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

挑戰(zhàn)：
 
發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)程中快速地測(cè)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(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險(xiǎn)的，可能會(huì)對(duì)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)、臺(tái)架設(shè)備或試驗(yàn)人員造成傷害。因此，用測(cè)試設(shè)備模擬發(fā)生各種故障信號(hào)組合，可以快速地對(duì)ECU進(jìn)行該項(xiàng)功能的全面測(cè)試，節(jié)約臺(tái)架時(shí)間，降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)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(cè)試平臺(tái), 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(jiǎn)單的子系統(tǒng)測(cè)試到復(fù)雜的全系統(tǒng)測(cè)試方案。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用TestStand建立了一套ECU功能檢測(cè)設(shè)備，從而在整個(gè)開發(fā)流程中提供了一個(gè)從靈活的軟件調(diào)試工具、軟件功能測(cè)試到硬件電路檢測(cè)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(jià)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(cè)試平臺(tái)，要求該平臺(tái)能提供高速的相位準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸信號(hào)，以及其他傳感器輸入信號(hào)，如共軌油壓、踏板開度、冷卻水溫度、機(jī)油壓力、燃油溫度、增壓壓力等，對(duì)輸出到執(zhí)行器，諸如各缸的預(yù)噴、主噴以及泵油信號(hào)的寬度和相位也要求能準(zhǔn)確捕捉，以反映出控制系統(tǒng)真實(shí)的控制功能。同時(shí)，要求測(cè)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(jì)過(guò)程中，通過(guò)硬件在環(huán)的仿真調(diào)試，可以快速地確認(rèn)算法的功能，盡早地發(fā)現(xiàn)和糾正軟件功能錯(cuò)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(kuò)展開發(fā)困難的缺點(diǎn)，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(tái)，并建立產(chǎn)品ECU功能檢測(cè)設(shè)備。本文介紹了該套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)。

正文：

軟件調(diào)試平臺(tái)建立：
根據(jù)高壓共軌控制器的輸入信號(hào)相位要求、輸出信號(hào)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(hào)，利用PXI-6512和繼電器組合實(shí)現(xiàn)了各種故障的發(fā)生。搭建出的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際ECU功能測(cè)試中的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠高速模擬發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下不同相位關(guān)系的曲軸和凸輪信號(hào)，結(jié)合其他如共軌壓力、油門踏板和溫度信號(hào)的發(fā)生，通過(guò)對(duì)噴油脈寬和相位、泵油脈寬和相位的捕捉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制器在不同工況下硬件電路、軟件功能的測(cè)試，進(jìn)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(chǎng)可編程門陣列（FPGA）板卡PXI-7831R，一塊用來(lái)發(fā)生轉(zhuǎn)速和捕捉同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高速、相位準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸信號(hào)的發(fā)生，一塊用來(lái)捕捉噴油和泵油信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)采用While 循環(huán)和平鋪式順序(flat sequence)結(jié)構(gòu)，第一個(gè)序列中為一可調(diào)計(jì)時(shí)器，用來(lái)控制第二個(gè)序列信號(hào)點(diǎn)輸出的速度，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率，該板卡上的另外5路AO用于發(fā)生軌壓信號(hào)、油門開度及其它溫度信號(hào)，如圖1所示。

程序中While 循環(huán)中的循環(huán)計(jì)數(shù)用來(lái)控制當(dāng)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(hào)的種類而定，本文中的曲軸信號(hào)為每轉(zhuǎn)48齒缺3齒，凸輪軸信號(hào)為每?jī)赊D(zhuǎn)6齒加1齒。另外，為了實(shí)現(xiàn)噴油和泵油信號(hào)捕捉處理時(shí)與轉(zhuǎn)速信號(hào)相位的同步，在每?jī)扇ηS信號(hào)第一齒上升沿位置產(chǎn)生一捕捉同步信號(hào)，實(shí)際發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)1500轉(zhuǎn)信號(hào)如圖2。

圖2 實(shí)際發(fā)生的轉(zhuǎn)速與捕捉同步信號(hào) 
  
噴油信號(hào)和泵油信號(hào)的捕捉是測(cè)試中的關(guān)鍵，直接反映軟件的控制輸出，設(shè)計(jì)中是通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路中電流波形來(lái)獲得，選用Honeywell的電流傳感器。對(duì)噴油信號(hào)需精確獲取噴油脈寬和噴油相位，對(duì)泵油信號(hào)主要是獲取精確的相位，對(duì)脈寬寬度測(cè)量精度要求不高。 

圖3為L(zhǎng)abVIEW FPGA中的程序，顯示了一路噴油器控制信號(hào)和一路泵油信號(hào)的測(cè)量流程。在測(cè)試程序中，首先利用速度信號(hào)發(fā)生模塊中的捕捉同步信號(hào)來(lái)觸發(fā)測(cè)試開始，確保測(cè)試開始點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作相位的嚴(yán)格同步，進(jìn)而保證結(jié)果中噴油和泵油信號(hào)相位的準(zhǔn)確性。

圖4所示為電流信號(hào)測(cè)量的原理圖，以噴油器電流信號(hào)為例。首先針對(duì)信號(hào)幅值確定兩個(gè)閾值，分別為電流上升閾值up和下降閾值down。在測(cè)試中，測(cè)試程序一經(jīng)觸發(fā)，以恒定的采樣時(shí)間間隔 對(duì)電流波形進(jìn)行采樣，首先尋找上升沿，當(dāng)在第n1個(gè)循環(huán)找到后，把n1值寫入預(yù)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(gè)脈沖的n3、n4，(n2-n1)* 和(n4-n3) * 則為主預(yù)噴射的噴油脈寬。

