基于虚拟仪器的VCU自动测试系统设计

丁光林，崔根群，蔡永祥，郑子健

(1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300300)

基于虚拟仪器的VCU自动测试系统设计

丁光林1，崔根群1，蔡永祥2，郑子健1

(1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300300)

在纯电动汽车开发过程中，整车控制器的软件与硬件会频繁更新，为了快速匹配样件、提高测试效率、提升测试吞吐量，设计了通用自动化测试系统;该系统使用TestStand作为测试执行模块;在LabVIEW中开发了一套即时可用的测试动作库和驱动程序，动作库执行测试动作，通过TestStand引擎与驱动程序进行数据交互;设计了测试项目管理软件，覆盖VCU测试全过程并保证可追溯性;实际测试应用表明，该系统可以快速配置测试环境、生成可执行测试序列，能够高效地定位控制器缺陷，且运行稳定、通用性好。

纯电动汽车；整车控制器；自动化测试；虚拟仪器

0 引言

整车控制器(vehicle control unit, VCU)是纯电动汽车电池、电机和电控三大系统的重要零部件之一[1-3]，其通过协调和控制各动力系统部件，完成整车级别的动力管理、能量管理和故障诊断等功能，对汽车的行驶性、安全性和续航里程起关键作用。因此，在VCU应用到整车之前，必须要对其进行严格的功能测试。

在控制器的开发过程中，其硬件接口、总线协议和控制策略会频繁更新，而在传统的自动测试系统中，测试用例是固化的[4]，给自定义测试逻辑带来困难，并且管理方式多是对单一过程的管理[5]，缺少严谨的管理思想和过程跟踪。为此基于虚拟仪器技术设计了通用自动化测试系统，采用以软件为核心的模块化PXI平台[6-8]，利用TestStand在开发和部署自动化测试系统的优势[9]，结合质量管理体系概念[10-12]，能够实现快速适应VCU接口变更、自定义测试逻辑、高效执行测试并进行测试项目流程控制和缺陷跟踪。

1 系统方案

整车控制器自动化测试系统包括测试项目管理软件、测试动作库和驱动程序，实现3个功能：测试项目管理、序列编辑和测试执行，如图1所示。

图1 系统组成框图

软件部分运行于嵌入式计算机内。测试项目管理软件可以查看和管理测试序列，具有通信协议和接口控制文档导入程序，以实现测试环境快速配置。通过测试动作库，结合TestStand序列编辑器内置的步骤类型可以完成复杂测试序列的编写。测试序列在TestStand引擎中执行，与驱动程序进行数据交互，进而控制硬件部分输出激励信号并采集整车控制器的反馈信号，完成测试过程。

2 硬件设计

测试系统以美国国家仪器公司的PXI平台为硬件基础，主要由嵌入式计算机、数据采集模块、程控电源和断路接线盒组成。

为了实现快速更换被测样件的功能，设计了断路接线盒。该断路接线盒两端安装有重载连接器，共108路通道，单通道电流可达10A，每个通道经过短路插联通。断路盒串联在机柜与被测样件之间，可以通过拔出短路插来使信号断开，也可将测试仪器连接到面板插头上，在不中断信号连接的情况下进行信号测量。

3 软件设计

自动测试系统可以完成针对整车控制器的高压上/下电、前进驱动、充电、空调制冷制热、制动/滑行能量回收、信息转发和电池/电机故障诊断等测试，软件框架如图2所示，以TestStand引擎为核心，主要包括测试项目管理软件、测试动作库、驱动程序和测试序列，各软件组件之间通过TestStand应用程序编程接口(application programming interface, API)进行数据交互。

3.1 测试项目管理软件设计

为了对不同职责的用户进行权限管理并保证可追溯性，设计了用户管理程序和项目管理程序。运行测试项目管理软件时，首先进入登录界面，用户登录成功后会显示用户权限、登录次数与登录时间等信息。

在项目管理程序中，可以分级创建和查看车型信息、待测样件版本、各个功能项的测试用例等。其中具有管理员权限的用户可以修改上述内容、编辑测试用例，具有操作员权限的用户只能查看和执行测试用例。用户信息和样件信息会自动显示在测试报告中，保证每一次测试中发现的缺陷项目可追溯。

