汽車發(fā)動機控制器(ECU)中待測項目綜述

汽車發(fā)動機控制器(ECU)是汽車中最為復雜且功能最為強大的計算機，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試的項目，對于(中國)測試工程師參與汽車ECU的測試具有一定的指導意義，同時也有利于設(shè)計工程師從測試角度去全盤考慮汽車發(fā)動機控制器的設(shè)計問題。

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

車輛中通常含有一個以上的電子控制模塊(ECM)。ECU是負責發(fā)動機控制功能的電子控制模塊，其主要用途是對發(fā)動機中的燃油和點火系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟性并減少發(fā)動機產(chǎn)生的氣體污染物。

為何要測試ECU？

測試通常被認為是一項不會增值的工作。在理想的世界中確實如此，因為在理想的世界中，生產(chǎn)工藝從來都不會產(chǎn)生缺陷，系統(tǒng)設(shè)計永遠沒有瑕疵，軟件永遠正常運行，從來不會有客戶退貨，產(chǎn)品和原材料質(zhì)量問題為零，由于不會出現(xiàn)任何故障，測試就顯得毫無必要。但是世界并非完美，因此需通過測試來實現(xiàn)可測量的、可重復的和可跟蹤的最低質(zhì)量標準。質(zhì)量確實有價值，盡管它的價值無法直接衡量。

測試的必要性還體現(xiàn)在其它方面。汽車制造商有自己的質(zhì)量要求和標準(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)之前對元件進行測試。BA工廠是勞動密集型工廠。由于供應商的元件故障造成汽車返工是不可接受的，它會造成極大的損失。供應商合同中通常都包括由于供應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)計驗證)測試來實現(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)驗證)來實現(xiàn)。質(zhì)量標準通常都要求對一定比例的ECU進行質(zhì)量評估，以確保生產(chǎn)工藝沒有缺陷。這種質(zhì)量評估通過連續(xù)一致性(小型設(shè)計驗證)測試進行。

測試系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)

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

測試系統(tǒng)必須穩(wěn)固。測試系統(tǒng)必須能夠全天候運行。大多數(shù)汽車元件供應商都有高產(chǎn)量生產(chǎn)線，停產(chǎn)會對帶來巨大損失。JIT(準時)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，出錯會導致停產(chǎn)。由于這些原因，測試設(shè)備必須可靠且精準。

測試范圍必須全面。測試系統(tǒng)的測試范圍應盡可能廣而且測試必須精確。測試系統(tǒng)應盡可能防止生產(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，修復的成本越高。

測試系統(tǒng)必須快速運轉(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。測試過程不應成為一個瓶頸，尤其是在測試被視為不會增值的工作時。測試系統(tǒng)的速度應比最慢的上游流程快。

測試系統(tǒng)必須具有高性價比。測試系統(tǒng)設(shè)計人員必須比較性能和成本。一個測試系統(tǒng)的成本不僅僅是其購買價格。測試系統(tǒng)會產(chǎn)生其它明顯的短期成本，如設(shè)備、培訓、維護、升級、支持以及連接等。測試系統(tǒng)的長期成本較不明顯，它取決于開發(fā)時間、靈活性、可量測性、可再利用性、模塊性和便攜性等參數(shù)。這些因素與測試系統(tǒng)中使用的軟件和硬件直接相關(guān)。

除了以上這幾點，測試系統(tǒng)設(shè)計人員還必須在有限的預算和越來越短的時間內(nèi)完成設(shè)計。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，測試系統(tǒng)設(shè)計人員必須找到一種使其開發(fā)的系統(tǒng)既可滿足當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)動機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(點火提前及持續(xù)時間)。燃油混合和點火定時的控制相當復雜。ECU需要從多個傳感器獲取數(shù)據(jù)以實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。ECU需要了解地速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸位置、空氣質(zhì)量(氧氣含量)、發(fā)動機溫度、發(fā)動機負荷(如空調(diào)(A/C)打開時)、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算機。計算機通常無法直接與模擬世界進行交互。因而需要使用一個信號調(diào)理/數(shù)據(jù)采集接口，以將來自傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的數(shù)字信號。而為了控制燃油系統(tǒng)和點火系統(tǒng)，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

ECU功能模塊

ECU包含以下幾個功能模塊：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(曲軸或車輛速度)。6. 模擬輸入 - 來自傳感器的反饋信號。7. 開關(guān)輸出 - 開/關(guān)型輸出。8. PWM 輸出 -變頻和占空比(如噴射器或點火器)。9. 頻率輸出 - 恒定的占空比(如步進電機 －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提供的激勵和測量設(shè)備的種類以及與負載物和儀器的連接狀況。

電源

ECU的電源是一個直流-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提供一個或多個模擬電源電壓(源于電池電壓)。典型的測試包括：