汽车ABS ECU控制系统试验台的检测

王祥鑫+陈科屹+王芸+张琪+杨国辉

摘 要：为了判断ABS ECU控制系统是否存在故障，以ABS实验台为基础开发出一套ABS检测系统，该系统利用数据采集卡控制继电器，实现对ECU进行控制，并利用CAN总线进行通信读取故障码，实现了在ABS各种情况下对ECU内部质量进行检测与研究。

关键词：Labview ECU检测与通信 数据采集

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0116-03

现如今ABS广泛应用成为汽车上的标配系统，随之而来的问题是如何检测ABS传感器和ECU是否工作正常，对ABS技术的检测、诊断、教学等需求量越来越大。汽车ABS检测系统解决了实车不容易观察、分析、检测汽车ABS内部控制系统故障的问题，使汽车维修人员能够直观地学习汽车ABS单元内部控制系统的结构、原理及检测技术，弥补了我国汽车检测、维修人员对ABS单元内部控制系统不了解，资料不全面的局面。

1 ABS控制系统的工作原理分析

汽车ABS由电磁阀、轮速传感器、电子控制单元ECU等组成，在汽车的紧急制动过程中，电子控制单元通过轮速传感器采集与车轮转速成正比的脉冲信号，根据预先编好的程序判断并计算各车轮的滑移率、速度和角速度，将滑移率控制在某个区间内，其中如果检测到某个车轮有抱死的趋势，ECU发出指令对液压系统中的电磁阀进行控制，使ABS系统实行减压-保压-增压的工作循环，车轮处于边滚边滑的状态，使车轮与地面之间的附着力增大，最终避免汽车侧滑失去控制造成交通事故。

2 系统硬件框架组成设计与搭建

系统硬件主要包括NI公司的USB_6251数据采集，检测PC机，USB/CAN适配器，ECU，K线适配器，继电器，MK20-I实验台。

2.1 USB-6251数据采集

以NI公司的USB-6251数据采集卡为核心，是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理；数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（IEEE1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。NI USB-6251是一款USB高速M系列多功能DAQ设备，经优化在高采样率下也能保持超高精度；具有16路模拟输入（16位），单通道1.25 MS/s采样率（总计1 MS/s）；2路模拟输出（16位，2.8 MS/s）；24路数字I/O（其中8路时钟同步）；32位计数器配合使用Mass终端版和SCC信号调理。

NI信号读写实现USB上的双向高速数据流；可提供OEM版与LabVIEW、LabWindows?/CVI和Visual Studio.NET的Measurement Studio兼容；NI-DAQmx驅动软件和NI LabVIEWSignalExpress LE交互式数据记录软件。

2.2 USB/CAN适配器

USB/CAN适配器与PC机连接，另一端与CAN网连接，使PC机通过USB接口与ECU进行通信。

3 ECU与ABS试验台连接设计

系统使用的是四通道的ECU通讯协议为KWP2000，使用的实验台是MK20-I型。检测方法分为两种：第一种是利用USB-6251数据采集卡发送信号来模拟轮速传感器发出的信号和控制虚拟开关量的改变时ECU内部元件与电路运行会发生相应的改变[1]，通过K线的KWP2000协议进行与ECU通信并读取相关故障码进行分析，因轮速波形不是标准波形，此法需要进行方波与轮速波形同频率设定，所以不需要ABS试验台就可完成检测，结构流程如图1所示。

第二种方法为利用USB-6251采集卡对MK20-I实验台上的轮速传感器进行检测，通过Labview程序显示到PC机上与通过USB/CAN适配器接收到ECU给定的轮速值进行对比，实测轮速与ECU通信的轮速对比，误差在0.1到0.2之间为正常（见图2）。

4 检测系统相关原理

4.1 K线适配器与通信协议

K线是汽车控制单元与诊断插座之间双向传递的一条串行数据线，K线适配器通过RS232接口COM1与PC机连接实现了总线的转换。PC机根据诊断协议与ECU进行通信诊断。此次采用KWP2000协议，KWP2000是现在大多数车辆使用的一种车载诊断标准协议，KWP2000是由ISO14030-1/ISO9141-2在物理层的规范，其中包括K线与L线，表1是报文结构。

4.2 USB/CAN适配器与UDS通信协议

UDS协议是基于CAN总线未来汽车上通用的一种标准化诊断协议。UDS协议在OSI七层模型上定义了4种，分别为应用层、网络层、数据链路层、物理层[5]。

在数据传输中CAN支持两种报文格式，即标准格式和拓展格式。在标准格式中标识符（ID）长度为11位，在报文格式中的开头称为帧起始（SOF），依次是仲裁域（RTR）、控制域包括扩展位（IDE），判断是标准格式或者是扩展格式其后数据域范围为0～8个字节，这个区域用来指明数据的长度（DLC）数据帧最大为64位。安全域主要是检测数据错误的循环冗余检查（CRC），在CAN中线有5种错误的修正方法。应答域ACK长度为两个位，其中包括应答位和应答分隔符，用来反映发送站与接收站是否接收到数据。最后是结束域，由隐形位组成，这是显示错误并发送的最后一次机会（见图3）。

