基于NI產品的高壓共軌柴油機電控單元測試系統的開發

挑戰：
 
發動機電控單元的開發面臨著開發效率和開發質量的雙重壓力，如何在產品開發過程中快速地測試控制系統的功能性、可靠性，在保證開發質量的前提下，提高系統開發效率，是所有開發人員面前的難題。而在實際的發動機臺架試驗中，人為地產生故障是非常危險的，可能會對控制器、發動機、臺架設備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設備模擬發生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進行該項功能的全面測試，節約臺架時間，降低測試風險。

應用方案

利用NI公司的軟硬件產品，開發人員可以快速高效地搭建出電子控制系統（ECU）測試平臺, 其靈活的硬件配置、圖形化的編程方法，使用戶可以方便地開發出從簡單的子系統測試到復雜的全系統測試方案。在此基礎上應用TestStand建立了一套ECU功能檢測設備，從而在整個開發流程中提供了一個從靈活的軟件調試工具、軟件功能測試到硬件電路檢測的完整解決方案。

使用的產品：

LabVIEW 7.1
LabVIEW FPGA 
TestStand 3.5
PXI-6229 M系列多功能數據采集卡
PXI-7831R 可重新配置的多功能I/O卡
PXI-6512 低價位工業數字輸出卡
PXI-8464/2 單口軟件可選PXI-CAN接口
PXI-6723 靜態和波形模擬輸出板卡

介紹：

高壓共軌控制系統的軟件開發要求建立起一套硬件在回路仿真測試平臺，要求該平臺能提供高速的相位準確的發動機曲軸和凸輪軸信號，以及其他傳感器輸入信號，如共軌油壓、踏板開度、冷卻水溫度、機油壓力、燃油溫度、增壓壓力等，對輸出到執行器，諸如各缸的預噴、主噴以及泵油信號的寬度和相位也要求能準確捕捉，以反映出控制系統真實的控制功能。同時，要求測試系統具有故障發生模塊，方便調試電控單元的診斷功能。這樣在控制軟件的設計過程中，通過硬件在環的仿真調試，可以快速地確認算法的功能，盡早地發現和糾正軟件功能錯誤，降低開發成本，提高開發效率和開發質量。NI公司的虛擬儀器理念克服傳統儀器功能單一，擴展開發困難的缺點，為電控高壓共軌系統控制單元的開發提供靈活、完整的硬件在環（Hardware-in-the-Loop）仿真調試平臺，并建立產品ECU功能檢測設備。本文介紹了該套系統的設計方案及其特點。

正文：

軟件調試平臺建立：
根據高壓共軌控制器的輸入信號相位要求、輸出信號高速采樣要求和故障發生原理，基于NI公司軟硬件產品，利用PXI-7831R FPGA板卡高速發生和采集關鍵信號，利用PXI-6512和繼電器組合實現了各種故障的發生。搭建出的測試系統在實際ECU功能測試中的應用表明，該系統能夠高速模擬發生發動機在不同工況下不同相位關系的曲軸和凸輪信號，結合其他如共軌壓力、油門踏板和溫度信號的發生，通過對噴油脈寬和相位、泵油脈寬和相位的捕捉，實現了對控制器在不同工況下硬件電路、軟件功能的測試，進而為控制器的研發和調試提供了很好的手段。
利用兩塊NI的現場可編程門陣列（FPGA）板卡PXI-7831R，一塊用來發生轉速和捕捉同步信號，實現了高速、相位準確的發動機曲軸和凸輪軸信號的發生，一塊用來捕捉噴油和泵油信號。轉速信號采用While 循環和平鋪式順序(flat sequence)結構，第一個序列中為一可調計時器，用來控制第二個序列信號點輸出的速度，進而改變轉速信號的頻率，該板卡上的另外5路AO用于發生軌壓信號、油門開度及其它溫度信號，如圖1所示。

程序中While 循環中的循環計數用來控制當前循環各模擬輸出口電平的高低，其邏輯根據所需信號的種類而定，本文中的曲軸信號為每轉48齒缺3齒，凸輪軸信號為每兩轉6齒加1齒。另外，為了實現噴油和泵油信號捕捉處理時與轉速信號相位的同步，在每兩圈曲軸信號第一齒上升沿位置產生一捕捉同步信號，實際發生的發動機1500轉信號如圖2。

圖2 實際發生的轉速與捕捉同步信號 
  
噴油信號和泵油信號的捕捉是測試中的關鍵，直接反映軟件的控制輸出，設計中是通過測量驅動電路中電流波形來獲得，選用Honeywell的電流傳感器。對噴油信號需精確獲取噴油脈寬和噴油相位，對泵油信號主要是獲取精確的相位，對脈寬寬度測量精度要求不高。 

圖3為LabVIEW FPGA中的程序，顯示了一路噴油器控制信號和一路泵油信號的測量流程。在測試程序中，首先利用速度信號發生模塊中的捕捉同步信號來觸發測試開始，確保測試開始點與發動機工作相位的嚴格同步，進而保證結果中噴油和泵油信號相位的準確性。

圖4所示為電流信號測量的原理圖，以噴油器電流信號為例。首先針對信號幅值確定兩個閾值，分別為電流上升閾值up和下降閾值down。在測試中，測試程序一經觸發，以恒定的采樣時間間隔 對電流波形進行采樣，首先尋找上升沿，當在第n1個循環找到后，把n1值寫入預設數組第一行，程序轉入尋找下降沿n2，寫入數組第二行，接著是后一個脈沖的n3、n4，(n2-n1)* 和(n4-n3) * 則為主預噴射的噴油脈寬。

