摘 要
隨著汽車電子的快速發展,車載電子電氣系統逐漸應用到汽車上。車載電子電氣系統的使用,一方面使得當今的汽車更加安全、舒適、節能,但另一方面也使得車載電子電氣系統更加復雜,在開發過程中車載電子電氣系統測試變的至關重要,所需的開發周期更長,成本更高。
本文主要研究了基于 Labview 的車載電子電氣系統測試平臺的設計,對車載電子電氣系統進行仿真測試。首先對車載電子電氣系統進行了分析,從電控單元和 CAN 網絡入手,介紹了其基本構成和原理。選取由五個電控單元(電動助力轉向系統 EPS,防抱死制動系統 ABS,組合儀表 IC,發動機控制模塊 ECM,車身控制模塊 BCM)構成 CAN 網絡的一套車載電子電氣系統作為研究對象。然后進行電控單元和整車的測試需求分析,包括 CAN網絡測試需求分析,功能測試需求分析,電性能測試需求分析。在分析的基礎上,進行測試平臺硬件的搭建和軟件程序的開發。運用 CANoe 軟件進行 CAN 網絡中各個節點的網絡仿真。測試程序以 Labview 作為開發平臺,對各個電控單元的輸入信號和輸出信號進行模擬,來模擬實車的仿真環境。
從測試的結果來看:基于 Labview 的車載電子電氣系統測試平臺功能強大,靈活方便,不僅縮短了各電控單元和整車測試周期,還降低了設備成本以及相關的維護成本。
關鍵詞:電控單元,電子電氣系統,CAN,LABVIEW,測試平臺
ABSTRACT
With the rapid development of automotive electronics, vehicle electrical and electronicsystem is gradually applied to the car. Use of vehicle electrical and electronic system, on the one hand makes the car more comfortable, safe, energy-saving, on the other hand makes vehicle electrical and electronic systems more complex. In the development process the vehicle electrical and electronic systems test becomes crucial important and needs longer development cycles, the higher cost.
In this paper the design of vehicle electrical and electronic system test platform was studied deeply. The vehicle electrical and electronic systems were analysed, starting from the electronic control unit and the CAN network, thier basic structure and principles were introduced. The five electronic control unit (EPS, ABS, IC,ECM,BCM) constitute the CAN network. The set of electrical and electronic systems was studied. And testing requirements of the electronic control units and vehicle were analysied, including CAN network testing, functional testing and electrical performance testing. Based on the analysis, the hardware and software of the platform were estsblished. The each node CAN network simulation was estsblished by CANoe. Thedevelopment platform of test procedures is Labview, the input signal and the output signal of each of the electronic control unit were simulated.
From the results of the test: the powerful vehicle electrical and electronic system test platform not only shorten the development cycle but also reduce the cost of equipment and related maintenance costs.
