中心議題：
- 關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
- 幾種PCM模塊長久性測試
解決方案：
- 構(gòu)建虛擬儀器平臺實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化采集測試分析
- 多層CAN總線通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1、引言
汽車發(fā)動機(jī)控制模塊（PCM）是汽車的控制神經(jīng)中樞，直接影響到汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放。隨著汽車電子工業(yè)的發(fā)展，PCM已經(jīng)成為汽車的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置。由于PCM系統(tǒng)十分復(fù)雜，工作環(huán)境極為惡劣，其可靠性至關(guān)重要，因此，PCM耐久性測試是開發(fā)汽車發(fā)動機(jī)PCM的重要支撐條件。
上世紀(jì)80年代，幾家國際上知名的PCM模塊制造公司如博世、西門子、德爾福、偉世通，針對自己的產(chǎn)品相繼進(jìn)行了PCM耐久性測試技術(shù)的研究，并研制出了相應(yīng)設(shè)備。由于這類設(shè)備仍然沿用的是20多年前的設(shè)計(jì)體系，已經(jīng)不能適應(yīng)日新月異的汽車電噴發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，整體技術(shù)平臺落后，存在一些不可克服的缺陷，例如不能兼容不同廠商的PCM模塊，不能設(shè)置自動循環(huán)策略，不能現(xiàn)場配置模擬信號類型和參數(shù)等。目前，我國自主開發(fā)的汽車電子產(chǎn)品正處于加速發(fā)展階段，但是由于我國汽車工業(yè)起步較晚,自身技術(shù)落后,科研能力不強(qiáng),現(xiàn)有的PCM 技術(shù)來自國外，有關(guān)PCM的耐久性測試技術(shù)在國內(nèi)還屬于空白，只有少數(shù)的高校圍繞汽車電噴發(fā)動機(jī)開展了故障診斷、信號測試、運(yùn)行機(jī)仿真等方面的研究，沒有形成成套技術(shù)。
本文介紹了汽車PCM耐久性測試系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和測試規(guī)范，重點(diǎn)討論了關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并通過原型樣機(jī)對幾種PCM模塊長久性測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和通用性。
2、整體構(gòu)思
2.1 PCM工作原理
汽車發(fā)動機(jī)控制模塊（PCM）是汽車控制系統(tǒng)的核心部件，主要由輸入電路、模擬信號、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、微機(jī)、輸出回路等五個(gè)部分組成。其作用是接收各種傳感器信號，經(jīng)微機(jī)的運(yùn)算、處理，向執(zhí)行器發(fā)出指令，接通各執(zhí)行器的接地線，使其通電而工作，以精確控制燃油供給量、點(diǎn)火提前角和怠速空氣流量。
2.2 PCM耐久性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
本文以電噴發(fā)動機(jī)的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用多層CAN總線通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用開放的PCM耐久性測試系統(tǒng)。它主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）、信號發(fā)生子系統(tǒng)、模擬負(fù)載子系統(tǒng)、負(fù)載監(jiān)測子系統(tǒng)、大功率程控電源、環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱、現(xiàn)場總線通信子系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成。其硬件系統(tǒng)與原型樣機(jī)如圖1、2所示。
該測試系統(tǒng)的測試原理：以PCM為測試對象，由工控機(jī)根據(jù)測試類型和測試項(xiàng)目的不同發(fā)送設(shè)置指令，控制環(huán)境變量和大功率直流電源，快速切換汽車傳感器信號和模擬負(fù)載連接，并及時(shí)向負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送讀取指令，在線監(jiān)測PCM運(yùn)行狀態(tài)。
2.3 PCM耐久性測試規(guī)范
耐久性測試規(guī)范是PCM耐久性測試的依據(jù)，關(guān)系到PCM整體質(zhì)量。為了提高PCM正常運(yùn)行時(shí)的可靠性和耐久性，必須建立一套能夠最大限度激發(fā) PCM失效的測試規(guī)范。本系統(tǒng)建立耐久性測試規(guī)范的原則：（1）充分考慮引起PCM 失效的多種應(yīng)力參數(shù)；（2）保證足夠的測試時(shí)間以驗(yàn)證PCM模塊在預(yù)計(jì)的壽命內(nèi)有足夠的可靠性。
根據(jù)PCM各種工況下的極限環(huán)境，確定了溫度、濕度、電源電壓等重要參數(shù)，建立了一套周期為6小時(shí)的測試規(guī)范，具體如圖3所示，并通過了利用DSPACE快速開發(fā)平臺和NI虛擬儀器平臺建立的耐久性測試實(shí)驗(yàn)平臺的檢驗(yàn)。
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3、PCM耐久性測試系統(tǒng)的主要構(gòu)架
