn)證)來實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通常都要求對(duì)一定比例的ECU進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，以確保生產(chǎn)工藝沒有缺陷。這種質(zhì)量評(píng)估通過連續(xù)一致性(小型設(shè)計(jì)驗(yàn)證)測(cè)試進(jìn)行。

測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)

如前所述，測(cè)試常常被認(rèn)為是一項(xiàng)不會(huì)增值的工作，雖然測(cè)試是提高生產(chǎn)流程各階段質(zhì)量水平的重要手段。這一狀況使測(cè)試機(jī)構(gòu)面臨著極大的壓力，它們必須確保測(cè)試過程穩(wěn)固、全面、快捷且性價(jià)比較高。

測(cè)試系統(tǒng)必須穩(wěn)固。測(cè)試系統(tǒng)必須能夠全天候運(yùn)行。大多數(shù)汽車元件供應(yīng)商都有高產(chǎn)量生產(chǎn)線，停產(chǎn)會(huì)對(duì)帶來巨大損失。JIT(準(zhǔn)時(shí))生產(chǎn)不允許分批發(fā)貨、發(fā)貨延遲或數(shù)量短缺。根據(jù)質(zhì)量控制程序和流程的要求，出錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)。由于這些原因，測(cè)試設(shè)備必須可靠且精準(zhǔn)。

測(cè)試范圍必須全面。測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試范圍應(yīng)盡可能廣而且測(cè)試必須精確。測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)盡可能防止生產(chǎn)流程的下游出現(xiàn)缺陷。一般而言，越是在下游出現(xiàn)的問題，修復(fù)的成本越高。

測(cè)試系統(tǒng)必須快速運(yùn)轉(zhuǎn)。高產(chǎn)量生產(chǎn)要求生產(chǎn)流程的每一階段都不能比最慢的流程慢。測(cè)試過程不應(yīng)成為一個(gè)瓶頸，尤其是在測(cè)試被視為不會(huì)增值的工作時(shí)。測(cè)試系統(tǒng)的速度應(yīng)比最慢的上游流程快。

測(cè)試系統(tǒng)必須具有高性價(jià)比。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須比較性能和成本。一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的成本不僅僅是其購買價(jià)格。測(cè)試系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生其它明顯的短期成本，如設(shè)備、培訓(xùn)、維護(hù)、升級(jí)、支持以及連接等。測(cè)試系統(tǒng)的長期成本較不明顯，它取決于開發(fā)時(shí)間、靈活性、可量測(cè)性、可再利用性、模塊性和便攜性等參數(shù)。這些因素與測(cè)試系統(tǒng)中使用的軟件和硬件直接相關(guān)。

除了以上這幾點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須在有限的預(yù)算和越來越短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。開發(fā)新產(chǎn)品越來越難，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新的規(guī)則、技術(shù)和客戶需求不斷涌現(xiàn)。面臨這一切，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須找到一種使其開發(fā)的系統(tǒng)既可滿足當(dāng)前需求又可滿足未來需求的方法。

ECU 如何工作？

簡單地說，ECU的工作方法就是根據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的傳感器的反饋來控制燃油混合(空氣燃油比)和火花定時(shí)(點(diǎn)火提前及持續(xù)時(shí)間)。燃油混合和點(diǎn)火定時(shí)的控制相當(dāng)復(fù)雜。ECU需要從多個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。ECU需要了解地速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸位置、空氣質(zhì)量(氧氣含量)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(如空調(diào)(A/C)打開時(shí))、油門位置、油門的變化率、變速齒輪、廢氣排放，等等。前面我們已經(jīng)講到，ECU是一種用于解決具體問題的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通常無法直接與模擬世界進(jìn)行交互。因而需要使用一個(gè)信號(hào)調(diào)理/數(shù)據(jù)采集接口，以將來自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的數(shù)字信號(hào)。而為了控制燃油系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)，必須將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

ECU功能模塊

ECU包含以下幾個(gè)功能模塊：1. 電源 - 數(shù)字和模擬(模擬傳感器的電源)。2. MPU - 微處理器和內(nèi)存(通常為閃存和RAM)。3. 通信鏈路 - (如CAN總線)。4. 離散輸入 - 開/關(guān)型輸入。5. 頻率輸入 - 編碼器型信號(hào)(曲軸或車輛速度)。6. 模擬輸入 - 來自傳感器的反饋信號(hào)。7. 開關(guān)輸出 - 開/關(guān)型輸出。8. PWM 輸出 -變頻和占空比(如噴射器或點(diǎn)火器)。9. 頻率輸出 - 恒定的占空比(如步進(jìn)電機(jī) －怠速控制)。

圖1顯示了ECU的典型輸入/輸出框圖，各框中列出了NI提供的激勵(lì)和測(cè)量設(shè)備的種類以及與負(fù)載物和儀器的連接狀況。

電源

ECU的電源是一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器。電池電壓被轉(zhuǎn)換為適合MPU和其它數(shù)字電路的電壓。在某些情況下，ECU提供模擬傳感器的電壓源。在這種情況下，ECU提供一個(gè)或多個(gè)模擬電源電壓(源于電池電壓)。典型的測(cè)試包括：