KEY WORDS:electronic control unit, electrical and electronic systems, CAN, LABVIEW, test platform
目錄
第一章緒論
1-1課題的研究背景及意義
近年來,隨著中國汽車工業的發展,中國已經成為名副其實的汽車產銷大國,汽車工業已經成為中國經濟的一個支柱產業。隨著汽車的普及程度越來越高,各轎車生產廠商都在努力提高汽車的質量和性能以吸引消費者,各種應用于高級轎車的汽車電子控制單元如:電動助力轉向系統EPS,防抱死制動系統ABS,組合儀表IC,發動機控制模塊ECM,車身控制模塊BCM等都將逐步應用于中低檔轎車上。
在當今汽車行業里,對于某車型的開發,其整車電子電氣系統的開發和測試是重要的組成部分,而在整個開發過程中車載電子電氣系統的測試是至關重要的一部分,測試伴隨著整個設計開發過程。車載電子電氣系統中有多個電控單元和外部電氣設備構成,因此在測試過程中,首先進行單個電控單元的測試,然后再對所有電控單元構成的車載電子電氣系統的CAN網絡進行測試。單個電控單元的錯誤很容易在開發初級階段檢測出來,但還有很多錯誤必須在一個集成的系統中才能被檢測出來,因此對車載電子電氣系統的整車測試更為重要,也更為復雜。國外的HIL硬件在環測試設備是現在的主流測試設備,可以在虛擬車輛環境中對車載電子電氣系統進行測試。但是其價格非常昂貴,一般的整車廠無法接受,因此自主開發低成本的基于Labview的車載電子電氣系統測試平臺迫在眉睫。
大量的汽車電子控制單元的使用,一方面使得當今的汽車更加節能、舒適、安全和環保,但另一方面也使得車載電子電氣系統更加復雜,開發和測試變得至關重要,所需的開發周期更長,成本更高。由于汽車電子技術迅速發展,傳統的檢測方法無法高質量高效率地滿足復雜的測試需求。在該測試平臺的設計過程中,設計人員對待測試車型的電控單元和CAN網絡進行仿真,建立了相應的車輛模型,并將其運行于實時環境中,與各個電控系統閉環工作,從而實現對車輛運行工況的模擬,完成對各個電控單元和整車網絡的測試。
本課題以測試某款車型的電子電氣系統為例,研究開發了基于Labview的車載電子電氣系統測試平臺,對該車型的電子電氣系統進行仿真測試。將大量的實車測試工作變為臺架半實物仿真測試,大大節約開發成本,縮短開發周期。本課題來源于中國汽車技術研究中心汽車工程院,作為國內汽車行業的權威技術部門,擁有雄厚的實力和豐富的汽車電子測試經驗。它與國內多家汽車公司合作開發各種車型的仿真測試平臺,為整車企業提供完善的車載電子電氣系統測試環境以及優質的工程服務。作者有機會參與此類合作項目,對基于Labview的車載電子電氣系統的測試平臺進行研究。
基于Labview的車載電子電氣系統測試平臺功能強大,使用靈活,具有很強的實用性和經濟性。本課題的研究作為一種實踐工程項目,對于提高我國汽車企業的技術水平、產品安全性能與提高國內外市場的競爭能力等方面,都具有重要意義和實用價值。對于整車企業而言,一套車載電子電氣系統的各個電控單元可以交給供應商開發,但是最后必須進行各個電控單元測試和系統集成測試。通過基于Labview的車載電子電氣系統測試平臺,可實現對各個電控單元測試和系統集成測試。本課題基于實際應用背景進行,所以具有較強的工程應用價值和必要的研究價值。
1-2汽車電子測試的發展概況
1-2-1國外發展概況
任何一個國家的車載電子電氣系統的測試技術都是從無到有發展起來的,但是西方發達國家在汽車電子測試技術發展較早也較快。據了解,早在50年代在一些西方發達國家就形成了以故障診斷和性能調試為主的單項測試技術和單項測試設備[1].在60年代后期,西方發達國家車載電子電氣系統測試技術發展很快,并且大量應用電子、光學、理化與機械相結合的光機電、理化機電一體化檢測技術。如:
非接觸式車速儀、前照燈檢測儀、車輪定位儀、排氣分析儀等都是光機電、理化機電一體化的測試設備[2].之后進入70年代,這時電子計算機技術發展迅速,在此帶動下汽車測試設備向智能化方面發展,出現了汽車測試診斷、控制自動化、數據采集自動化、測試結果直接打印等功能的現代綜合性能測試技術和設備,它們能對設備本身和汽車技術狀況進行測試[3].進入80年代后,計算機技術在汽車測試技術領域得到進一步深化的應用,出現集成數據采集和顯示、存儲、打印等功能于一體的測試系統的軟件,自此發達國家的汽車檢測技術實現了全自動化,這樣可以避免人為的判斷錯誤,大大的提高檢測的準確性[4].
目前,國外普遍采用硬件在環技術建立完整的―虛擬車輛‖測試平臺。硬件在環仿真,是指在電控單元開發過程中還沒有投入市場前,對于電控單元的被控對象或汽車的運行環境,大部分采用實時數字模型來模擬而非全部,另一部分采用實物來創造真實汽車環境,進行整個系統的仿真測試過程。而對產品電控單元在研制出來以后,還需要對其進行全面綜合地測試,特別是在各種故障情況和極限條件下的進行測試。但如果用汽車上真實的的控制對象進行測試,很多情況下是無法實現的,或者要付出很大的代價,如對汽車電控單元的測試就包括不同的車型,不同的路況,不同的環境下的測試。硬件在環仿真技術也支持并行工程,在控制對象和控制器同時并行開發時,可以應用實時仿真系統模擬控制對象的運行環境,進行對控制器的仿真測試,這樣就大大縮短了電控單元的開發測試周期,降低了成本[5].
