基于LabVIEW和PXI的汽車(chē)數字儀表測控系統

引言

在汽車(chē)智能數字儀表的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，數字儀表所需要采集的信息量比較多，各種車(chē)型的信息參數又差別較大，這些問(wèn)題的存在給儀表的實(shí)車(chē)測試和參數標定帶來(lái)了困難。為了在開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠快速有效地測試系統的各項功能，提高系統開(kāi)發(fā)效率，我們設計了一套測試系統，它能夠模擬產(chǎn)生汽車(chē)上的各種參數信息，快速地對設計儀表進(jìn)行全面的測試，節約臺架或實(shí)車(chē)測試時(shí)間，降低測試風(fēng)險。


圖1 儀表測試系統硬件功能框圖

圖2 儀表測試平臺軟件總體功能框圖

系統設計

汽車(chē)智能數字儀表測試系統的開(kāi)發(fā)要求針對不同的車(chē)型，能夠模擬產(chǎn)生出儀表所需的各種采集信號信息，并且能夠通過(guò)CAN接口與被測儀表進(jìn)行通信。本文介紹的測試系統包括以下主要功能：

車(chē)速里程表的脈沖信號模擬產(chǎn)生；
發(fā)動(dòng)機轉速表的脈沖信號模擬產(chǎn)生；
車(chē)輛燃油表信號模擬產(chǎn)生；
車(chē)輛水溫表信號模擬產(chǎn)生；
各種車(chē)燈、車(chē)窗、車(chē)門(mén)等車(chē)身開(kāi)關(guān)信號模擬產(chǎn)生。
數字儀表具有CAN通信接口，作為一個(gè)CAN節點(diǎn)，可以與車(chē)上CAN網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)進(jìn)行通信。

系統硬件設計

數字儀表測試系統的硬件系統主要包括主控制器、PXI板卡、信號接線(xiàn)盒、數據通信轉換板卡、供電電源以及被測試儀表等主要部分。NI提供的PXI模塊化板卡設備具有體積小、速度快、易擴展等特點(diǎn)，因此在硬件設計方面我們采用了PXI板卡發(fā)生汽車(chē)儀表所需的各種信號。汽車(chē)數字儀表的里程表和發(fā)動(dòng)機轉速表需要采集的是數字脈沖信號，不同的車(chē)型由于采用的傳感器不同，所輸出的脈沖信號高電平從3V~12V不等，為了能夠測試設計儀表的信號范圍適用性，采用PXI-6624板卡，配合外部供電電路，能夠產(chǎn)生儀表所需采集的數字脈沖信號。PXI-6624是工業(yè)級隔離的32位定時(shí)器/計數器PXI接口板卡，具有８路隔離的通道，我們采用Couter0和 Counter1作為車(chē)速表和轉速表的脈沖信號提供通道。燃油表和水溫表采集的是模擬信號，PXI-6233能夠輸出４路10V模擬電平信號，PXI-6713能夠輸出８路10V模擬電平信號，我們選擇PXI-6713的２個(gè)模擬輸出通道作為燃油表和水溫表的模擬信號提供通道。由于儀表上的開(kāi)關(guān)量信號比較多，他們之間產(chǎn)生的干擾隨著(zhù)也比較大，我們選用PXI-8528對儀表的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，PXI-6528是高速隔離的數字I/O通道，輸入和輸出通道分別獨立，有效的抑制了信號之間的干擾。

儀表參數的標定以及作為CAN 節點(diǎn)與車(chē)上其他CAN節點(diǎn)的數據通信，采用一塊數據通信轉換卡來(lái)完成，該卡的主要功能是完成串口信號與CAN信號之間的轉換功能，開(kāi)發(fā)數據通信轉換卡的目的一是為了節約成本，二是考慮到大多數PC沒(méi)有CAN接口。通過(guò)這個(gè)板卡對被控儀表的特征參數，如車(chē)輛的特征系數、傳感器的傳感系數、發(fā)動(dòng)機的速比以及儀表的一些標定參數等進(jìn)行設定。由于目標車(chē)型不確定，儀表的一些特征參數需要實(shí)車(chē)測試才能最后標定，所以該板卡可作為以后儀表參數標定用。

圖3(1)主界面前面板

圖3(2)主界面功能控制框圖

圖4 模塊軟件測試狀態(tài)轉移圖

系統軟件設計

儀表測試系統軟件采用NI公司的LabVIEW 8.20平臺進(jìn)行設計，本系統采用LabVIEW的圖形化程序語(yǔ)言，以一種很直觀(guān)的方法建立前面板人機界面和程序框圖。前面板是用戶(hù)可見(jiàn)的，類(lèi)似傳統儀器的操作面板，利用工具模板從控制模板中添加輸入控制器和輸出指示器，控制器和指示器種類(lèi)可選擇。程序框圖是支持虛擬儀器實(shí)現其功能的核心，對程序框圖的設計涉及節點(diǎn)、數據端口和連線(xiàn)的設計。連線(xiàn)代表數據走向，節點(diǎn)則是函數、VI子程序、結構或代碼接口。本測試系統考慮到儀表整體功能測試和模塊功能測試的需要，整個(gè)系統主要包括界面模塊和各個(gè)功能測試模塊，根據信號類(lèi)型將儀表功能測試分為：車(chē)速表測試模塊、發(fā)動(dòng)機轉速表測試模塊、燃油表測試模塊、水溫表測試模塊、開(kāi)關(guān)量測試模塊、CAN通信測試模塊以及參數設置模塊等主要功能模塊。汽車(chē)儀表測試系統的軟件總體功能框圖如圖2所示。