整车控制器接口的更新主要包括CAN通信协议的变更和硬件接口控制文件(interface control document, ICD)的变化。测试系统要能快速配置出与上述接口变化相匹配的测试环境，为此开发了导入程序。总线DBC文件导入程序会对通信数据库进行解析，提取整车控制器发送和接收的报文。硬线ICD导入程序会解析硬线接口配置表格，对数据采集模块和VCU管脚进行通道映射。导入程序通过调用TestStand API在序列编辑器中生成全局变量，用于编写测试序列。创建VCU发送信号变量的程序如图3所示。

图3 创建变量的程序框图

为了便于调试和排查问题，编写了手动测试程序。手动测试程序同样有总线和硬线信息导入功能，能够单步设置硬线和CAN总线信号值，并显示VCU反馈信号的波形，包括系统发给VCU的激励信号和从VCU采到的反馈信号。

在TestStand中测试结束后会自动生成测试报告，包括测试人员、样件版本、测试数据和波形等信息，并会统一保存，以便跟踪测试缺陷项目。测试项目管理软件的界面如图4所示。

图4 测试管理软件界面

3.2 测试动作库与驱动程序设计

测试动作库主要包括设置参数值、获取信号值、采集波形和模拟波形等。对于发送给VCU的激励信号，“设置参数值”通过API在TestStand中写入信号值，驱动程序再通过API读取该值并控制硬件发送。对于VCU发出的反馈信号，驱动程序全部采集并保存到缓冲区，“获取信号值”通过API设置待采集信号的索引值，驱动程序通过API读取到该索引值并返回其信号值，“获取信号值”即可读取到待测信号的真实值并进行判断。使用测试动作库内的基础动作，结合TestStand内置的流程控制语法，即可编写出具有复杂逻辑的测试序列。

数字量、PWM信号、模拟电压和CAN信号等各个驱动程序采集到的数据将汇总到数据交互主循环，因此总线信号与硬线信号可以同步显示到波形图表中。

CAN驱动程序用LabVIEW编写，在测试序列初始化部分可以批量设置CAN信号值。CAN驱动程序能够计算并发送生命信号，即滚码计数器和校验和。

3.3 测试序列

测试序列可以在TestStand引擎中执行，是测试逻辑的最终体现。测试序列由自定义动作库和内置动作类型编写，遵循规范化测试流程。测试序列可以通过拖拽图标完成编写，降低了工作难度，并且近似于自然语言，方便查看。在执行过程中，测试序列会调用驱动层程序，序列中的各个动作通过TestStand API与驱动层进行数据交互，完成测试过程。

4 测试验证

利用自动化测试系统对整车控制器进行前进驱动测试，其主要测试步骤与评价标准为：钥匙由ACC切换至ON档，判断VCU是否发出高压闭合与整车状态就绪指令、正确完成高压上电过程；踩踏制动踏板，挂D档；踩踏油门踏板达到100%，电机转速由0rpm上升到8 000 rpm，判断VCU计算出的扭矩请求值是否随着电机转速的上升而减小，并在超过临界转速后扭矩请求为特定值。

测试过程中的波形如图5所示，其中外部电池电压、电机工作状态和电机实际转速是测试系统发送给VCU的激励信号；电机转矩请求、校验和、滚码计数器、整车实际档位与整车状态就绪是从VCU采集到的反馈信号。可以看出外部电池电压达到特定值后，VCU发出整车状态就绪信号，高压上电完成；然后换档杆切换至D档，VCU采集到该信号并准确发出档位信息，接着测试系统发出模拟电压值来仿真加速踏板达到100%，并且令电机转速信号值递增，VCU发出的电机转矩请求随之降低，且校验和跟随转矩请求而变化。该波形图在测试过程中实时显示，测试结束后自动保存到测试报告中。

图5 测试信号波形

波形图表明该测试系统能够对电机控制器和电池管理系统的信号进行仿真，模拟出特定工况对VCU进行测试激励，并且能够准确采集VCU反馈信号。相对于文献[4]中固化的测试序列，利用该测试系统灵活地搭建了针对蠕行功能、制动/滑行能量回收测试、电机扭矩限制、电池故障诊断等逻辑更加复杂的自动化测试序列。系统硬件连接如图6所示。