對于硬件在環仿真的研究,德國公司dSPACE專門研制生產出了各種實時測試和控制的仿真機,dSPACE現在已經是世界上最大的實時測試控制仿真機廠商。應用于汽車領域的dSPACE仿真機,具有驗證自動診斷的功能,在閉環條件下,可以模擬各種汽車故障信號來監測電控單元的自動診斷功能;驗證電控單元的控制算法,用戶可以根據相關技術要求在正常環境下對電控單元進行功能測試也可以通過虛擬的整車測試環境對不同車型與部件進行測試;對多個電控單元進行網絡測試,測試多個電控柜單元的聯合工作情況;對傳感器與執行器進行測試。
采用先進的測試和測量技術驗證車載電子電氣系統是必然趨勢。在汽車電子測試和測量領域呈現下列發展趨勢:采用虛擬的暗室技術;降低汽車電子產品和整車測試的成本;贚abview和PXI技術構建的虛擬儀器汽車電子系統測試平臺,將是未來的發展趨勢。通過這種測試平臺,工程師可以對測試車型進行仿真,建立相應的車輛模型,并將其運行于實時環境中,與各個電控系統閉環工作,從而實現對車輛運行工況的模擬,完成對整車網絡和各個電控單元的手動測試和自動化測試。
1-2-2國內發展概況
我國從20世紀60年代開始研究汽車測試技術,當時還沒有汽車電子測試的概念[6].70年代,我國大力發展了汽車測試技術但當時國內僅能生產少量的簡單的測試設備,只能對簡單的電氣設備進行簡單的測試。進入80年代,隨著國民經濟的發展,科學技術的各個領域都有了較快的發展,汽車測試技術也隨之得到快速發展,加之我國的汽車制造業和公路交通運輸業發展迅猛,對汽車測試設備的需求也與日俱增[7-8].邁入90年代,交通部發布《汽車運輸業車輛技術管理規定》、《汽車運輸業車輛綜合性能檢測站管理辦法》。隨后全國又掀起了建設汽車綜合性能測試系統的高潮[9].同時,汽車電子測試技術和設備也得到了大力發展。就在此時除了交通部門,機械、城建、高等院校等部門也進入汽車電子測試系統研制、開發、生產、銷售領域。新世紀以來,隨著國內汽車生產廠家開始自主研發新車型,開始應用汽車電子產品,此時對電控單元的測試和整車電子電氣系統的測試需求日益增長。
目前我國已能依靠采購國外各種先進儀器設備,對汽車電控單元進行綜合測試,進行自動控制檢測過程,自動采集檢測數據,使檢測診斷過程更安全、更快捷、更準確。雖然如此,我國在汽車測試系統中的底層核心技術占有量仍然有限,開發研究現代汽車電子測試系統是目前我國汽車電子測試行業的重中之重。根據目前汽車電子測試過程中出現的各種情況,建立功能強大、設計靈活、低成本的汽車電子電氣測試系統是我國現在汽車電子測試技術發展的迫切要求。這種汽車電子測試系統可以根據每一個實際工程測試項目的要求,自由增加或者減少測試系統配置,通過各自配置系統中的單元器件,充分利用成熟的標準化資源,來提高汽車電子測試技術綜合應用的效率。由此可見,使用現代車載測試設備以及診斷技術是汽車測試與診斷技術發展的必然趨勢。
國內各汽車電子測試設備生產廠家都在緊跟國際汽車電子測試技術的發展趨勢,研發各種測試電控單元設備,國內新一代車載電子電氣系統測試和測量技術的發展目標是在虛擬環境中完成測試,從而縮短整車的測試時間。國內多個企業也在研發基于Labview的車載電子電氣測試平臺。利用該方法可以模擬真實世界中不能實現的各種極端條件,可以對車載電子電氣系統進行集成測試,而不會產生危險。在炎熱的夏季可以為測試模擬出冬季的路面條件,也可以在理論上汽車可以達到的最高行駛速度下進行測試。通過測試還可以檢測出在車載電子電氣系統設計中的不足。運用該方法可以在車載電子電氣系統未完整的裝配在一起的條件下對單個電控單元進行測試,使得測試變為設計開發流程的一個重要組成部分。該類測試平臺還可以幫助整車企業對特殊的車載電子電氣系統設計的替代方案做出早期決策,這樣汽車電子單元在將來的應用環境中就能有效運行。
1-3虛擬儀器的發展概況
虛擬儀器起源于上世紀70年代,當時基于計算機的測控系統在航天、國防等領域已經有了長足的發展。個人計算機出現以后,儀器的計算機化才成為可能。目前計算機處于核心地位,計算機技術和測試系統緊密地結合成了一個有機體,使得儀器的設計觀點和結構概念等都發生了突破性的改變。一種新的儀器概念--虛擬儀器VI(VirtualInstrument)出現了。
NI公司在Microsoft公司推出Windows之前,就已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0以前的版本了。該公司對虛擬儀器和LabVIEW軟件進行長期、系統、有效的研究開發,使其成為業界公認的權威[11].NI二十多年來一直致力于開發基于計算機技術的測試測量和自動化控制的軟硬件產品,為測試、測量與控制領域提供當今最先進的技術和平臺。NI公司早在八十年代初就提出了"軟件就是儀器"的口號,將快速發展的計算機技術與儀器技術完美地結合起來,使得用戶在操作計算機時,如同在操作自已定義的儀器。虛擬儀器設計方便靈活,不僅幫助客戶縮短產品的上市時間,大幅度降低開發和測試成本[12].
