汽車電器系統實時監控電路多參數測試系統原理

摘要：論述了一套用于汽車電器系統振動可靠性試驗實時監控的電路多參數測試系統。該系統以LXI 總線模塊化虛擬儀器為核心，以LabWindows/CVI 為軟件開發平臺，有效的結合計算機故障診斷技術，形成了一套可以獨立完成遠程控制、測試、數據處理和實時故障診斷的試驗監控系統，為汽車電器產品試驗過程的智能化、可溯性奠定了基礎。

1 引言

由于路面激勵和發動機振動這兩大激勵源的存在，汽車電器與電子系統故障占整車故障的比例極高，且呈逐年增加的趨勢。在試驗室內對車輛及其零部件進行道路模擬振動試驗被認為是加速產品開發、提高產品質量的有效手段。傳統的試驗過程多采用人工值守，對相關數據進行紀錄。這種方式存在以下問題:

1. 試驗環境惡劣，常伴有噪聲、濕熱等因素;

2. 時間長，值守人員的工作負荷大;

3. 人工記錄數據，缺乏完整性和一致性;

4. 故障現象不具有可溯性，無法為故障分析提供充分的依據;

這些不足之處在很大程度上影響了試驗的有效性，無法對試驗結果進行深入的分析。由于汽車電器系統自身控制原理復雜，包含的元器件數量種類繁多，結構形式多樣，借助自動化測試設備對整車電器系統進行試驗過程的實時監控尚不具備通行的有效方法。本文著重論述了一種應用于“汽車電器系統可靠性試驗臺”的適用于整車電器系統試驗監控及故障診斷的測試系統的構建方法。

2 監控系統工作原理

汽車電器可靠性試驗臺借助輔助試驗設備施加電應力和振動應力，使臺架上的汽車電器系統模擬汽車道路試驗的實際工況進行試驗。“汽車電器系統可靠性試驗實時監控系統”以電路內的可及節點作為監控點，借助數據采集設備對各用電器回路內電壓、電流、頻率等信號進行跟蹤測量和記錄;通過應用軟件對單元數據進行實時的處理分析，及時發現故障，實現聲光電報警，并對典型故障的類型和位置做出診斷。

2.1 系統基本設計構想

由于被試系統自身的復雜性，監控系統在設計上采用了基于“UUT(Unit Under TEST)分類”的系統規劃方式，如圖1 所示。針對UUT 類型展開系統的硬件和軟件設計。采用這種方法的原因在于：

1. 汽車電器系統的常規用電設備采用的是并聯方式，以每一用電器回路作為一個試驗單元UUT，則整個被試系統即可作為一個由多個UUT 并行試驗的電路網絡系統;

2. 汽車某些電器設備在其工作模式及故障形式上多具有共性，結合其自身特性及相關標準要求可將全部UUT 單元劃分為燈具、電機、儀表等幾種典型分類;

3. 針對UUT 分類展開設計而非針對單個UUT，可以減小系統復雜度，提高通用性。

圖1：系統基本設計構想

2.2 參數測量的實現

在進行可靠性試驗時，要對被試系統各用電器進行全面的監控和準確的故障診斷，其前是：第一，能夠從系統中獲得足夠多的可及測試節點但不能破壞被試系統完好性;第二，信號I/O 接口必須連接可靠，能夠耐受高強度試驗應力而不先于被試系統發生故障。按UUT 類型確定待測信號和采樣節點，并以汽車電器實際使用的連接器作為信號輸出接口，設計采樣連接器接入電路可獲取監控所需的信號。圖2 說明了某一阻性電器單元的采樣方法。原狀態下汽車用電器單元Rx 直接與汽車電線束連接形成工作回路，其正負極回路電阻分別為r1、r2，阻值未知;試驗時將包含圖示電路的“采樣連接器”接入，便可在不影響原電路工作的情況下獲得電路狀態參數。

圖2：阻性電器單元監控原理

構建多通道數據采集系統，對各節點處的電參數進行實時的測量和數據處理，便可實現準確的故障識別和定位。

3 系統測試儀器的合成

系統采用基于LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)總線的測量平臺。LXI 是一種適用于自動測試系統的新一代基于LAN 的模塊化平臺標準。LXI 模塊化測試標準融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI 卡式儀器的小體積以及LAN 的高速吞吐率，并考慮了定時、觸發、冷卻、電磁兼容等儀器要求。同時還具有諸多優勢特性，例如：它是開放的工業化標準體系，具有向下兼容性，儀器開發成本低，有很好的協同工作能力，具有可擴展性等。其數據傳輸擺脫了傳統儀器對數據傳輸距離和帶寬的限制，可以方便的實現儀器遠程控制和遠距離高帶寬的數據傳輸。在惡劣的試驗環境，如振動試驗的高噪聲環境條件下，因其在遠程控制和數據傳輸網絡上的優勢，LXI 相對于其他總線平臺具有更好的適用性。

3. 1 主控制器

如圖3 所示，系統以工控機作為主控制器，通過LAN 網絡進行模塊控制，并完成系統的數據處理、顯示、存儲等工作。作為整個試驗系統的主控制器，工控機同時擔負著可靠性試驗應力加載控制的任務。

3.2 LXI 虛擬儀器模塊

1)測試主機系統選用AGILENT 34980A 開關/測量單元作為硬件平臺，通過內置數字多用表對待側信號進行測量轉換和輸出。測試主機通過LAN 總線與主控計算機進行通訊和數據交換。

2)多路轉換器由于待測系統內的信號以較為穩定的直流模擬量信號為主，所以采用公共DMM 分時測量方式。通過兩個光電隔離ETF 開關模塊，實現80 個通道的雙線測量。

3)抖動測量模塊用于瞬斷監控，檢測電路內電壓瞬態跳變情況。

4)D/A 轉換模塊D/A 轉換器為被試系統工作器件提供驅動信號，如轉速表和車速表工作所需的電壓脈沖信號，燃油表、水溫表工作所需的電流信號。信號由主控計算機控制，由D/A 轉換器輸出，經過調理后通過模擬量I/O 接口輸入被試系統。

5)數字示波器數字示波器通過LAN 總線與主控計算機進行通訊和數據交換，并通過模擬總線連接測試主機，與內置儀表共用開關模塊。實現對80 個測量通道的任意一路信號進行高頻采樣和虛擬示波。