汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制器(ECU)中待測項目綜述

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制器(ECU)是汽車(chē)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(kāi)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(chē)ECU的測試具有一定的指導意義，同時(shí)也有利于設計工程師從測試角度去全盤(pán)考慮汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制器的設計問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機電子控制裝置，也稱(chēng)作發(fā)動(dòng)機控制器(ECU)，于20世紀70年代誕生。當時(shí)，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(dòng)機在更為清潔和污染更少的條件下運行的方法。當時(shí)的工程師運用一種叫做燃料分配器的機械裝置來(lái)控制火花定時(shí)，使用化油器來(lái)控制燃料混合。這種機械系統的調整能力較差。20世紀70年代微處理器誕生了，這種技術(shù)可以實(shí)現控制火花定時(shí)和燃料混合所需的復雜、高速的運算。在80年代早期ECU成為了大多數車(chē)輛中的標準部件。ECU是設計用于解決具體問(wèn)題的計算機。通常ECU是汽車(chē)中最為復雜且功能最為強大的計算機。

車(chē)輛中通常含有一個(gè)以上的電子控制模塊(ECM)。ECU是負責發(fā)動(dòng)機控制功能的電子控制模塊，其主要用途是對發(fā)動(dòng)機中的燃油和點(diǎn)火系統進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟性并減少發(fā)動(dòng)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(huì )增值的工作。在理想的世界中確實(shí)如此，因為在理想的世界中，生產(chǎn)工藝從來(lái)都不會(huì )產(chǎn)生缺陷，系統設計永遠沒(méi)有瑕疵，軟件永遠正常運行，從來(lái)不會(huì )有客戶(hù)退貨，產(chǎn)品和原材料質(zhì)量問(wèn)題為零，由于不會(huì )出現任何故障，測試就顯得毫無(wú)必要。但是世界并非完美，因此需通過(guò)測試來(lái)實(shí)現可測量的、可重復的和可跟蹤的最低質(zhì)量標準。質(zhì)量確實(shí)有價(jià)值，盡管它的價(jià)值無(wú)法直接衡量。

測試的必要性還體現在其它方面。汽車(chē)制造商有自己的質(zhì)量要求和標準(如QS-9000)以及長(cháng)期跟蹤和規章要求。汽車(chē)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(chǎng)(元件在此處組裝成整車(chē))之前對元件進(jìn)行測試。BA工廠(chǎng)是勞動(dòng)密集型工廠(chǎng)。由于供應商的元件故障造成汽車(chē)返工是不可接受的，它會(huì )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(hù)的規范，這需要通過(guò)DV(設計驗證)測試來(lái)實(shí)現。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(guò)PV (生產(chǎn)驗證)來(lái)實(shí)現。質(zhì)量標準通常都要求對一定比例的ECU進(jìn)行質(zhì)量評估，以確保生產(chǎn)工藝沒(méi)有缺陷。這種質(zhì)量評估通過(guò)連續一致性(小型設計驗證)測試進(jìn)行。

測試系統開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰

如前所述，測試常常被認為是一項不會(huì )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面臨著(zhù)極大的壓力，它們必須確保測試過(guò)程穩固、全面、快捷且性?xún)r(jià)比較高。

測試系統必須穩固。測試系統必須能夠全天候運行。大多數汽車(chē)元件供應商都有高產(chǎn)量生產(chǎn)線(xiàn)，停產(chǎn)會(huì )對帶來(lái)巨大損失。JIT(準時(shí))生產(chǎn)不允許分批發(fā)貨、發(fā)貨延遲或數量短缺。根據質(zhì)量控制程序和流程的要求，出錯會(huì )導致停產(chǎn)。由于這些原因，測試設備必須可靠且精準。

測試范圍必須全面。測試系統的測試范圍應盡可能廣而且測試必須精確。測試系統應盡可能防止生產(chǎn)流程的下游出現缺陷。一般而言，越是在下游出現的問(wèn)題，修復的成本越高。

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

測試系統必須具有高性?xún)r(jià)比。測試系統設計人員必須比較性能和成本。一個(gè)測試系統的成本不僅僅是其購買(mǎi)價(jià)格。測試系統會(huì )產(chǎn)生其它明顯的短期成本，如設備、培訓、維護、升級、支持以及連接等。測試系統的長(cháng)期成本較不明顯，它取決于開(kāi)發(fā)時(shí)間、靈活性、可量測性、可再利用性、模塊性和便攜性等參數。這些因素與測試系統中使用的軟件和硬件直接相關(guān)。

除了以上這幾點(diǎn)，測試系統設計人員還必須在有限的預算和越來(lái)越短的時(shí)間內完成設計。開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品越來(lái)越難，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，新的規則、技術(shù)和客戶(hù)需求不斷涌現。面臨這一切，測試系統設計人員必須找到一種使其開(kāi)發(fā)的系統既可滿(mǎn)足當前需求又可滿(mǎn)足未來(lái)需求的方法。

ECU 如何工作？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，ECU的工作方法就是根據與發(fā)動(dòng)機相連的傳感器的反饋來(lái)控制燃油混合(空氣燃油比)和火花定時(shí)(點(diǎn)火提前及持續時(shí)間)。燃油混合和點(diǎn)火定時(shí)的控制相當復雜。ECU需要從多個(gè)傳感器獲取數據以實(shí)現系統的最佳控制。ECU需要了解地速、發(fā)動(dòng)機轉速、曲軸位置、空氣質(zhì)量(氧氣含量)、發(fā)動(dòng)機溫度、發(fā)動(dòng)機負荷(如空調(A/C)打開(kāi)時(shí))、油門(mén)位置、油門(mén)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(wèn)題的計算機。計算機通常無(wú)法直接與模擬世界進(jìn)行交互。因而需要使用一個(gè)信號調理/數據采集接口，以將來(lái)自傳感器的模擬信號轉換為計算機可以理解的數字信號。而為了控制燃油系統和點(diǎn)火系統，必須將數字信號轉換為模擬信號。

ECU功能模塊

ECU包含以下幾個(gè)功能模塊：1. 電源 - 數字和模擬(模擬傳感器的電源)。2. MPU - 微處理器和內存(通常為閃存和RAM)。3. 通信鏈路 - (如CAN總線(xiàn))。4. 離散輸入 - 開(kāi)/關(guān)型輸入。5. 頻率輸入 - 編碼器型信號(曲軸或車(chē)輛速度)。6. 模擬輸入 - 來(lái)自傳感器的反饋信號。7. 開(kāi)關(guān)輸出 - 開(kāi)/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 －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備的種類(lèi)以及與負載物和儀器的連接狀況。

電源

ECU的電源是一個(gè)直流-直流轉換器。電池電壓被轉換為適合MPU和其它數字電路的電壓。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)。典型的測試包括：