基于虚拟仪器技术的发动机ECU自动测试系统

李秀娟，徐惠钢，谢启

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008;2.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500)

基于虚拟仪器技术的发动机ECU自动测试系统

李秀娟1，2，徐惠钢2，谢启2

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008;2.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500)

论述了基于虚拟仪器技术的汽车发动机ECU自动测试系统的设计，利用各种高精度的板卡模拟ECU各路传感器信号并对ECU进行输出负载仿真，同时通过CAN通讯对其进行监控。软件设计部分选用TestStand作为测试管理软件，利用LabVIEW编写子VI以模块的形式作为测试序列中的测试项进行测试。最后对系统的测试结果进行分析，验证了系统的可靠性和稳定性。

虚拟仪器;发动机ECU;自助测试系统;TestStand;LabVIEW

0 前言

随着汽车行业与电子技术的快速发展，越来越多的汽车采用电子控制单元，作为汽车主控单元的发动机也不例外。发动机控制单元 (ECU，Engine Control Unit)也就是车载电脑，其工作原理是采集与ECU相连的各路传感器的信号进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，用来对发动机的点火、喷油、空燃比、废气再循环等多项参数的控制［1－2］。由于人们对汽车的动力性能、安全性能、燃油经济性能以及环保性能的要求不断提高，发动机ECU的复杂程度也在不断提高，从而使发动机ECU的测试项不断增加。发动机ECU测试是发动机ECU开发和生产过程中的重要环节，开发出高效的发动机ECU测试平台对其研发和生产具有重要意义。

近年来，计算机技术、虚拟仪器技术及各种总线技术的快速发展，使得基于虚拟仪器的自动测试系统在各种产品的功能检测和最终质量检测中得到了广泛应用。本文作者采用先进的虚拟仪器图形化开发环境LabVIEW作为软件平台，以TestStand作为测试执行管理软件，设计出了一套发动机ECU自动测试系统。

1 测试方案设计

测试系统利用各种板卡模拟发动机ECU各路传感器的信号，使用负载箱对发动机ECU的各路输出负载进行模拟，包括正常带载和故障仿真，通过上位机以CCP协议发送CAN通讯命令，再对发动机ECU进行实时信号采集，将采集的数据与事先保存在Excel中的标定数据的上下限进行比较并判断其是否在标定数据的上下限范围内。如果采集的数据全部在标定数据的上下限范围内，则被测ECU合格;如果采集的数据有一项不在标定数据的上下限范围内，则被测ECU不合格。整个测试系统主要完成以下测试项:

(1)连接性测试

在产品不上电的情况下，通过配置矩阵开关卡来连接DMM与产品待测管脚，并将DMM设置为电阻测量，根据DMM读取的电阻值来判定测试结果。

(2)上拉下拉电阻测试

上拉电阻测试即测量产品待测管脚与电源之间的阻值，下拉电阻测试即测量产品待测管脚与地之间的阻值。

(3)上电测试

配置可编程电源来供给产品相应电压，并设置点火开关为不同的状态，通过DMM读取产品消耗的电流及各传感器电源端的电压值。

(4)输出漏电流测试

将输出管脚设置为高阻态，再测试输出管脚上的电流大小。

(5)通信测试

按照CAN通信协议发送相关指令，读取返回值。(6)输入信号测试

对于开关输入信号，将被测ECU的数字输入管脚切换到电源正端或地，对于模拟输入信号，利用模拟输出板卡产生相应的电压，对于频率输入信号，利用波形卡生成正弦波或方波信号，然后经过信号调理板卡将信号输出给被测ECU，再通过CAN通讯读取相关数据。

(7)输出信号测试

对于开关输出信号，将输出端连接到仿真负载箱上，通过CAN通讯发出开/关命令，用DMM依次读取各个数字输出的电平。对于PWM输出信号，将输出端连接到仿真负载上，通过CAN通讯发出控制命令，用DMM依次测量输出的波形，在软件中计算输出波形的电平、频率、占空比等。

(8)故障测试

通过配置负载箱各路负载的接通或断开设置被测ECU为不同的输出故障，包括开路故障、对电源短路故障以及对地短路故障，用于判断当ECU出现故障时，监控模块是否能检测出故障。