虛擬儀器從提出概念到目前的日趨成熟,虛擬儀器的發展可以分為三個時期:第一時期,充分利用計算機技術來增強傳統儀器的各項功能。第二時期,運用各種總線技術實現開放式的儀器構成。第三時期,虛擬儀器軟件框架得到了科技技術界的認同和采用,使得虛擬儀器得到了飛躍式的發展。
提到虛擬儀器的發展,不得不提LabVIEW軟件的發展。二十多年來,世界各地的工程師和科學家借助LabVIEW軟件平臺來進行圖形化的系統設計和實現。今天,NI已是國際上IEEE488(GPIB)、VXI儀器控制產品、DAQ(數據采集)產品、PXI-新型模塊化工業用計算機的領先供應商,而且圖形化的編程軟件LabVIEW、基于文本的測量軟件LabWindows/CVI已成為編制虛擬儀器系統的標準開發環境。
1-4本文的主要研究內容
針對基于Labview的車載電子電氣系統測試平臺的設計要求,本文結合車載電子電氣系統中電控單元和CAN網絡的測試需求,按照工程中實際的應用需求,利用Labview平臺在數據采集、儀器控制方面的優勢迅速的設計出所需系統。要求設計的測試平臺一方面能夠實現車載電子電氣系統的單節點的網絡測試、功能測試和電氣性能測試和整車的網絡測試、功能測試和電氣性能測試,另一方面在綜合性能上要保證系統的高可靠性、實時性、可擴展性和易維護性,既滿足車載電子電氣系統當前的功能需求,又滿足車載電子電氣不斷發展的擴展要求。具體內容包括以下幾個部分:
1)深入分析車載電子電氣系統的構成,從電控單元和CAN網絡入手,掌握其基本構成和原理。
2)分析各電控單元和整車的測試需求,包括CAN網絡測試需求分析,功能測試需求分析,電性能測試需求分析?偨Y出各個電控單元的所有信號類型。
3)設計CAN網絡仿真模型,針對測試規范和測試的實施,設計出針對網絡功能測試項的測試仿真模型,運用CANoe軟件進行模型建立、面板設計和CAPL編程。4)單節點測試機柜的設計及搭建,基于NI板卡模塊和CANoe、CANstress等工具設計完成,可對單節點模塊進行網絡、功能、電氣性能進行測試。5)整車測試臺架設計及搭建,設計臺架整車功能測試臺架,確定測試臺架的架構、尺寸、材料等信息,設計連接方式及部件的掛接方式。盡可能采用真實負載,對整車電子電氣系統進行網絡測試、功能測試。
6)基于Labview的上位機測試軟件包設計,包括人機界面設計、系統控制功能軟件開發及系統軟件集成。
1-5本章小結
本章中,對本課題的研究背景及意義進行了說明,對汽車電子測試的發展概況和和虛擬儀器的發展概況進行了探討,結合本課題的實際情況,概括了本文的主要研究內容。
第二章 車載電子電氣系統
2-1 汽車電控單元
2-1-1 電控單元的基本功能
2-1-2 電控單元的基本組成
2-1-3 電控單元的可靠性要求
2-1-4 電控單元的測試
2-2 CAN 網絡總線
2-2-1 CAN 網絡總線介紹
2-2-2 CAN 的分層結構
2-2-3 CAN 總線的特點
2-2-4 CAN 網絡的測試
2-3 本章小結
第三章 測試需求分析
3-1 電控單元測試需求分析
3-1-1 CAN 網絡測試需求分析
3-1-2 各節點的功能測試需求分析
3-1-3 各節點電性能測試需求分析
3-2 整車測試需求分析
3-2-1 整車網絡測試需求分析
3-2-2 整車功能測試需求分析
3-2-3 整車電性能測試需求分析
3-3 本章小結
第四章 測試平臺硬件設計
4-1 平臺硬件總體設計
4-2 節點/整車測試機柜設計
4-2-1 控制開關系統
4-2-2 故障注入/負載仿真系統
4-2-3 NI-PXI 模塊化儀器系統
4-2-4 電源系統
4-2-5 外圍設備
4-3 整車測試臺架設計
4-3-1 線束布置設計
4-3-2 掛載部件分析
4-4 本章小結
第五章 測試平臺軟件設計
5-1 Labview 的介紹及應用
