汽车总线自动化测试系统设计

汽车总线自动化测试系统设计

陈施杰,魏国亮

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要针对整车厂的总线检测需求以及传统测试系统适用车型单一的问题,设计开发了一种汽车总线测试系统。系统测试平台具备:易于配置网路拓扑结构;多平台可联合使用,以适应更复杂的网络结构;整个测试过程自动化等优点。测试系统基于LabVIEW语言进行编写,采用多队列,生产者,消费者的框架来实现。借助了示波器、万用表、CAN分析工具等设备,实现各个测试用例的自动化。经实验,本测试系统可大幅缩短测试周期。

关键词汽车总线;自动化测试;LabVIEW

收稿日期:2015-02-11

作者简介:陈施杰(1990—),男,硕士研究生。研究方向:汽车电子,电机控制。E-mail:usstcsj@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.032

中图分类号TP274+.5

Design of an Automatic Test System for the Vehicle Bus

CHEN Shijie,WEI Guoliang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper illustrates the development of the automatic test system for the vehicle bus aim at OEMs testing requirement.This system has the advantages of easy configuration,scalability,and automated test.The target of the test system is networks consisting of ECUs in the vehicle.The test platform of the system can easily realize the allocation of network node,thus solving the problem that the traditional test system can test only limited vehicle types.The test system software is designed based on LabVIEWand to realize automatic test by means of oscilloscope,multimeter and CAN analyzer with the framework of multiple queue and multiple producers-consumers.The time of the test can be largely shortened by this automatic test system.

Keywordsvehicle bus;automated test;LabVIEW

CAN总线方案自20世纪80年代末期由德国Bosch公司提出以来,以其独特的设计,众多的优点,在汽车行业的应用数量逐年上升,在其他工业控制领域也得到了广泛的应用[1]。LIN则定位为CAN网络的子总线,由网关作为主节点与上层CAN网路连接。

随着人们对汽车测试技术的重视,在测试技术研究方面的投入也越来越大,用于测试的设备、设施和手段也越来越先进[2]。汽车总线的测试作为其中一个不可或缺的环节,却没有一个统一的测试规范覆盖到整个汽车产业,各个汽车厂商只是自定义其总线测试规范。为此,应上海某汽车厂商的开发需求,本文设计开发了一套总线测试系统。

1问题提出

手动测试是自动化测试的基础,但当需要大量的重复测试时,传统手动测试通常无法满足。所以在手动测试积累了一定经验之后,许多合理的自动化测试方案被设计出来。

Ren Junli等人的文章[3]设计了一种新型的CAN信息分析工具,但没有针对系统的自动化总线测试进行进一步的设计。Qiu Chengyun的[4]设计的CAN总线测试系统是基于上海大众PASSAT B5 1.8T这一车型的。此类传统的测试系统在设计时没有考虑到汽车行业高速发展的趋势,无法满足车型不断变化的需求。

2系统的硬件组成

本测试系统采用分体式独立结构[5],由测试机柜和测试平台两个独立部分组成,两者通过连接器相连。机柜内设有示波器、万用表等测试工具和自主设计的信号调理箱,机柜主要功能包括:上位机的控制和显示、故障注入、测试数据获取、报告生成。测试平台可实现ECU的挂载式接入,从而形成不同网络适用不同车型。图1所示为整个测试系统的构成。

①程控电源②万用表③显示器④示波器⑤鼠标键盘托盘⑥信号调理箱⑦控制器托盘⑧工控机

图1测试系统的构成

本测数平台共设36个节点位,总线分布从左侧中间的网关开始,向右侧拓展。搭建总线网络通过平台的前面板和相应的软件进行配置。平台最大可支持5路CAN总线,2路LIN总线。

图2　平台节点连线图

前面板的分为DUT、CAN、LIN 3部分。DUT部分通过连接器连到被测控制器上;CAN部分的5路CAN和LIN部分的2路LIN可通过跨接线进行选择。将DUT的测试端和需要的总线端连接起来,并拨动相应的开关至“1”后,当前被测节点即接入相应的被测网络。