2 系统硬件设计

根据以上测试需求及发动机ECU输入输出信号的特点，确定测试所需的相关硬件设备，主要包括主控制器、模拟各种类型传感器信号的设备、负载箱、可编程电源、DMM卡、矩阵开关卡、测试夹具等。整个系统的硬件结构如图1所示。DI/O卡采用PXI-6514，它具有光隔离的32路输入与32路输出端口，用于对气缸、光栅、指示灯及其他自动化元器件的监测与控制;CAN卡选用 PXI-8512，负责主控器与ECU之间的通信;PXI-6704模拟输出卡和PXI-6733波形卡分别为ECU提供模拟输入和频率输入;DMM卡选用PXI-4070，用于采集ECU输出的电压、电流及波形信号;可编程电源为ECU提供测试时所需的不同电压;矩阵开关电路用于控制通道信号的接通和断开;可编程负载用于ECU的各路输出信号仿真及故障模拟。

图1 测试系统硬件结构图

3 系统软件设计

系统采用先进的虚拟仪器图形化开发环境Lab-VIEW作为软件开发平台，LabVIEW在操作界面开发、数据库操作、程控仪器编程等方面具有显著优势，但由于发动机ECU测试测试项多达200多项，仅用LabVIEW作为开发工具不仅工作量大、开发周期长，而且难以维护和升级。TestStand提供了一种模块化快速开发测控系统的方法，使用TestStand作为测试序列管理软件具有结构清晰、模块化程度高以及易开发、易使用、易维护等优点［3］。另外，TestStand与目前主流测试编程环境兼容，如NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio和微软 Visual Basic 和 Visual C++ 等［4－5］。该系统选用 TestStand作为测试管理软件，利用LabVIEW编写子VI作为测试序列 (Sequence)中的测试项 (Step)，通过适配器接口实现TestStand和LabVIEW的结合，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的优点。最后利用Lab-VIEW编写用户界面，通过调用相应的TestStand API实现对测试序列的控制，LabVIEW提供了基于ActiveX的TestStand用户控件，完成载入序列文件、执行测试步骤、显示和保存测试结果等［6］。整个测试系统的软件架构如图2所示。

图2 测试系统软件架构图

子VI(例如通讯连接，矩阵开关通道切换，板卡的打开、关闭等)编写成模块的形式方便插入到测试序列中并实现代码重用。下面以CAN通信模块和矩阵开关模块为例进行软件设计介绍。

3.1 CAN标定协议及CAN通讯模块程序设计

经过标定的发动机ECU会将输入信号的采集结果存放在ECU相应的内存单元中，以便为查表运算提供数据依据，所以测试系统必须通过相应的通信方式从ECU的内存单元读取ECU的信号采集结果［7］。CCP［8］(CAN Calibration Protocol，CAN 标定协议)是基于CAN总线的ECU标定协议规范，以CAN报文的形式来实现，支持11位标准消息帧和29位扩展消息帧，CCP协议的实现依赖两则CAN消息:命令接收对象 (CRO)和数据传输对象 (DTO)。在Polling通信模式下，当从设备收到主设备发送的一则CRO后，必须反馈一则DTO。

在LabVIEW中安装相应的工具包后可以直接使用CAN通信函数，CAN通讯配置模块程序如图3所示。首先配置CAN网络，主要包括设置CAN网络接口名称、波特率、数据大小等。然后配置CAN对象，主要设置CAN对象名称、发送和接收ID、通信类型等，CAN对象名称格式为“CANx::STDy”或者 “CANx::XTDy”，STD表示标准帧，XTD表示扩展帧。打开CAN以后，按照CCP协议消息传输格式发送和读取数据，在程序退出时关闭CAN。

图3 CAN通信配置模块程序

3.2 矩阵开关模块程序设计

在发动机ECU测试过程中，需要对多路数据进行采集，并且在不同的测试流程中需要获取不同数据通道的信号。以往通常通过增加A/D采样前端的模拟开关数目来解决，但同样也增加了测试系统的复杂性以及软件操作的重复性工作;或者采用多个分立的继电器单独控制，切换不同的数据通道到A/D采集，但需要较多的外接数字 I/O口，使得系统的走线十分复杂，增加了测试系统的规模［9］。该测试系统选用矩阵开关PXI-2532来实现多路通道之间的切换，它是一块具有512个交叉点的高速矩阵开关模块，只需要在软件中进行配置，将需要采集的通道连接到测试仪表端口，矩阵开关模块软件界面如图4所示。

