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

挑戰：
 
發(fā)動(dòng)機電控單元的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)開(kāi)發(fā)效率和開(kāi)發(fā)質(zhì)量的雙重壓力，如何在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中快速地測試控制系統的功能性、可靠性，在保證開(kāi)發(fā)質(zhì)量的前提下，提高系統開(kāi)發(fā)效率，是所有開(kāi)發(fā)人員面前的難題。而在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機臺架試驗中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險的，可能會(huì )對控制器、發(fā)動(dòng)機、臺架設備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設備模擬發(fā)生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進(jìn)行該項功能的全面測試，節約臺架時(shí)間，降低測試風(fēng)險。

應用方案

利用NI公司的軟硬件產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員可以快速高效地搭建出電子控制系統（ECU）測試平臺, 其靈活的硬件配置、圖形化的編程方法，使用戶(hù)可以方便地開(kāi)發(fā)出從簡(jiǎn)單的子系統測試到復雜的全系統測試方案。在此基礎上應用TestStand建立了一套ECU功能檢測設備，從而在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中提供了一個(gè)從靈活的軟件調試工具、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系列多功能數據采集卡
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：

高壓共軌控制系統的軟件開(kāi)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(dòng)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(kāi)度、冷卻水溫度、機油壓力、燃油溫度、增壓壓力等，對輸出到執行器，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，以反映出控制系統真實(shí)的控制功能。同時(shí)，要求測試系統具有故障發(fā)生模塊，方便調試電控單元的診斷功能。這樣在控制軟件的設計過(guò)程中，通過(guò)硬件在環(huán)的仿真調試，可以快速地確認算法的功能，盡早地發(fā)現和糾正軟件功能錯誤，降低開(kāi)發(fā)成本，提高開(kāi)發(fā)效率和開(kāi)發(fā)質(zhì)量。NI公司的虛擬儀器理念克服傳統儀器功能單一，擴展開(kāi)發(fā)困難的缺點(diǎn)，為電控高壓共軌系統控制單元的開(kāi)發(fā)提供靈活、完整的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop）仿真調試平臺，并建立產(chǎn)品ECU功能檢測設備。本文介紹了該套系統的設計方案及其特點(diǎn)。

正文：

軟件調試平臺建立：
根據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(shí)現了各種故障的發(fā)生。搭建出的測試系統在實(shí)際ECU功能測試中的應用表明，該系統能夠高速模擬發(fā)生發(fā)動(dòng)機在不同工況下不同相位關(guān)系的曲軸和凸輪信號，結合其他如共軌壓力、油門(mén)踏板和溫度信號的發(fā)生，通過(guò)對噴油脈寬和相位、泵油脈寬和相位的捕捉，實(shí)現了對控制器在不同工況下硬件電路、軟件功能的測試，進(jìn)而為控制器的研發(fā)和調試提供了很好的手段。
利用兩塊NI的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）板卡PXI-7831R，一塊用來(lái)發(fā)生轉速和捕捉同步信號，實(shí)現了高速、相位準確的發(fā)動(dòng)機曲軸和凸輪軸信號的發(fā)生，一塊用來(lái)捕捉噴油和泵油信號。轉速信號采用While 循環(huán)和平鋪式順序(flat sequence)結構，第一個(gè)序列中為一可調計時(shí)器，用來(lái)控制第二個(gè)序列信號點(diǎn)輸出的速度，進(jìn)而改變轉速信號的頻率，該板卡上的另外5路AO用于發(fā)生軌壓信號、油門(mén)開(kāi)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)計數用來(lái)控制當前循環(huán)各模擬輸出口電平的高低，其邏輯根據所需信號的種類(lèi)而定，本文中的曲軸信號為每轉48齒缺3齒，凸輪軸信號為每?jì)赊D6齒加1齒。另外，為了實(shí)現噴油和泵油信號捕捉處理時(shí)與轉速信號相位的同步，在每?jì)扇ηS信號第一齒上升沿位置產(chǎn)生一捕捉同步信號，實(shí)際發(fā)生的發(fā)動(dòng)機1500轉信號如圖2。