通过上述方法,测试平台上的36个节点可以配置各种网络结构。图3列出了3种不同的CAN网络结构。

图3　网络配置分布示意图

平台的每个节点后面均封装了一块电源控制模块(PCU),连接着被测ECU的KL.30、KL.15等端子,从而实现上位机对各个被测节点是否上电和接入的控制。PCU通过CAN信号(独立于被测的CAN线)与上位机实现通讯。

图4　PCU接线示意图

另外,测试平台具有可拓展性,两个测试平台可以通过连接线连在一起,形成更大的配置网络,从而满足更复杂的网络测试需求。

测试机柜是整个测试系统的核心,而信号调理箱是核心中的核心。信号调理箱起着测试平台和测试仪器间中转站的作用,实现了各个测试电路的搭建和故障的注入。

信号调理箱内部设有5块故障注入模块(FIU)以控制被测信号的走向,每块FIU对应控制一条被测的 CAN信号。FIU和PCU采用同一路CAN信号控制。FIU功能包括:改变总线对电源、地之间的电阻、电容;为被测节点搭建相应用例的电路;将测试工具接入相应测试点,以形成所需的测试环境。

图5上半部分为用例位时间的测试电路图,下半部分为本系统设计的FIU中的部分电路。通过控制图上所列的6个继电器,系统即可搭建出所需的测试电路。

图5　FIU功能示意图

为方便进行单节点的测试,信号调理箱内同样设有PCU。面板前端安装了4个连接器,使得机柜可以脱离控制器平台单独使用。

机柜内其他设备都是传统测试设备,根据测试需求合理选型。万用表可实现11种测量项,用以完成CAN-H与CAN-L间内阻等测试用例;示波器具备CAN/LIN解析功能,用以完成总线位时间、斜率等测试用例;CAN分析工具CANoe可作为模拟节点向被测总线收发报文,用以检测ECU的网络管理层。上述仪器的虚拟驱动已非常成熟,能够满足本系统的精度、可靠性、实时性要求[6]。

3系统的软件架构

本测试系统的软件基于LabVIEW进行编写,是一个多线程、需要在多线程间传递消息的工程。采用多队列,生产者,消费者的框架来实现。

系统采用分层模块化的设计,将传统测试仪器数据采集、数据处理、数据显示3大功能分离,测试过程中测试仪器只需采集数据,由上位机程序来实现数据处理和数据显示等其他工作[7]。

图6　软件结构框架图

用户通过主UI配置基础的网络测试参数和选择所需的测试用例,测试系统便可实现自动化测试。

系统后台程序经两条线程同时运行:一条根据用户配置、所选的用例发送CAN信号来控制PCU和FIU,搭建出相应的测试电路。另一条根据设计的自动化测试方案,调取相应仪器的动作执行序列来获取测试数据,最后由上位机分析数据,保存相关数据和日志文件,生成报告。

主UI除了测试用例和参数配置以外,还带有用户管理、系统自检、数据管理等其他基础功能,方便使用者进行人员与数据的管理和维护系统。图7和图8为本测试系统的软硬件实物图。

图7　系统硬件实物图

图8　系统软件实物图

4测试用例

本测试系统设计的自动化测试用例针对物理层、通讯层和网络管理层3个层次。自动化测试用例在传统手工测试方案的基础上进行优化,使之便于实施。

通过本系统,用户只需简单配置即可获得全部测试数据和测试结果,大幅提高了测试效率。

物理层的典型用例是测量总线跳变电平的斜率,规范要求上升斜率和下降斜率在2.5～50 V·μs-1的范围内。

本系统示波器的测量模块不可以直接获得斜率,程序首先根据波特率计算得出示波器水平时基;然后在关键目标位置设定触发,将CAN波形定格在合适的位置,获取波形的上升时间、下降时间和幅值,计算出斜率,图9为自动化测试抓取的斜率图形。相较于手动调整示波器、寻找合适位置、观察波形,本测试系统大幅缩短了测试时间。另外示波器所执行的测试大多需要重复多次,表1为传统测试与本系统测试所花时间的对比。

中国特色社会主义“四个自信”的提出并非偶然，汇聚为既在经济、政治、文化、社会等领域强调坚持科学社会主义基本原则，又在应对时代挑战、解决现实难题中强调实事求是、与时俱进的精神品格。当前，坚定中国特色社会主义“四个自信”，主要应着力于以下几个方面：

