发动机电控单元电性能退化数据采集方法

崔润龙 ，陈 韬

（1.天津大学机械工程学院，天津 300072；2.飞思卡尔半导体（中国）电子有限公司，天津 300385）

发动机电控单元电性能退化数据采集方法

崔润龙1，2，陈 韬1

（1.天津大学机械工程学院，天津 300072；2.飞思卡尔半导体（中国）电子有限公司，天津 300385）

针对发动机电控单元ECU（electronic control unit）可靠性研究中存在数据采集方法效率较低和采样间隔无法自适应调整的问题，本文提出了一种基于CVI平台的发动机ECU电性能退化数据获取方法。该方法采用集成式结构，利用CAN总线和GPIB总线对所有信号切换进行统一控制，并结合退化信号的变化特性和测量阈值的合理选取完成了退化数据采样间隔的动态调整，实现了电性能退化数据的高效和自适应采集。试验结果表明，该方法数据采集和传输准确率高，为ECU的可靠性研究提供了有力支持。

性能退化数据；发动机电控单元；总线；数据采集

汽车发动机电控单元ECU（electronic control unit）通过采集传感器信息，并结合良好的控制算法实现对发动机喷油和点火的精准控制，直接决定了车辆的燃油经济性和动力性；另外ECU的可靠性关系到人身安全和车辆安全，对ECU可靠性的评估一直是发动机ECU研究的热点问题之一[1-2]。传统ECU电性能可靠性研究通过测试特定温度下的单一截尾数据，并基于故障率和失效时间利用概率统计的方法进行伪寿命估算。对于ECU这种高可靠性、长寿命的产品，短期内很难出现失效数据，这给传统ECU可靠性评估提出了很大挑战。

近年来提出的基于性能退化数据的可靠性评估，可有效利用退化过程中的特征数据作为传统可靠性评估的有益补充[3]，为ECU的可靠性研究提供一种全新的思路。但目前已有的ECU数据采集平台不适合进行连续特定时间段的自动采样，并且系统通常采用分布式结构，控制信号线束较多，编程复杂，而且在上电初始化时，由于控制信号的抖动问题，存在局部电路瞬间短路的风险，导致故障率较高，维修困难，多线程技术很难应用。

本文以LabWindows/CVI（简称CVI）为基础，研究开发了发动机ECU电性能退化数据采集方法，并在同步开发的集成式平台上进行了试验，该方法通过控制器局域网络CAN（controller area network）总线和通用接口总线GPIB（general-purpose interface bus）对所有信号切换进行统一控制，实现了信号准确导入，线束故障率显著下降；基于多线程实现了采样的快速性，通过数据获取智能管理系统可实现采样率的自适应调整[4-5]，充分获得ECU电性能退化过程中的大量有效数据，为ECU电性能可靠性分析和伪寿命估算提供依据[6]。

1 电性能退化数据采集系统整体结构

本文构建的ECU电性能退化数据采集系统是以美国国家仪器NI（National Instruments）在Windows环境下开发的CVI为平台，利用C语言编程将传统的分布式控制模式转换为集成式控制方式，通过合理分配信号切换、信号滤波和信号放大等处理操作，保证不同模块敏感特征量在导入过程中的可靠性，不同命令字的操作避免了信号误触发和短路情况的发生。该退化数据采集系统采用模块化结构，主要包括电源管理、整机散热、信号切换、信号测量、信号模拟、负载管理、通信控制和异常报警控制等模块，其系统结构如图1所示。

图1 ECU电性能退化数据采集系统结构Fig.1 Structure of acquisition system of electrical performance degradation data for ECU