图6 测试系统硬件连接

5 结束语

针对整车控制器测试需求，设计了通用自动化测试系统，该系统具有多种信号类型收发模块和断路接线盒，以及DBC和ICD文件导入程序，能够快速适应VCU硬件接口和软件策略的频繁更新。通过测试动作库和集成的驱动程序，能够以拖拽的形式用少数基础动作实现高度自定义的测试逻辑。通过测试项目管理软件，可以对整个测试过程进行统一控制和跟踪。

该系统已经应用到主机厂某纯电动车型的开发测试过程。实际工作表明，该系统可以发现整车控制器策略和功能上的缺陷，并帮助开发人员快速定位缺陷原因、跟踪整改进度，且运行稳定，保证了开发进度。

[1] 欧阳明高. 中国新能源汽车的研发及展望[J]. 科技导报，2016，34(6)：13-20.

[2] 张 翔. 纯电动汽车整车控制器进展[J]. 汽车电器，2011(2)：1-5.

[3] Schulte T，Kiffe A，Puschmann F. HIL Simulation of Power Electronics and Electric Drives for Automotive Applications[J] . Electronics，2012，16(2)：130-135.

[4] 李 彬，徐惠钢，谢 启. 基于LabVIEW的汽车EPS控制器测试系统设计[J]. 仪表技术与传感器，2015(7)：57-60.

[5] 于洪泽，贺永鹏，袁绍民，等. 基于LabVIEW与TestStand的通用板卡自动测试系统[J]. 电气传动，2015，45(9)：66-69.

[6] Rings M D. Customizing a PXI-based Hardware-In-The-Loop Test System with LabVIEW[A]. SAE 2010 World Congress & Exhibition[C]. 2010.

[7] 蔡永祥，王子龙，彭 杨. 基于虚拟仪器的车载电子电气测试平台设计[J]. 测控技术，2013，32(6)：116-118.

[8] 吴后平，张振东，郭 辉. 基于LabVIEW的汽车空调压力开关性能检测系统[J]. 仪表技术与传感器，2014(1)：64-66.

[9] 甘广辉，王思华，黄文基，等. 基于TestStand的医疗仪器产品性能自动测试系统研制[J]. 计算机测量与控制，2015，23(12)：3962-3965.

[10] International Organization for Standardization. ISO/TS 16949:2009 Quality Management Systems-Particular Requirements for the Application of ISO 9001:2008 for Automotive Production and Relevant Service Part Organizations [S]. Switzerland，2009.

[11] 邓 军. 面向产品生命周期的全面质量管理系统建模及实现技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2009.

[12] 耿俊浩，张振明，田锡天，等. 产品生命周期管理环境下汽车行业全面质量管理方法[J]. 汽车工程，2009，31(6)：569-574.

Design of Automatic Test System for Vehicle Control Unit Based on Virtual Instrument

Ding Guanglin1, Cui Genqun1, Cai Yongxiang2, Zheng Zijian1

(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

The software and hardware of vehicle control unit will be updated frequently in the electric vehicle development process. In order torealize quick matching and meet the demand for higher efficiency and test throughput for VCU, designed a general automatic test system. The system consists of a ready-to-use test action library and device driver developed in LabVIEW, and uses TestStand as test execution module. The test action library executes test activities and exchanges data with device driver through TestStand engine. Developed a test project management software that covers the whole VCU test process and ensures traceability. The results of practical test application verify that the system can match the unit under test rapidly, implement executable test sequences and spot defects efficiently with good stability and generality.

electric vehicle; VCU; automatic test; virtual instrument

2016-10-09；

2016-11-06。

河北省自然基金项目(E2014202114)。

丁光林(1991-)，男，河北唐山人，硕士研究生，主要从事整车电子电气测试技术方向的研究。

崔根群(1962-)，男，河北人，教授，硕士研究生导师，主要从事汽车电子控制技术方向的研究。

1671-4598(2017)04-0005-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.002

TP271

A