图9　斜率测试结果

测试方式单次时间/s次数总时间/s传统测试451004500自动化测试101001000

通信层的典型用例高负载测试,通过模拟节点不断向总线发送高优先级的报文[8],使总线负载达到60%以上,以验证总线在高负载的情况下是否还能有效通讯。

传统测试时需要不断增加模拟节点发送帧的数量,还要不断观察总线负载率和总线通讯情况[9]。测试人员面对多个窗口的海量数据,效率低下且容易出错。

本测试系统将CANoe作为模拟节点,根据总线负载率对模拟节点发送的报文数量形成闭环控制,与此同时不断查询总线的通信情况,从而实现自动化测试。

除此之外,通信层的测试还包括将从总线上获取的ID、DLC、周期与数据库文件进行比对,省去了人为比对所花的大量时间。表2为传统比对与自动化比对所花时间的统计。

表2　通讯层测试时间对比

表3为高负载测试报告中的一张数据表,给出了实际周期与dbc文件周期的比对情况。

表3　高负载测试报告(部分)

当总线上产生大量错误帧时,总线会产生bus-off,即停止发送当前错误帧一段时间,以确保其他正常帧的通讯[10]。规范要求当bus-off counter<5时,恢复时间为100 ms,当bus-off counter=5时,恢复时间为1 s。Bus-off故障移除后,TestFailed位由1变0的时间为5 s。网络管理层的典型用例bus-off测试就是为了验证被测节点是否符合上述机制。

本系统通过CAN干扰工具和FIU上的继电器产生各种形式的模拟、数字干扰,然后不断查询和读取总线DTC,并对通讯数据进行分析计算出bus-off的恢复时间。

这类大数据量的用例,一般无法采用手工测试。以往不同的测试员会采用不同的途径编写一些测试程序以实现自动化或者半自动化测试,但实现效果差异性很大。

本测试系统对这类网络管理层测试用例进行了整合,在同一平台上将其实现,方便了测试员的数据记录和相互比对。

根据汽车厂商的测试规范,车辆正式上线量产前,需要经过72项测试,其中包括大量需要不断重复的测试动作。在具备24小时不间断电源的基础上,测试员可以通过本系统进行初步测试,根据测试报告着重验证错误部分。本系统虽然在测试精度上与传统相当,但测试效率显著提高,整个测试周期可缩短一半以上。

5结束语

系统检测界面风格简单明了、用例安全可靠,实现了替代手动测试的设计目标。设计的汽车总线测试系统易配置、可拓展、全自动化,能有效地提高测试效率,并解决了以往测试系统只能局限于固定车型的不足。总体而言,本测试系统符合企业需求,具有较好的实用价值。

参考文献

[1]齐默尔曼 W,施密特加尔 R.汽车总线系统[M].邓萍,译.北京:北京机械工业出版社,2011.

[2]王建,周煜,单颖春.汽车现代测试技术[M].北京:北京国防工业出版社,2013.

[3]Li R,Liu C,Luo F.A Design for automotive CAN bus monitoring system[C].Dalian:Vehicle Power and Propulsion Conference,IEEE,2008.

[4]Qiu C.A Design of CAN-bus test system based on volkswagen passat B5[C].Tianjin:2011 Second International Conference on Digital Manufacturing and Automation (ICDMA),2011.

[5]田韶鹏,陈诚.基于LabVIEW的汽车机械式变速器换挡性能试验台研制[J].汽车技术,2014(6):42-47.

[6]杨帆,樊丁,彭凯,等.基于CAN总线的航空发动机试车台实时测控系统设计[J].测控技术,2013,32(11):72-75.

[7]陈家琪,周晶晶.汽车ESP实验系统及其硬件在环仿真研究[J].上海理工大学学报,2011,33(2):189-192.

[8]陆世鹏,许勇,陈伟波.基于SAE J1939协议的车辆下线检测系统设计[J].汽车技术,2013(2):41-45.

[9]陈东旭,熊慧,杨雪,等.基于LIN总线电动车窗防夹系统的设计[J].电子科技,2012,25(12):93-96.

[10]黄连丽,姜木霖,彭强.基于CAN总线的汽车行驶信息处理系统的设计[J].电子科技,2010,23(12):96-98.