本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)，通過安插調(diào)理放大器、A/D、D/A卡，安裝Visual C++、LabVIEW等開發(fā)應(yīng)用軟件，構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器平臺，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化的采集測試分析。此外，系統(tǒng)選擇了安捷倫6691A型大功率程控電源用于模擬蓄電池和發(fā)電機(jī)工作，設(shè)計(jì)了能容納多個(gè)PCM的環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱。
3.1 信號發(fā)生子系統(tǒng)
在相關(guān)文獻(xiàn)中，信號發(fā)生裝置均只針對特定的PCM而設(shè)計(jì)，靈活性較差。該子系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)以ARM單片機(jī)和CPLD為硬件框架的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它只要分配給各個(gè)信號發(fā)生模塊不同的標(biāo)識(ID),就可通過現(xiàn)場總線進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多模塊的信號發(fā)生子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
采用DDS技術(shù)在當(dāng)前的測試測量行業(yè)已是一種主流的做法，其頻率精度可隨相位累加器的位數(shù)而定。本系統(tǒng)采用單片機(jī)+專用DDS芯片的方式產(chǎn)生正弦信號，其原理如圖4所示，ARM單片機(jī)向CPLD 發(fā)出控制命令，CPLD 在時(shí)鐘下譯碼后產(chǎn)生DDS的控制信號，產(chǎn)生出相應(yīng)頻率的正弦波信號，該正弦信號經(jīng)過濾波放大后，輸出相應(yīng)幅值的正弦信號。
曲軸位置信號（CPS）是PCM控制點(diǎn)火系統(tǒng)中最主要的傳感器信號，為適應(yīng)多種PCM的需求，設(shè)計(jì)采用CPLD和DA的方式產(chǎn)生。CPS信號產(chǎn)生原理如圖5所示，在EPROM中存有一個(gè)周期的正弦表數(shù)據(jù)，當(dāng)需要產(chǎn)生 CPS信號時(shí)，ARM單片機(jī)對CPLD進(jìn)行設(shè)置，CPLD根據(jù)接收的控制命令，通過時(shí)鐘計(jì)數(shù)，產(chǎn)生讀存儲器的信號，并向EPROM提供合適的地址信號和控制信號，EPROM輸出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，變成單端CPS模擬信號，然后經(jīng)濾波電路和單端轉(zhuǎn)差分處理電路，輸出CPS差分信號。在實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)中，對CPS信號的控制可由計(jì)算機(jī)通過CAN總線向ARM發(fā)出控制命令進(jìn)行設(shè)置，因此，即使ARM芯片在運(yùn)行過程中復(fù)位，電路仍能輸出正確的CPS信號，以確保測試周期的正常進(jìn)行。
該子系統(tǒng)還針對各類PCM模塊的需求,設(shè)計(jì)了兩種VREF/2信號的產(chǎn)生方式：電阻分壓方式和運(yùn)算放大器分壓；同時(shí)，利用555時(shí)基電路和濾波放大電路設(shè)計(jì)了PWM發(fā)生器；此外，該子系統(tǒng)還采用電阻分壓加集成運(yùn)放隔離的方式產(chǎn)生PCM需要的小幅值固定電壓信號（比如1.0V）。
3.2 模擬負(fù)載子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)主要模擬PCM連接的點(diǎn)火線圈、噴油、碳罐電磁閥、廢氣再循環(huán)等輸出負(fù)載。該子系統(tǒng)是一個(gè)能模擬各種PCM輸出負(fù)載的開放式負(fù)載系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。
本文綜合分析了PCM負(fù)載的公共性和特殊性，設(shè)計(jì)了兩種類型的負(fù)載板：公共負(fù)載板和特殊負(fù)載板。模擬負(fù)載模塊有多塊模擬負(fù)載板組成，并同負(fù)載監(jiān)測模塊一起安插在負(fù)載箱里。當(dāng)需要進(jìn)行具體項(xiàng)目的測試時(shí)，可通過繼電器矩陣完成負(fù)載的切換工作。此外，還采用了光電隔離方式將PCM輸出信號轉(zhuǎn)化為負(fù)載監(jiān)測子系統(tǒng)能接收的+5V TTL信號。
3.3 負(fù)載監(jiān)測子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)也是一個(gè)基于ARM單片機(jī)和CPLD為主要硬件框架的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線，進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。該子系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)讀入模擬負(fù)載子系統(tǒng)中監(jiān)測信號，監(jiān)測PCM在耐久性測試過程中輸出的所有負(fù)載信號的變化情況，包括信號的變化周期，部分重要信號輸出的時(shí)序等，并將監(jiān)測結(jié)果，通過現(xiàn)場總線上傳到工控機(jī)。
