汽車電子測試系統(tǒng)解決方案綜述

隨著汽車中電子系統(tǒng)的增加，如何對(duì)高度機(jī)電一體化汽車系統(tǒng)進(jìn)行高效率的測試是中國測試工程師面臨的挑戰(zhàn)，作為本文針對(duì)汽車研發(fā)過程中所涉及到的各種測試問題，請橫河電機(jī)介紹滿足發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、振動(dòng)、環(huán)境影響、燃料電池效率和 CAN總線測試需要的完整解決方案。

????? 一、前言

???? 隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的發(fā)展，越來越多的電子技術(shù)被應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上。汽車也將由單純的機(jī)械產(chǎn)品向高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品方向發(fā)展。由于實(shí)時(shí)駕駛信息系統(tǒng)及多媒體設(shè)備在汽車上普及，汽車更具個(gè)性化、通用性、安全性和舒適性。無線及移動(dòng)電腦技術(shù)迅速發(fā)展，即使獨(dú)自駕駛在陌生的土地上，也不會(huì)覺得孤獨(dú)或迷失方向。汽車在人們的生活中不僅僅是代步工具，而逐步成為一種享受生活的方式。在汽車電子領(lǐng)域的研究成為汽車研發(fā)中最活躍的一部分，在這方面取得的成果，將在市場上取得更大的回報(bào)。

??? 本文針對(duì)汽車研發(fā)過程中所涉及到的發(fā)動(dòng)機(jī)分析、驅(qū)動(dòng)分析、振動(dòng)分析、環(huán)境影響、燃料電池效率分析、CAN總線分析等方面，介紹橫河電機(jī)提供的各種測試解決方案（圖1）。

???????? 二、電動(dòng)汽車燃料電池的測試

??????? 對(duì)于從事汽車研發(fā)的工程師來說，在測試中如下幾方面是影響測試效率和結(jié)果的重要因素：
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??????? （一）各種高頻和低頻、高功率和低功率的電磁輻射干擾
??????? （二）共模電圧、振動(dòng)、多變的環(huán)境
??????? （三）數(shù)據(jù)采集分析的可靠性
??????? （四）路試時(shí)儀器的供電及能耗
??????? （五）便于移動(dòng)和現(xiàn)場使用

????? 通過和汽車生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)的測試工程師溝通，橫河電機(jī)不斷改進(jìn)其產(chǎn)品，使其更適應(yīng)汽車研究發(fā)展的需要。譬如為了適應(yīng)電動(dòng)汽車燃料電池的研究需要，橫河電機(jī)在DARWIN系列的基礎(chǔ)上開發(fā)出 DAQMaster系列MX100。

???? 因?yàn)槊總€(gè)電池只輸出0.8-1.5VDC，為了輸出足夠的電力。燃料電池組一般由約一百個(gè)單片電池組成，特別是汽車應(yīng)用，電池組會(huì)由六百個(gè)單片電池構(gòu)成。電池電壓監(jiān)視（ CVM）系統(tǒng)通過測試電池組結(jié)構(gòu)中每個(gè)單片電池的電壓可以檢測出有問題的電池；分析現(xiàn)場或帶負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)行時(shí)的電池性能。

???? 檢測電池電壓時(shí)使用差動(dòng)輸入。雖然單片電池的電壓不高，可是差動(dòng)輸入端子對(duì)測試儀表地端會(huì)產(chǎn)生幾百伏的電壓。這種電壓被稱為共模電壓。多數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器（ DAQ）沒有絕緣，輸入電壓限制范圍一般是5伏或10伏。另外，非絕緣儀器經(jīng)常容易受接地環(huán)路的影響。為了克服燃料電池CVM系統(tǒng)中高共模電壓的問題，要求高電壓絕緣。雖然可以使用外部信號(hào)變換器或緩存，為了在減小體積和間低成本的同時(shí)保證較高的信號(hào)分辨率和精度，現(xiàn)在許多的DAQ系統(tǒng)內(nèi)置緩存。

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　　 MX100

????? DAQMaster可以提供最高水準(zhǔn)的通道對(duì)地，模塊間和通道間隔離。另外，它的模塊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)軟件使MX100很容易實(shí)現(xiàn)最多1200通道的電池電壓的監(jiān)視。