电源管理模块负责整个系统供电，内置两个稳压电源，通过GPIB进行程控来实现负载电压的动态变化；整机散热模块通过安装在上下两端的散热风扇和机柜中间部位的温度传感器来实现系统内部的恒定温度；信号切换模块实现发动机ECU信号的准确接通和断开；信号测量通过对信号进行滤波等处理，实现电流、电压及频率等测量；信号模拟模块用于模拟发动机转速信号、曲轴信号和开关信号等；负载管理模块通过实物构建来实现喷油、点火和节气门控制操作；通信控制中CAN总线主要用来实现信号切换继电器矩阵卡控制，GPIB总线主要实现测试设备控制和测量结果传输；报警模块通过设定的逻辑控制保证ECU模块和系统的安全。

2 电性能退化数据采集系统硬件设计

2.1 信号模拟模块设计

ECU中的喷油和点火等关键操作均基于发动机位置信号来实现，所以对其进行准确模拟尤为关键。本文利用飞思卡尔MC9S12单片机来设计模拟信号，其内嵌的存储器带有纠错码，集成了CAN协议，8通道自由配置的脉宽调变，12位模数转换时间为3 μs[7]。该模块实现的功能包括：发动机曲轴信号、凸轮轴信号、爆震信号、可变频率信号和开关量信号等，发动机曲轴和凸轮轴相位关系如图2所示。

图2 发动机曲轴和凸轮轴相位关系Fig.2 Phase diagram of engine crank and cam

凸轮轴和曲轴相位信号可通过上位机进行灵活配置，爆震信号和频率信号采用可变频率方波来实现，通过上位机频率和占空比的灵活配置，方便ECU电信号的注入和分析；数字量通过隔离芯片HC244控制，进行高低电平的转换；模拟量变化范围为0～5 V，精度为3%，采用10圈高精度旋钮。

2.2 信号切换及测量模块设计

系统测试过程中，对信号的准确切换尤为关键，本文采用飞思卡尔MC9S08DZ60作为控制芯片，通过CAN总线实现继电器矩阵资源的合理配置，由此形成的矩阵板集成度高，结构紧凑，可靠性得到大幅提高。通信线采用全屏蔽信号线，有效地保证了信号的准确传输，另外接口阻值和异常保护也进行了特殊处理，确保各控制卡之间在短路情况下不会存在干涉和短路击穿。本文通过Multisim进行了信号切换试验仿真，在此基础上构建了整个信号切换模拟系统，信号切换板卡和局部电路如图3所示，其中电阻测量采用4线制来保证采集精度。

图3 系统信号切换电路Fig.3 Signal switching circuit of the system

2.3 采集系统各模块硬件接口设计

该系统通过GPIB总线实现对电源的程控，可对整个电路的电流和峰值电压进行监控；利用CAN总线可实现测试信息的准确采集和传输，通过滤波和信号平滑后无冲击地进入采集系统，对维持和冲击电压进行了完整测试，测试数据流速率最高为500 kbit/s，系统各模块硬件接口连接如图4所示。

图4 系统各模块间硬件接口连接Fig.4 Hardware interface connections among modules in the system

系统内部结构及外部测试试验数据获取连接如图5所示，其中数字万用表和示波器的信息采集采用外触发模式，脉冲高电平持续时间为50 μs，中间加有限流电阻，电压采用TTL电平，终端负载为实际的喷油阀和点火线圈，所有通信线和控制线均采用屏蔽线，测量设备在每次断电重新上电后均需要进行自检，确保测试设备数据的准确性。

图5 数据采集系统连接Fig.5 Connections in data acquisition system

3 电性能退化数据采集系统软件设计

3.1 系统软件开发工具简介

CVI适用于测控系统领域的软件开发，能将数据采集和设备控制很好地融合在一起，并采用可视化的编程方法来增加人机交互[8]。其通过灵活调用不同设备或固有的库函数来实现数据采集过程中的快速性和准确性，并通过不同厂家的数据库加载来丰富库函数，可供各个阶段的函数调用并生成动态连接库，非常方便地进行动态信息的获取；另外通过多线程技术使数据采集和控制处理能力得到巨大提高，为数据时域和频域分析提供了有力保障。