找到每一缸噴油信號(hào)的上述時(shí)間，再考慮各缸相位和當(dāng)前轉(zhuǎn)速，則可以最終計(jì)算出噴油信號(hào)相對(duì)于該缸上止點(diǎn)的提前角。實(shí)際測(cè)量中，F(xiàn)PGA板卡對(duì)各通道能實(shí)現(xiàn)的最小采樣時(shí)間間隔 為0.006ms，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)時(shí)的0.108 。 

在ECU控制功能中，對(duì)故障的識(shí)別和處理非常重要，必須給予詳細(xì)的功能測(cè)試。但在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險(xiǎn)的，可能會(huì)對(duì)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)、臺(tái)架設(shè)備或試驗(yàn)人員造成傷害。因此，用測(cè)試設(shè)備模擬發(fā)生各種故障信號(hào)組合，可以快速地對(duì)ECU進(jìn)行該項(xiàng)功能的全面測(cè)試，節(jié)約臺(tái)架時(shí)間，降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。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(guò)對(duì)下拉式菜單的選擇，實(shí)現(xiàn)了各種輸入輸出信號(hào)斷路、短路、對(duì)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(diǎn)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，測(cè)試和監(jiān)控ECU節(jié)點(diǎn)單元對(duì)協(xié)議的滿足情況。 

圖6所示為我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)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(biāo)、接口電路板卡及負(fù)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(cè)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(cè)儀的需求，用于出廠前ECU質(zhì)量控制。我們?cè)谲浖{(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(jī)控制NI硬件。硬件板卡中選用PXI-6229輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，PXI-6723輸出模擬量信號(hào)，PXI-6512發(fā)生數(shù)字量信號(hào)，其余DO結(jié)合繼電器產(chǎn)生故障，PXI-8464實(shí)現(xiàn)CAN通訊，并利用TestStand軟件進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目管理和報(bào)告生成，根據(jù)需要增加了相關(guān)的產(chǎn)品功能測(cè)試項(xiàng)，如ECU上電檢測(cè)、內(nèi)存檢測(cè)、輸入輸出端口功能檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路功能檢測(cè)等。測(cè)試數(shù)據(jù)主要通過(guò)電流傳感器和CAN通訊數(shù)據(jù)獲得，為此定義了簡(jiǎn)單的CAN通訊協(xié)議，通過(guò)測(cè)試設(shè)備的請(qǐng)求，ECU回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖8所示為開發(fā)完成的檢測(cè)設(shè)備圖，圖9為TestStand中調(diào)用的主要測(cè)試步驟。

圖8  電控單元功能檢測(cè)儀

主要測(cè)試步驟的測(cè)試內(nèi)容如下：

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

短路測(cè)試： 
該步驟完成ECU上電時(shí)電源模塊測(cè)試，通過(guò)對(duì)上電過(guò)程中供電電流的監(jiān)測(cè)，確定供電電路中有無(wú)短路、斷路故障，確保ECU測(cè)試的安全。

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

獲取ECU ID： 
測(cè)試設(shè)備按照協(xié)議發(fā)出CAN請(qǐng)求，ECU回復(fù)軟件中的ECU編號(hào)。該編號(hào)將作為測(cè)試報(bào)告的文件名，方便報(bào)告管理。

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

動(dòng)態(tài)工況測(cè)試1、2、3： 
在該步驟中，測(cè)試設(shè)備發(fā)生曲軸和凸輪信號(hào)，ECU驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作。通過(guò)預(yù)設(shè)的3個(gè)特定工況的運(yùn)行，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的峰值大小、脈寬寬度、信號(hào)相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)ECU功率驅(qū)動(dòng)電路的功能和軟件算法的正確性。同時(shí)，對(duì)ECU發(fā)出的基于J1939協(xié)議的CAN報(bào)文進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
 
測(cè)試完成后，生成報(bào)告，顯示測(cè)試通過(guò)與否，不通過(guò)項(xiàng)在報(bào)告中高亮顯示，方便檢修人員定位。測(cè)試報(bào)告自動(dòng)以ECU編號(hào)存盤，為后續(xù)的質(zhì)量跟蹤服務(wù)。

上述流程已經(jīng)在實(shí)際ECU檢測(cè)中得到了應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確有效地發(fā)現(xiàn)新制ECU存在的軟硬件問(wèn)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(guó)國(guó)家儀器公司擁有豐富的軟件、硬件系列產(chǎn)品，其強(qiáng)大的軟硬件功能，靈活方便的LabVIEW編程工具，幫助我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)，快速方便地建立起滿足高標(biāo)準(zhǔn)、高靈活性的一套電控高壓共軌控制單元開發(fā)平臺(tái)和一套產(chǎn)品功能測(cè)試平臺(tái)。

基于開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬儀器技術(shù)，其靈活性和可擴(kuò)展性是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的，相比國(guó)際上專用的汽車電子測(cè)試設(shè)備，NI方案具有很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)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(guò)程中，NI公司的軟硬件產(chǎn)品將會(huì)得到更大的應(yīng)用。