5-1-1 編輯界面
5-1-2 前面板
5-1-3 程序框圖
5-1-4 圖標和連接器
5-2 CANoe 軟件介紹及應用
5-2-1 車載網絡的仿真模型
5-2-2 CAPl 編程
5-2-3 數據庫的建立
5-2-4 面板的設計
5-3 測試界面設計
5-3-1 登陸界面設計
5-3-2 用戶管理設計
5-4 節點測試程序設計
5-4-1 節點網絡測試設計
5-4-2 節點功能測試設計
5-4-3 節點電性能測試程序設計
§5-5 整車測試程序設計
5-5-1 整車網絡測試流程設計
5-5-2 整車功能測試流程設計
5-5-3 整車電氣性能測試流程設計
§5-6 測試結果
§5-7 本章小結
第六章 結論
6-1 成果
Labview 為汽車電子測試工程的實際應用提供了一種新思路,充分發揮 Labview 快速開發的特點,能夠極大縮短開發時間和成本。實踐證明,基于 Labview 的車載電子電氣測試平臺在新車型的電子電氣系統開發測試過程中起到了重要的作用。
1)將車載電子電氣系統在實車上和部分道路上的測試轉化為實驗室平臺測試,在實時仿真環境中進行測試。針對每個不同的裝車階段,可以進行較為完整的電子電氣系統集成測試,達到了預期效果;2)經過測試,在第一時間反映出車載電子電氣系統中各電控單元的問題,節約了查找問題的時間,縮短了解決問題的時間,提高了解決問題的效率;4)在測試中減少了原型車的組裝,且測試平臺可以循環利用,通過軟件程序的更改就可以應用于另一個車型的測試;5) 基于 Labview 的車載電子電氣測試平臺,大大縮短了整車電子電氣系統測試開發周期,節約了開發成本。
6-2 展望
基于 Labview 的車載電子電氣系統測試平臺,初步已經完成,各項測試正在進行進一步的驗證。由于時間、實習環境的各方面限制,從目前來看還有很多方面可以更深入的研究,有以下幾個方面:
1) 在單節點的網絡測試過程中,可以進一步優化,充分運用 CANoe 軟件實現網絡的自動化測試。
2) 在現有的測試平臺上,可以添加在線故障診斷(OBD)測試的功能。 3) 機柜和臺架設計上可以進一步優化,使其操作更加方便。
4) 在上位機 Labview 程序設計上可以進一步優化。 5) 采用 NI Teststand 作為該系統的軟件平臺,可以對各類編程語言所編寫的測試序列進行管理和執行,實現自動化測試。
6-3 本章小結
本章中,主要總結了本文的研究成果,根據測試需求分析,搭建完成基于 Labview 的車載電子電氣系統測試平臺,分析了該平臺的優點。最后對該課題的研究領域進行展望,列出了需要繼續深入研究的各個方面。
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致 謝
在攻讀研究生的這三年中,導師崔根群教授在學習和生活上給了我悉心的指導、關心和支持,在此,我向崔老師表示衷心的感謝!崔老師嚴謹的科研及治學態度、務實的工作作風、誨人不倦的育人精神,給我留下了極其深刻的印象,這也將對我今后的人生起到巨大的指導作用。
論文進行過程中還得到了中國汽車技術研究中心龔進峰院長的熱心指導,特此感謝!在中國汽車技術研究中心實習的這兩年多的時間里,得到了韓光省和蔡永祥高級工程師的大力指導,還有一起實習的同學裴俊偉和潘俊家的幫助,在此,向他們表示深深的感謝!
感謝讀研這三年時間里培養、指導過我的所有老師們,感謝機械學院這個充滿生機的平臺!三年的研究生生活里,我的家人們也給了我無微不至的關懷和支持。在論文完成之際,我謹向我的家人表示深深的謝意!
最后,再次感謝所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友!
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