3.2 平台软件整体架构及模块设计

在对ECU进行电性能退化数据采集时，需要对软件控制方式和退化数据库集管理方面进行合理的结构安排。本文将采集平台软件部分进行了分层模块化处理，分为管理层、控制层、驱动层和接口层4个层次。其中管理层属于最高层，直接与用户进行信息交互，执行通信管理、故障诊断和报警处理等；控制层根据高层的决策进行相关的控制操作，完成矩阵继电器板卡的正确吸合及总线中不同通信和控制卡的切换，实现控制信号的准确执行；驱动层和接口层属于底层，根据控制层的控制指令完成不同板卡和采集卡的初始化操作和接口函数的输入输出调用。

3.3 平台软件功能基本流程

合理的控制算法能够保证特定时刻ECU电性能退化数据的准确获取，为时域内的电压、电流和电阻的动态变化捕获提供保证。ECU电性能退化过程具有非均匀性，并且在不同的加速应力下其退化速度呈现明显不同，利用定时间隔采样方法势必造成在退化速度慢时采样冗余，而退化速度较快时又会造成采样次数相对不足的情况，错失一些极限退化情况的结果，会对可靠性评估精度造成一定的影响，因此本文基于电性能退化信号的变化特性和测量阈值的合理选取来实现对退化数据的自适应采样[9]。

假设退化信号在前n个采样时刻ti(i=1,2,…,n)的采样值分别为Vi(i=1,…,n)，退化信号的变化趋势为单调上升，Hn为第n个采样时刻的测量阈值，其值为第n-1时刻和第1时刻采样值平均差值的5%，即Hn=0.05(Vn-1-V1)/(n-2)。在确定采样间隔时，首先根据产品的退化规律（例如指数和线性退化等）由前n个退化数据Vi拟合出退化曲线Cn，从而得到第n+1时刻的估计值；然后计算第n+1时刻实际采集到的信号退化值Vn+1与估计值之间的距离，该值越大表示信号退化速度越快；最后根据Dn+1与测量阈值Hn+1的关系，确定tn+2与tn+1时刻的采样间隔Δtn+2，当Dn+1＞Hn+1时，表示信号退化速度较快，需要加大Δtn+2，反之表示信号退化速度较慢，需要缩小Δtn+2，Δtn+2的计算公式为

当完成一次采样后，需要重新根据所有采样数据进行退化曲线的拟合，并且对动态测量阈值进行更新，并以此确定下一个采样间隔。

本文ECU电性能退化数据测试系统基本流程如图6所示，ECU电性能退化数据测试平台上位机运行界面如图7所示，界面采用模块化分隔，操作性和可维护性强。测试期间，如测试系统或某设备出现异常，可以开启故障诊断功能，对整个系统进行全面自检，并将自检结果保存；测试过程中如果存在异常情况，则马上开启报警处理模块并强制退出系统后断电，再次上电前，系统会提示首先进行“设备初始化”和“矩阵卡测试”操作，避免在故障发生时造成测试设备损坏和短路情况发生，另外CAN总线信息会实时动态显示，方便了故障的诊断和阈值的设定。为了适应不同的模式，可以进行高温、低温或常温的选择，并直接对应到相应的测试标准上，实现了不同情况下的不同测试加载，灵活性得到了保证。

图6 退化数据测试系统基本流程Fig.6 Basic flow of degradation data test system

图7 测试系统上位机运行界面Fig.7 Interface of test system running in upper computer

4 试验结果分析

电控单元ECU性能退化数据采集系统的关键是对测试和控制信息进行准确传输，本文基于时间节点触发的闭环控制来获取特定时间段内的信息采集，分别对CAN总线和GPIB总线进行了通信控制测试试验。

CAN总线性能测试采用11位标准帧数据传输格式，总线负载分布在20%～55%之间，符合CAN总线的正常通信区间，通过测试30 min内的信息包准确率来评价该系统的总线通信可靠性，测试消息流分静态和动态两种格式，格式采用奇数和偶数累加，浮点数累加和递减，乘除数分割，1～1 000的整数累加与递减，表1为CAN总线信息测试准确率分析结果。