界面模塊

測試平臺左側是各種模塊功能測試的切換按鍵，可以切換到單個(gè)功能模塊的測試項目。右側主界面模擬汽車(chē)儀表板的顯示界面，如車(chē)速表、轉速表、水溫表、燃油表、里程指示以及各種報警和開(kāi)關(guān)信號等信息顯示。在進(jìn)行測試實(shí)驗中，工作人員通過(guò)主界面即可觀(guān)測到儀表測試的整體功能，主界面如圖3所示。

模塊測試設計

車(chē)速表的測試需要預先了解設定目標車(chē)型的特征參數，如車(chē)輛特征系數、車(chē)速傳感器的傳感系數等，然后通過(guò)數據通信卡(CAN總線(xiàn)信號)將特征參數下載到被測儀表，按照測試要求產(chǎn)生脈沖信號，信號的幅值、頻率可以通過(guò)手動(dòng)／自動(dòng)進(jìn)行調整，車(chē)速信號具備超速報警提示功能，根據設定的超速門(mén)限值，高于該門(mén)限值時(shí)，通過(guò)主界面前面板上的超速報警燈閃爍提示。測試過(guò)程也可以手動(dòng)／自動(dòng)進(jìn)行，測試結果存檔以備查詢(xún)。軟件測試狀態(tài)轉移圖見(jiàn)圖4。

車(chē)速表測試模塊的設計采用狀態(tài)機設計模式，主要分為開(kāi)始、獲取參數、手動(dòng)／自動(dòng)選擇、采集(手動(dòng))、檢查時(shí)間(自動(dòng))、輸出信號和停止等狀態(tài)。其中參數的獲取主要是獲取前面板上特征系數和傳感系數的參數值，通常，這兩個(gè)值在儀表參數標定的時(shí)候需要在線(xiàn)修改。檢查時(shí)間是指按照程序規定的時(shí)間輸出規定的信號，本系統中采取‘V’模式階梯狀的車(chē)速變化趨勢對儀表進(jìn)行測試，見(jiàn)圖5。

發(fā)動(dòng)機轉速表測試模塊類(lèi)似于車(chē)速表測試模塊，區別在于它的特征參數不同，根據特定車(chē)型的情況，通過(guò)數據通信卡(CAN總線(xiàn)信號)將發(fā)動(dòng)機轉速比下載到被測儀表，然后對其進(jìn)行測試。

燃油表的測試需要預先設定目標車(chē)型的燃油測試范圍以及燃油門(mén)限報警值，通過(guò)數據通信卡(CAN總線(xiàn)信號)將參數值下載到被測儀表，然后按照測試要求開(kāi)始測試跟據設定的燃油門(mén)限值，低于該門(mén)限值時(shí)，通過(guò)主界面前面板上的燃油報警燈閃爍提示。測試過(guò)程可以手動(dòng)/自動(dòng)進(jìn)行。燃油表的測試采用狀態(tài)機的設計模式，主要分為開(kāi)始、獲取參數、手動(dòng)/自動(dòng)、采集、檢查報警、輸出信號等狀態(tài)。水溫表的測試同燃油表，在此不做具體說(shuō)明。

CAN通信測試模塊

所有的模塊測試之前首先需要對該模塊的參數進(jìn)行初始化，如進(jìn)行特征系數、傳感系數、發(fā)動(dòng)機速比、超速門(mén)限、燃油門(mén)限、水溫門(mén)限以及測量范圍等參數的設置。數據通信采用CAN協(xié)議，鑒于成本方面考慮，我們在LabVIEW上對串口進(jìn)行操作，然后通過(guò)數據轉換板卡輸出CAN信號，CAN信號直接與被測儀表進(jìn)行數據通信，因此，需要定義一個(gè)簡(jiǎn)單的CAN通信協(xié)議。測試系統作為CAN網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)，節點(diǎn)ID號可以根據需求自行設定，數據區域由命令字、數據長(cháng)度、數據、校驗位組成。圖6和表1是儀表參數設定CAN通信簡(jiǎn)單協(xié)議。

圖5車(chē)速測試模塊控制窗口

結語(yǔ)

采用NI系列PXI板卡以及靈活方便的LabVIEW軟件平臺，使得我們在短期內構建一套汽車(chē)數字儀表產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、測試、評估多功能于一體的測試平臺，通過(guò)對實(shí)際儀表的測試，結果表明該套測試系統能夠快速準確地完成對被測儀表的各項功能測試，并且該系統具備可擴展性，可以很方便地移植到其他產(chǎn)品的測試方案中，為我們后續汽車(chē)電子產(chǎn)品的研發(fā)積累了測試經(jīng)驗。