5 系统软件设计

虚拟检测系统，利用采集卡、个人电脑、通信网络，可对ABS ECU运行工况的信号进行通信，采集ECU中的数据包。将采集数据与该系统存储的正常波形对比，并结合神经网络技术对采集数据进行分析，最终直接给出故障诊断结果，Labview在研究中起到搭配协调分析判断的作用。endprint

在Labview程序面版中有协议通信方式，该程序采用VISA串口方式与CAN总线进行通信，控制面板上主要有两大模块分别为通信模块、控制模块，通信模块设置正确的IP地址，使Labview与ECU建立正常的通信读取内部储存的故障码。

控制面板是控制继电器通断的，通过面板上的数字通道选择按键向指定的通道发送指令码对相应的继电器进行通断，来达到控制ECU的效果。

6 ECU的检测与分析

检测在各种部件运行情况下ECU是否工作正常，比如轮速传感器、电磁阀，需要检测它们在工作时是否正常运行。该系统由Labview程序控制USB-6251采集卡来达到使ECU对外部电路的通断，USB-6251采集卡共有32路输出分成两个通道分别对应的是1、2，每个通道有16路输出对应两个字节，前8位对应bit0～bit7，后8位对应bit8～bit15，如ECU电源控制为1时接通，为0时关闭。ECU需要检测各个传感器与执行器，每个通道都满足ECU开关的控制。

6.1 轮速模拟信号

汽车轮速传感器一般有霍尔效应式、磁电式、磁阻式、光电式。该实验台MK20-I采用的是霍尔式传感器来采集轮速，最初轮速传感器采集到的波形不是标准的正弦波，波形经过处理变成方波进入ECU。根据施密特触发器波形转换处理使采集卡模拟波形进行转换达到实际轮速的波形，轮速计算多倍周期法得知式子（1）[3]：

m1为周期乘倍数，N2为m1个周期累计脉冲个数，为信号周期。通过发送同频率的脉冲波形来达到模拟轮速的信号。

6.2 判断分析

根据ECU收集到的信号判断分析是哪部分传感器执行器出现故障需要轮速高低两个状态分别来判断，从以下方面分析传感器、执行器、ECU是否工作正常。

（1）基于K线的KWP2000的诊断协议。

ECU本身带有自检功能，如果ECU在运行时出现故障会以故障码的形式储存在ECU里，Labview程序通过基于K线的KWP2000的诊断协议对故障码进行分析显示到PC机上进行分析处理，同时采集卡的采集功能利用程序采集来判断传感器是否正常工作。

（2）CAN总线通信判断ECU内部是否工作正常。

由于现在ECU都采用线型结构，故能否与CAN正常通信就可间接判断ECU是否故障，PC机通过USB/CAN适配器与ECU对应的地址ID连接，PC机不断地接收到CAN總线传递过来的数据包进行分析判断ECU是否工作正常。

7 整体测试流程

7.1 模拟信号检测流程

直接对ECU进行检测时串口初始化，采集卡的四通道发送模拟轮速波形不需要实体台架，PC机控制采集卡3个通道控制ECU通电，ECU得电进入工作自检状态，K线适配器工作连接并通信PC机与ECU，PC机此时分别读取故障码，采集卡8位模拟通道发送模拟轮速传感器波形与读取ECU中采集的波形进行对比，模拟传感器波形采用调整周期的方式改变轮速的高低，例如调高波形的周期值T车轮转速升高，调低周期值T车轮转速降低，最后对比结果显示在PC机上。检查CAN总线通信是否正常，ECU第二次得电，PC机与ECU通过USB/CAN适配器建立通信并读取信息分析判断将结果存入文件中。流程如图4所示。

7.2 实验台检测流程

PC机通过K线适配器连接ECU建立通信并读取故障码，数据采集卡前3个通道控制ECU，第四通道实现采集功能实时采集轮速传感器的真实波形与从ECU中读取的波形进行对比，最后将结果写入文件。

8 结语

汽车ABS ECU控制系统使汽车维修人员了解ABS单元内部控制，方便检测ABS内部控制系统故障，根据ABS ECU收集到的信号判断分析从以下方面分析传感器、执行器、ECU是否工作正常，解决了实车不容易观察、诊断、分析、检测汽车ABS内部控制系统故障的问题。

参考文献

[1] 王焕勇，陈家琪.汽车ABS ECU检测系统的开发与应用[J].信息技术，2016（8）：63-66.

[2] 黄爱蓉，王思山，张凤娟，等.基于KWP2000的信息采集系统的开发[J].湖北汽车工业学院学报，2010，24（3）：28-31.

[3] 刘训忠，王一玲，夏群生.汽车防抱死制动系统（ABS）轮速算法研究[J].汽车电器，2000（1）：7-10.

[4] Chen J.Make new friends，but keep the old： Recommending people on social networking sites[A].Proceedings of the 27th International Conference on Human Factors in Computing Systems[C].New York：ACM，2009：201-210.

[5] 刘丽丽，徐皑冬，宋岩，等.车辆通用故障诊断协议的研究与开发[J].计算机工程，2012，38（16）：9-13.endprint