表1 CAN总线信息准确率Tab.1 Information accuracy rate of CAN bus

从表1可看出，在静态数据流和动态数据流情况下，在低负载和高负载区域数据流稳定，实际总线与理论数据流传输中，准确率为100%，无错误帧情况发生，测试信号控制和传输准确，满足了发动机电控单元ECU电性能测试要求。

GPIB总线主要用来控制整个系统的电源和测试设备，通常包括设备的初始化（Init（））、档位选定（Configure（））和数据回传（Measurement（））等。本文通过设定5组不同的电阻和电压与实际设备的回调函数结果进行了比较，如表2所示。

表2 电阻与电压测量值与设定值比较Tab.2 Comparison of resistance and voltage between measured and set values

由表2可以看出，电阻偏差率随电阻值的增大无明显变化，最大为0.652 0%，电压偏差率随电压值的增大波动很小，最大为2.700 0%。可见系统对电阻和电压测量精度高，信号传输准确，满足了ECU电性能测试的要求。另外本文选取3块发动机ECU作为测试对象，针对喷油模块在25℃、100℃、110℃和120℃4种不同温度下的驱动情况进行了试验，结果如表3所示。

表3 不同温度下喷油驱动开启电压Tab.3 Injection-driven open voltage under different temperatures

从表3可看出，喷油系统的最低电平随着温度的升高而逐渐增大，3个样本变化趋势一致，这与线路中驱动芯片的源极与漏极之间的电阻以及其他阻值随温度升高而增大，导致在喷油器驱动端的分压阻值增大是一致的，符合喷油模块正常工作特性。

本文利用等时间采样间隔和自适应采样间隔对喷油驱动开启电压进行了采集，分别如图8和图9所示。

图8 等时间采样间隔进行的试验分析结果Fig.8 Test analysis results with identical sampling intervals

图9 自适应采样间隔进行的试验分析结果Fig.9 Test analysis results with adaptive sampling intervals

从图8和图9可以看出，在电压变化比较平缓的阶段，两种采集方法差异不大，而对于电压变化比较剧烈的阶段，自适应采样方法能得到和实际变化曲线较吻合的结果，验证了本文方法的正确性。

5 结 语

本文提出了一种基于CVI平台的发动机ECU电性能退化数据获取方法，该方法根据电性能信号退化特性和动态阈值的更新实现了采样率的自适应调整，并且系统信号切换和传输采用集成式设计，结构紧凑且兼容性好，数据采集和传输准确性高，适合应用于实际的测试需求，为发动机ECU可靠性评估和电性能分析提供了新的途径。

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Acquisition Method of Electrical Performance Degradation Data for Engine Electronic Control Unit

CUI Runlong1，2，CHEN Tao1
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Freescale Semiconductor（China）Electronics Co.，Ltd，Tianjin 300385，China）

Aiming at the problem that the data acquisition method has a lower efficiency and the sampling intervals cannot be adaptively adjusted in the reliability study of engine electronic control unit（ECU），an acquisition method of electrical performance degradation data for engine ECU is proposed based on CVI platform in this paper.An integrated structure is adopted，and all the signal switchings are controlled collectively through the CAN and GPIB buses.Moreover，the dynamic adjustment of sampling intervals for degradation data is realized by combining the changing characteristics of signal degradation and a reasonable selection of measurement threshold，thus the electrical performance degradation data can be acquired efficiently and adaptively.Test results show that the proposed method has a higher accuracy rate of data acquisition and transmission，which can provide support for the reliability study of ECU.

performance degradation data；engine electronic control unit；bus；data acquisition

TP273

A

1003-8930（2017）10-0001-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.001

2015-11-05；

2017-03-30

国家自然科学基金资助项目（51206118）

崔润龙（1976—），男，博士研究生，研究方向为发动机电子控制、系统自动化。Email：runlongcui@163.com

陈 韬（1982—），男，博士，讲师，研究方向为发动机电子控制。Email：ct3399@163.com