????? 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣和多通道的DAQ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊使用單一A-D轉(zhuǎn)換器與前端倍增或掃描組合。高共模電壓信號(hào)在經(jīng)過絕緣變壓器和A-D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)絕緣和離散化之前一定要通過切換繼電器。

　　　MX100在掃描器中使用橫河專利技術(shù)的高耐壓固態(tài)半導(dǎo)體 繼電器，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入信號(hào)的切換，這種繼電器由高耐壓（1500VDC）、低 漏電流（3nA）的 MOSFET（金屬氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和電壓輸出的光電耦合器構(gòu)成，具有1秒周期內(nèi)10通道高速掃描、無觸點(diǎn)、長壽命、無噪音等優(yōu)點(diǎn)。

????? 此外， MX100內(nèi)部的絕緣變壓器和積分式A-D轉(zhuǎn)換器也是橫河的專利技術(shù)。其他使用電磁式繼電器提供絕緣的DAQ系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生切換時(shí)間，切換穩(wěn)定性，和日常維護(hù)的問題。最后，MX100 DAQMaster 提供高性能的絕緣和4通道的同期采樣，因?yàn)?通道模塊每個(gè)通道的硬件采用互相獨(dú)立的硬件構(gòu)成。

對(duì)于正確再現(xiàn)波形， 采樣率非常重要、高速采集可以得到正確數(shù)據(jù)。為此MX??
100的最小測量周期10ms,并且一個(gè)系統(tǒng)中可以混合使用3 種測量周期，測量周期可以對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定。MX100支持最大容量2G Bytes的CF卡，當(dāng)通訊故障時(shí)開始數(shù)據(jù)備份。當(dāng)通訊恢復(fù)正常時(shí)，重新自動(dòng)開始向PC傳送數(shù)據(jù)。MX100針對(duì)燃料電池測試的高速/多通道/高耐壓/多周期的特點(diǎn)，幫助測試工程師提高了測試的效率和準(zhǔn)確性。

????? 三、CAN總線分析
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????? 在當(dāng)今汽車中廣泛采用了汽車總線技術(shù)。汽車總線為汽車內(nèi)部各種復(fù)雜的電子設(shè)備、控制器、測量儀器等提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換渠道。汽車上由電子控制單元（ ECU）控制的部件數(shù)量越來越多，例如電子燃油噴射裝置、怠速控制（ISC）、防抱死制動(dòng)裝置（ ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動(dòng)懸架等。隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，車上的ECU數(shù)量越來越多。

??? 于是，一種新的概念--車上控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN的概念也就應(yīng)運(yùn)而生了。CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱為CAN總線。

???? 隨著CAN總線的廣泛使用，在汽車的研發(fā)、生產(chǎn)、維修的各個(gè)環(huán)節(jié)上總線信號(hào)的測試與分析變得越來越重要，特別是噪音信號(hào)觀測與分析。

???? 由于電纜配線長度、終端阻抗位置而引起的反射噪音等或由連接復(fù)數(shù)接點(diǎn)時(shí)超負(fù)荷LEVEL變動(dòng)等造成的異常現(xiàn)象，可以利用DL7400系列的CAN信號(hào)觸發(fā)，捕獲CAN總線信號(hào)并顯示其波形。根據(jù)CAN協(xié)議進(jìn)行的分析以列表的形式和波形信號(hào)顯示在一起。觸發(fā)條件能被設(shè)置成CAN數(shù)據(jù)幀（ID, Data, RTR bits,等.）的字段或多字段。觸發(fā)在錯(cuò)誤幀時(shí)也能被激活?？稍跁r(shí)間軸上對(duì)捕獲的CAN總線波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每幀的ID和數(shù)據(jù)以16進(jìn)制或二進(jìn)制符號(hào)顯示。

????? 四、ABS工作時(shí)的電池電壓波動(dòng)

????? ABS控制裝置通過比較來自附在每個(gè)車輪上的速度傳感器的信號(hào)監(jiān)測車輪是否被鎖上。當(dāng)ABS控制裝置探測到一個(gè)輪子被鎖上后，它會(huì)給ABS傳動(dòng)裝置送去一個(gè)信號(hào)從而打開閥門。ABS傳動(dòng)裝置包括螺旋管閥門、泵、馬達(dá)、制動(dòng)液箱。打開閥門可以瞬間降低盤式液壓，減弱制動(dòng)力，可以恢復(fù)車輪速度。