圖2 實(shí)際發(fā)生的轉速與捕捉同步信號 
  
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，設計中是通過(guò)測量驅動(dòng)電路中電流波形來(lái)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L(cháng)abVIEW 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(lái)觸發(fā)測試開(kāi)始，確保測試開(kāi)始點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機工作相位的嚴格同步，進(jìn)而保證結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(gè)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(shí)間間隔 對電流波形進(jìn)行采樣，首先尋找上升沿，當在第n1個(gè)循環(huán)找到后，把n1值寫(xiě)入預設數組第一行，程序轉入尋找下降沿n2，寫(xiě)入數組第二行，接著(zhù)是后一個(gè)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(shí)間，再考慮各缸相位和當前轉速，則可以最終計算出噴油信號相對于該缸上止點(diǎn)的提前角。實(shí)際測量中，FPGA板卡對各通道能實(shí)現的最小采樣時(shí)間間隔 為0.006ms，相當于發(fā)動(dòng)機轉速3000轉時(shí)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(shí)際的發(fā)動(dòng)機臺架試驗中，人為地產(chǎn)生故障是非常危險的，可能會(huì )對控制器、發(fā)動(dòng)機、臺架設備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設備模擬發(fā)生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進(jìn)行該項功能的全面測試，節約臺架時(shí)間，降低測試風(fēng)險。方案中采用NI PXI-6512數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)對下拉式菜單的選擇，實(shí)現了各種輸入輸出信號斷路、短路、對地短路或對電源短路等故障模擬。

圖5 LabVIEW中故障發(fā)生控制面板 

另外，結合軟件中CAN J1939協(xié)議開(kāi)發(fā)的需要，我們利用PXI-8464 CAN卡在LabVIEW中方便地開(kāi)發(fā)出靈活的、滿(mǎn)足J1939協(xié)議的收發(fā)單元，與ECU節點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)調，測試和監控ECU節點(diǎn)單元對協(xié)議的滿(mǎn)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視器，下部則安裝有鍵盤(pán)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功能檢測設備開(kāi)發(fā) 

在ECU軟件調試設備開(kāi)發(fā)成功后，公司提出了開(kāi)發(fā)一套產(chǎn)品ECU功能檢測儀的需求，用于出廠(chǎng)前ECU質(zhì)量控制。我們在軟件調試設備開(kāi)發(fā)的原理基礎上，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輸出轉速信號，PXI-6723輸出模擬量信號，PXI-6512發(fā)生數字量信號，其余DO結合繼電器產(chǎn)生故障，PXI-8464實(shí)現CAN通訊，并利用TestStand軟件進(jìn)行測試項目管理和報告生成，根據需要增加了相關(guān)的產(chǎn)品功能測試項，如ECU上電檢測、內存檢測、輸入輸出端口功能檢測、驅動(dòng)電路功能檢測等。測試數據主要通過(guò)電流傳感器和CAN通訊數據獲得，為此定義了簡(jiǎn)單的CAN通訊協(xié)議，通過(guò)測試設備的請求，ECU回復相應的數據。圖8所示為開(kāi)發(fā)完成的檢測設備圖，圖9為T(mén)estStand中調用的主要測試步驟。

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(jìn)行，各步驟中的具體測試參數的設置等。

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

CAN握手： 
完成測試設備與ECU之間的CAN通訊測試，并建立連接，為后續測試的數據獲取做準備。

獲取ECU ID： 
測試設備按照協(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)數字端口、模擬端口測試： 
測試設備不發(fā)生轉速信號，只按照設計的時(shí)序依次改變數字端口、模擬端口的電平。在測試設備發(fā)出CAN請求幀后，ECU采集信號，并將測試結果打包通過(guò)CAN發(fā)送給測試設備，測試設備通過(guò)比較發(fā)出與收到的數據，進(jìn)行判別。該測試步驟覆蓋了ECU所有數字、模擬端口通道的功能測試。

動(dòng)態(tài)工況測試1、2、3： 
在該步驟中，測試設備發(fā)生曲軸和凸輪信號，ECU驅動(dòng)執行器動(dòng)作。通過(guò)預設的3個(gè)特定工況的運行，對驅動(dòng)電流的峰值大小、脈寬寬度、信號相位進(jìn)行監測，檢測ECU功率驅動(dòng)電路的功能和軟件算法的正確性。同時(shí)，對ECU發(fā)出的基于J1939協(xié)議的CAN報文進(jìn)行監測。
 
測試完成后，生成報告，顯示測試通過(guò)與否，不通過(guò)項在報告中高亮顯示，方便檢修人員定位。測試報告自動(dòng)以ECU編號存盤(pán)，為后續的質(zhì)量跟蹤服務(wù)。

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

結論 

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(shí)間內，快速方便地建立起滿(mǎn)足高標準、高靈活性的一套電控高壓共軌控制單元開(kāi)發(fā)平臺和一套產(chǎn)品功能測試平臺。

基于開(kāi)放工業(yè)標準的計算機技術(shù)為基礎的虛擬儀器技術(shù)，其靈活性和可擴展性是傳統儀器所無(wú)法比擬的，相比國際上專(zhuān)用的汽車(chē)電子測試設備，NI方案具有很好的價(jià)格優(yōu)勢和極大的靈活性，相信在我們后續的汽車(chē)電控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，NI公司的軟硬件產(chǎn)品將會(huì )得到更大的應用。