图4 矩阵开关模块软件界面

4 实验结果及测试系统分析

只有确保ECU测试系统的可靠性和稳定性，才能保证被测ECU的出厂质量，那么就要对ECU测试系统进行分析。所谓测试系统分析，是指用统计学的方法来了解测试系统中的各个波动源及其对测量结果的影响，最后给出该测试系统是否合乎使用要求的明确判断［10］。工程上通常用测试系统的重复性和再现性来研究其统计特性，也就是通常所说的“GRR研究”，传统的方法是测试者通过手工计算。该系统在研究测试系统分析方法的基础上，采用LabVIEW编写分析软件对发动机ECU测试系统进行分析。

以DMM卡测量油门传感器电源电压为例进行验证，选取10个ECU样品，由3名操作员分别进行3次测试并把测试的结果导入到软件中进行分析运算，得到如图5所示的分析结果。

均值图指示测试系统是否合格，如果所有的点都在控制线内，则产品间变差淹没在测试系统重复性误差中，不可接受。当超出控制线的点越多且评价人都有失控点，表明测试系统辨别产品间变差的能力越强。极差图指示操作员采取的测量方法是否一致，如果操作员都有失控点，说明测试系统对操作员的操作技术是敏感的，需要改进。图5中均值图和极差图均表明该测量过程受控。系统能够区分部件的不同类别数目为18＞5，总的量具R＆R在总变差中所占的百分比为7.21%＜10%，上述分析结果表明测试系统完全能够胜任测量任务的要求，可用于发动机ECU产品的终检测试。图6为测试系统分析运算部分程序框图。

图5 测试系统分析界面

图6 测试系统分析运算部分程序框图

5 结束语

利用功能强大的TestStand测试程序管理软件和当前最流行的虚拟仪器LabVIEW开发平台，设计出了一套高效的发动机ECU自动测试系统，模块化的程序设计方便用户对测试系统的升级和维护，充分利用了LabVIEW和TestStand各自的优点，不仅缩短了测试系统开发周期，而且极大地提高了测试系统的工作效率。

［1］陈虹，宫洵，胡云峰，等.汽车控制的研究现状与展望［J］.自动化学报，2013，39(4):322 －346.

［2］王建.汽车现代测试技术［M］.北京:国防工业出版社，2013.

［3］王浩伟，陈振林，钱进，等.基于TestStand的计量软件介绍［J］.计测技术，2009，29(6):50 －53.

［4］NITestStand Reference Manual.TestStand Help［Z］.2012.

［5］NIDeveloper Zone.What is NITestStand［Z］.2012.

［6］王浩伟，陈振林，钱进，等.基于TestStand的计量软件介绍［J］.计测技术，2009，29(6):50－53.

［7］韩伟.汽油发动机ECU综合性能检测系统的设计与实现［D］.武汉:武汉科技大学，2008.

［8］罗峰，孙泽昌.汽车 CAN总线系统原理、设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［9］刁春敏.基于PXI和虚拟仪器的汽车发动机电控单元测试系统［D］.上海:上海交通大学，2010.

［10］王世翔.应用Minitab进行测试系统分析［J］.电子工程师，2007，33(6):15 －18，24.

Automatic Test System of ECU Based on Virtual Instrument Technology

LIXiujian1，2，XU Huigang2，XIE Qi2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China;2.School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China)

The design of ECU automatic test system based on virtual Instrumentwas discussed.Using a variety of high precision cards to simulate senor signals of the ECU and output load of ECU was also simulated in this system.Simultaneously，the ECUwasmonitored via CAN communication.In partof software design，choosing TestStand as testmanagement software，and using sub-VIwritten by LabVIEW as step of sequence in the form ofmodule for testing.At the end，the test results of system were analyzed to verify the reliability and stability of the system.

Virtual instrument;Engine control unit;Automatic test system;TestStand;LabVIEW

TH 71;TP29

A

1001－3881(2015)21－138－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.033

2014－08－29

苏州市科技计划项目 (SGZ2012062)

李秀娟 (1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为汽车零部件测试技术、智能检测与控制技术。E－mail:lixiujuanfd@163.com。