接著再次迅速提高盤式液壓，通過ABS傳動(dòng)裝置增加制動(dòng)力。換句話說，可通過增減盤式液壓防止制動(dòng)器被鎖上。增加盤式液壓也就是用泵將液體壓入汽缸，會(huì)使泵馬達(dá)迅速工作。這個(gè)快速的馬達(dá)將影響控制螺旋管閥門的PWM電流信號(hào)。一般ABS操作無法得到這是否影響電池電壓波動(dòng)。因此，有必要觀察這個(gè)電池電壓波動(dòng)。

????? 利用DL750 Max.1GW長內(nèi)存可以高速采樣捕捉從開始到結(jié)束的所有制動(dòng)動(dòng)作過程。也可在捕捉到整體過程后，利用放大功能詳細(xì)地測試其中某個(gè)不規(guī)則部分。此功能可自動(dòng)設(shè)定波形參數(shù)的自動(dòng)測試區(qū)域，包括放大區(qū)域。此放大功能不僅能夠準(zhǔn)確的測試一個(gè)周期中的不規(guī)則部分也能夠自動(dòng)測試該放大區(qū)域內(nèi)的波形參數(shù) 。

??? 　五、動(dòng)力方向盤控制ECU（含 變頻器）/電機(jī)開發(fā)

????? 動(dòng)力方向盤（EPS）在小型汽車中應(yīng)用已經(jīng)比較普及了,但在需大扭矩的大型車中應(yīng)用時(shí)需要采用3相電機(jī).不同于傳統(tǒng)的DC機(jī),測試3相交流電機(jī)需要功率計(jì)測試電力及效率.此外,ECU間采用CAN總線通信, 還必須測試CAN總線信號(hào)。

????? DL7400可以對(duì)CAN總線上特定的ID/Data觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)與其它信號(hào)的同步觀測。通用示波器DL1640/DL1740，可以測試ECU的CPU信號(hào)，使用100MHz差分探頭和150A電流探頭還可以測試電機(jī)的浪涌電流等。DL750最多16ch絕緣輸入，適用于變頻器輸入輸出電壓/電流及ECU控制信號(hào)的長時(shí)間觀測。

??? 　WT1600可以評(píng)測大型汽車EPS用3相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器的1次端DC、2次端的3相電流/電壓/功率,變頻器效率。對(duì)特定運(yùn)行模式還可以進(jìn)行累積功率測試。使用WE7000的時(shí)間模塊/CAN模塊/隔離A/D模塊/溫度模塊等可以實(shí)現(xiàn)多通道綜合測試。操舵角/消耗電流/電壓/溫度等多通道長時(shí)間同時(shí)測試。使用CAN模塊可以將CAN總線上的數(shù)據(jù)同時(shí)轉(zhuǎn)化為物理量實(shí)現(xiàn)同時(shí)測試。

???? 六、直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴射實(shí)驗(yàn)

???? 直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低燃料費(fèi)用和凈化廢氣排放.以下就其開發(fā)的關(guān)鍵-高壓噴射和電子控制的性能評(píng)價(jià)方法提出解決方案：

???? （一）機(jī)械部分設(shè)計(jì)值的評(píng)價(jià)（噴射時(shí)間與噴射壓力）

???? 測試對(duì)象是噴嘴噴射出燃料的噴射壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化及噴嘴電磁閥開關(guān)時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試（逐步提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢查是否符合設(shè)計(jì)要求）和靜態(tài)測試（在轉(zhuǎn)速固定狀態(tài)下檢查是否運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定）。

???????? （二）與ECU控制信號(hào)同步測試

???????? 與ECU控制信號(hào)同步測試, 測試ECU正時(shí)和實(shí)際噴射正時(shí)。

???????? 七、本文小結(jié)

???????? 由于和世界各地整車及部件公司有著廣泛的合作，橫河電機(jī)在這一領(lǐng)域有很多測試實(shí)例。橫河電機(jī)希望能為汽車電子的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。