點(diǎn)火和噴油信號是汽車發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵信號，其周期和時(shí)序直接關(guān)系到汽車的運(yùn)行狀態(tài)，因此監(jiān)測它們的周期和時(shí)序尤為重要。本系統(tǒng)監(jiān)測原理圖如圖6 所示，對于點(diǎn)火信號的監(jiān)測，主要是監(jiān)測它與CPS信號的同步，以及兩個(gè)或四個(gè)點(diǎn)火信號之間的時(shí)序關(guān)系。當(dāng)CPLD尋找到點(diǎn)火信號與CPS同步的起始點(diǎn)后，根據(jù)輸入的PIP_IN信號，對各點(diǎn)火信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。每當(dāng)一個(gè)點(diǎn)火周期完成后，在下一個(gè)點(diǎn)火周期向ARM 單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。該中斷信號觸發(fā)ARM 單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序，在該中斷程序中，ARM單片機(jī)讀入對各點(diǎn)火信號的計(jì)數(shù)值，判斷點(diǎn)火信號的時(shí)序和周期，并設(shè)置點(diǎn)火信號正常與否的標(biāo)志。對于噴油信號的監(jiān)測，主要是監(jiān)測它與CPS信號的同步，以及它們之間的時(shí)序關(guān)系。當(dāng)PIP_IN信號中四個(gè)噴油信號中任何一個(gè)信號的下降沿到來時(shí)，CPLD都會監(jiān)測其它三個(gè)噴油信號的狀態(tài)，如果其它三個(gè)噴油信號的狀態(tài)正常，即給出噴油信號正常標(biāo)志，反之給出噴油信號異常標(biāo)志。
對于PCM模塊中頻率變化較低（比如2Hz）的慢速信號，本系統(tǒng)采用RS232的總線讀取方式由ARM 監(jiān)測它們的周期變化。
3.4 現(xiàn)場總線通信子系統(tǒng)
由于整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間需要雙向傳送大量的數(shù)據(jù)，因此對系統(tǒng)的通信性提出了很高的要求：一方面要有較高的通信速率；另一方面又要有較靈活的協(xié)議轉(zhuǎn)換。由于CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性,因而得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同和運(yùn)用。本系統(tǒng)采用以CAN總線為主，兼有K-LINE、 GPIB、RS485、245總線的現(xiàn)場總線通信子系統(tǒng)，并可靈活組成多個(gè)通信子網(wǎng)，完成多模塊測試的要求。本系統(tǒng)采用兩個(gè)CAN子網(wǎng)（CAN0、 CAN1），對于每個(gè)PCM而言，信號發(fā)生模塊和負(fù)載監(jiān)測模塊、PCM組成一個(gè)通信子網(wǎng)CAN 1。工控機(jī)通過通信子網(wǎng)CAN0將各個(gè)子網(wǎng)連接在一起。
信號發(fā)生子系統(tǒng)與工控機(jī)的CAN通信：（1）設(shè)置信號發(fā)生模塊，其設(shè)置范圍主要是CPS類型、啟動CPS、啟動正弦信號的產(chǎn)生及開關(guān)量輸入繼電器；（2）控制和讀取PCM故障代碼。信號發(fā)生模塊是工控機(jī)與PCM通信的中轉(zhuǎn)站。當(dāng)工控機(jī)設(shè)置PCM或者在運(yùn)行過程中讀取PCM模塊的故障信息時(shí)，首先通過 CAN0向信號發(fā)生模塊發(fā)送指令，信號發(fā)生模塊接收到該指令后，只將ID更改后通過CAN1發(fā)送到PCM模塊。同理，信號發(fā)生模塊接收到PCM返回的 CAN報(bào)文后，只將ID更改后通過CAN0發(fā)送給工控機(jī)。考慮到不同PCM類型的通信接口差異，在信號發(fā)生模塊和PCM之間還添加了KLIN總線。當(dāng)要設(shè)置PCM或讀取PCM的故障代碼時(shí)，信號發(fā)生模塊通過CAN0接收指令，轉(zhuǎn)化成KLIN報(bào)文后，發(fā)送到PCM模塊；同理，從PCM返回的KLIN報(bào)文，由信號發(fā)生板轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文后通過CAN0返回到工控機(jī)。
負(fù)載監(jiān)測子系統(tǒng)與工控機(jī)之間的CAN通信：（1）設(shè)置繼電器矩陣。工控機(jī)向負(fù)載監(jiān)測模塊發(fā)送設(shè)置繼電器矩陣的指令，負(fù)載監(jiān)測模塊接收到指令后，將繼電器矩陣信息傳遞給對應(yīng)模擬負(fù)載模塊；（2）讀取負(fù)載監(jiān)測信息。在系統(tǒng)工作時(shí)，工控機(jī)不斷向負(fù)載監(jiān)測模塊發(fā)送查詢負(fù)載監(jiān)測信息的指令，負(fù)載監(jiān)測模塊接收該指令后，將當(dāng)前的PCM負(fù)載監(jiān)測數(shù)據(jù)組合成CAN報(bào)文的形式發(fā)送給工控機(jī)。
此外，模擬負(fù)載子系統(tǒng)通過RS245總線與負(fù)載監(jiān)測子系統(tǒng)相連，將繼電器矩陣信息傳輸給各個(gè)模擬負(fù)載模塊，完成負(fù)載的切換工作；大功率程控電源通過 GBIP與工控機(jī)相連，接收工控機(jī)的電源設(shè)置；環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱通過RS485 與工控機(jī)連接，接收其設(shè)置命令，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和濕度。
4、結(jié)論
目前，該系統(tǒng)已成功用于長安CB系列的PCM、STC 1××和2××系列的PCM耐久性測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的通用性及可靠性。由于摩托車的PCM與汽車PCM原理相近，因此，它同樣適合摩托車PCM耐久性測試。雖然該系統(tǒng)可能還存在一些缺陷，但通過不斷地改進(jìn)和升級，必將為開發(fā)汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)提供扎實(shí)的設(shè)備保障。