找到每一缸噴油信號的上述時間，再考慮各缸相位和當前轉速，則可以最終計算出噴油信號相對于該缸上止點的提前角。實際測量中，FPGA板卡對各通道能實現的最小采樣時間間隔 為0.006ms，相當于發動機轉速3000轉時的0.108 。 

在ECU控制功能中，對故障的識別和處理非常重要，必須給予詳細的功能測試。但在實際的發動機臺架試驗中，人為地產生故障是非常危險的，可能會對控制器、發動機、臺架設備或試驗人員造成傷害。因此，用測試設備模擬發生各種故障信號組合，可以快速地對ECU進行該項功能的全面測試，節約臺架時間，降低測試風險。方案中采用NI PXI-6512數字量輸出板卡和繼電器組合，在圖5的故障發生控制面板通過對下拉式菜單的選擇，實現了各種輸入輸出信號斷路、短路、對地短路或對電源短路等故障模擬。

圖5 LabVIEW中故障發生控制面板 

另外，結合軟件中CAN J1939協議開發的需要，我們利用PXI-8464 CAN卡在LabVIEW中方便地開發出靈活的、滿足J1939協議的收發單元，與ECU節點進行聯調，測試和監控ECU節點單元對協議的滿足情況。 

圖6所示為我們在標準的19寸控制柜中安裝的PXI控制器，控制器上部安裝有監視器，下部則安裝有鍵盤鼠標、接口電路板卡及負載，圖7為在LabVIEW中編制的主控制界面。

圖6  19寸控制柜中的PXI控制器及NI板卡

圖7  LabVIEW中的主控制界面

ECU功能檢測設備開發 

在ECU軟件調試設備開發成功后，公司提出了開發一套產品ECU功能檢測儀的需求，用于出廠前ECU質量控制。我們在軟件調試設備開發的原理基礎上，考慮到成本，選用MXI-4接口的PXI-PCI-8331板卡，直接用PC機控制NI硬件。硬件板卡中選用PXI-6229輸出轉速信號，PXI-6723輸出模擬量信號，PXI-6512發生數字量信號，其余DO結合繼電器產生故障，PXI-8464實現CAN通訊，并利用TestStand軟件進行測試項目管理和報告生成，根據需要增加了相關的產品功能測試項，如ECU上電檢測、內存檢測、輸入輸出端口功能檢測、驅動電路功能檢測等。測試數據主要通過電流傳感器和CAN通訊數據獲得，為此定義了簡單的CAN通訊協議，通過測試設備的請求，ECU回復相應的數據。圖8所示為開發完成的檢測設備圖，圖9為TestStand中調用的主要測試步驟。

圖8  電控單元功能檢測儀

主要測試步驟的測試內容如下：

初始化： 
該步驟主要完成測試流程的配置，包括哪些測試步驟需要進行，各步驟中的具體測試參數的設置等。

短路測試： 
該步驟完成ECU上電時電源模塊測試，通過對上電過程中供電電流的監測，確定供電電路中有無短路、斷路故障，確保ECU測試的安全。

CAN握手： 
完成測試設備與ECU之間的CAN通訊測試，并建立連接，為后續測試的數據獲取做準備。

獲取ECU ID： 
測試設備按照協議發出CAN請求，ECU回復軟件中的ECU編號。該編號將作為測試報告的文件名，方便報告管理。

靜態數字端口、模擬端口測試： 
測試設備不發生轉速信號，只按照設計的時序依次改變數字端口、模擬端口的電平。在測試設備發出CAN請求幀后，ECU采集信號，并將測試結果打包通過CAN發送給測試設備，測試設備通過比較發出與收到的數據，進行判別。該測試步驟覆蓋了ECU所有數字、模擬端口通道的功能測試。

動態工況測試1、2、3： 
在該步驟中，測試設備發生曲軸和凸輪信號，ECU驅動執行器動作。通過預設的3個特定工況的運行，對驅動電流的峰值大小、脈寬寬度、信號相位進行監測，檢測ECU功率驅動電路的功能和軟件算法的正確性。同時，對ECU發出的基于J1939協議的CAN報文進行監測。
 
測試完成后，生成報告，顯示測試通過與否，不通過項在報告中高亮顯示，方便檢修人員定位。測試報告自動以ECU編號存盤，為后續的質量跟蹤服務。

上述流程已經在實際ECU檢測中得到了應用，能夠準確有效地發現新制ECU存在的軟硬件問題，為生產線上產品ECU的質量控制提供了有效的工具。

結論 

美國國家儀器公司擁有豐富的軟件、硬件系列產品，其強大的軟硬件功能，靈活方便的LabVIEW編程工具，幫助我們在很短的時間內，快速方便地建立起滿足高標準、高靈活性的一套電控高壓共軌控制單元開發平臺和一套產品功能測試平臺。

基于開放工業標準的計算機技術為基礎的虛擬儀器技術，其靈活性和可擴展性是傳統儀器所無法比擬的，相比國際上專用的汽車電子測試設備，NI方案具有很好的價格優勢和極大的靈活性，相信在我們后續的汽車電控產品開發和生產過程中，NI公司的軟硬件產品將會得到更大的應用。