基于汽車發(fā)動機控制模塊的耐久性測試系統(tǒng)研究

　1、引言

　　汽車發(fā)動機控制模塊（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)成為汽車的一個標準配置。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PCM的重要支撐條件。

　　上世紀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)計體系，已經(jīng)不能適應(yīng)日新月異的汽車電噴發(fā)動機技術(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[1],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)動機開展了故障診斷、信號測試、運行機仿真等方面的研究[2 -4]，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)計思路和測試規(guī)范，重點討論了關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計原理，并通過原型樣機對幾種PCM模塊長久性測試，驗證了該系統(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、輸出回路等五個部分組成。其作用是接收各種傳感器信號，經(jīng)微機的運算、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)計思路

　　本文以電噴發(fā)動機的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用多層CAN總線通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和嵌入式計算機系統(tǒng)，設(shè)計了一個通用開放的PCM耐久性測試系統(tǒng)。它主要由工業(yè)控制計算機（工控機）、信號發(fā)生子系統(tǒng)、模擬負載子系統(tǒng)、負載監(jiān)測子系統(tǒng)、大功率程控電源、環(huán)境實驗箱、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)與原型樣機如圖1、2所示。

圖1 PCM耐久性測試通用平臺的硬件系統(tǒng)

圖2 PCM的耐久性測試系統(tǒng)的原型樣機

　　     該測試系統(tǒng)的測試原理：以PCM為測試對象，由工控機根據(jù)測試類型和測試項目的不同發(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載連接，并及時向負載監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送讀取指令，在線監(jiān)測PCM運行狀態(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正常運行時的可靠性和耐久性，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）保證足夠的測試時間以驗證PCM模塊在預(yù)計的壽命內(nèi)有足夠的可靠性[5]。

　　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驗平臺的檢驗。

(a) 溫度和濕度參數(shù)

(b)電源參數(shù)

圖3 相關(guān)參數(shù)的測試規(guī)范

　　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，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)成一個虛擬儀器平臺，實現(xiàn)了計算機的全數(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)電機工作，設(shè)計了能容納多個PCM的環(huán)境實驗箱。

　　3.1 信號發(fā)生子系統(tǒng)

　　在相關(guān)文獻中，信號發(fā)生裝置均只針對特定的PCM而設(shè)計，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)是一個以ARM單片機和CPLD為硬件框架的嵌入式計算機系統(tǒng)。它只要分配給各個信號發(fā)生模塊不同的標識(ID),就可通過現(xiàn)場總線進行系統(tǒng)擴展，實現(xiàn)多模塊的信號發(fā)生子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

　　采用DDS技術(shù)在當前的測試測量行業(yè)已是一種主流的做法[6]，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+專用DDS芯片的方式產(chǎn)生正弦信號，其原理如圖4所示，ARM單片機向CPLD 發(fā)出控制命令，CPLD 在時鐘下譯碼后產(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。

圖4 正弦信號產(chǎn)生原理圖

曲軸位置信號（CPS）是PCM控制點火系統(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中存有一個周期的正弦表數(shù)據(jù)，當需要產(chǎn)生CPS信號時，ARM單片機對CPLD進行設(shè)置，CPLD根據(jù)接收的控制命令，通過時鐘計數(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。在實際的電路實現(xiàn)中，對CPS信號的控制可由計算機通過CAN總線向ARM發(fā)出控制命令進行設(shè)置，因此，即使ARM芯片在運行過程中復(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行。

　　該子系統(tǒng)還針對各類PCM模塊的需求,設(shè)計了兩種VREF/2信號的產(chǎn)生方式：電阻分壓方式和運算放大器分壓；同時，利用555時基電路和濾波放大電路設(shè)計了PWM發(fā)生器；此外，該子系統(tǒng)還采用電阻分壓加集成運放隔離的方式產(chǎn)生PCM需要的小幅值固定電壓信號（比如1.0V）。

　3.2 模擬負載子系統(tǒng)

圖5 CPS信號產(chǎn)生原理圖

　　該子系統(tǒng)主要模擬PCM連接的點火線圈、噴油、碳罐電磁閥、廢氣再循環(huán)等輸出負載。該子系統(tǒng)是一個能模擬各種PCM輸出負載的開放式負載系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線進行系統(tǒng)擴展。

　　本文綜合分析了PCM負載的公共性和特殊性，設(shè)計了兩種類型的負載板：公共負載板和特殊負載板。模擬負載模塊有多塊模擬負載板組成，并同負載監(jiān)測模塊一起安插在負載箱里。當需要進行具體項目的測試時，可通過繼電器矩陣完成負載的切換工作。此外，還采用了光電隔離方式將PCM輸出信號轉(zhuǎn)化為負載監(jiān)測子系統(tǒng)能接收的+5V TTL信號。

3.3 負載監(jiān)測子系統(tǒng)

　　該子系統(tǒng)也是一個基于ARM單片機和CPLD為主要硬件框架的嵌入式計算機系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線，進行系統(tǒng)擴展。該子系統(tǒng)通過實時讀入模擬負載子系統(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序等，并將監(jiān)測結(jié)果，通過現(xiàn)場總線上傳到工控機。

圖6 點火、噴油信號監(jiān)測原理

　　點火和噴油信號是汽車發(fā)動機中的關(guān)鍵信號，其周期和時序直接關(guān)系到汽車的運行狀態(tài)，因此監(jiān)測它們的周期和時序尤為重要。本系統(tǒng)監(jiān)測原理圖如圖6 所示，對于點火信號的監(jiān)測，主要是監(jiān)測它與CPS信號的同步，以及兩個或四個點火信號之間的時序關(guān)系。當CPLD尋找到點火信號與CPS同步的起始點后，根據(jù)輸入的PIP_IN信號，對各點火信號進行計數(shù)。每當一個點火周期完成后，在下一個點火周期向ARM 單片機產(chǎn)生一個中斷信號。該中斷信號觸發(fā)ARM 單片機進入中斷處理程序，在該中斷程序中，ARM單片機讀入對各點火信號的計數(shù)值，判斷點火信號的時序和周期，并設(shè)置點火信號正常與否的標志。對于噴油信號的監(jiān)測，主要是監(jiān)測它與CPS信號的同步，以及它們之間的時序關(guān)系。當PIP_IN信號中四個噴油信號中任何一個信號的下降沿到來時，CPLD都會監(jiān)測其它三個噴油信號的狀態(tài)，如果其它三個噴油信號的狀態(tài)正常，即給出噴油信號正常標志，反之給出噴油信號異常標志。

　　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)

　　由于整個系統(tǒng)的各個子系統(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、實時性和靈活性,因而得到了業(yè)界的廣泛認同和運用[7]。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)，并可靈活組成多個通信子網(wǎng)，完成多模塊測試的要求。本系統(tǒng)采用兩個CAN子網(wǎng)（CAN0、 CAN1），對于每個PCM而言，信號發(fā)生模塊和負載監(jiān)測模塊、PCM組成一個通信子網(wǎng)CAN 1。工控機通過通信子網(wǎng)CAN0將各個子網(wǎng)連接在一起。

　　信號發(fā)生子系統(tǒng)與工控機的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)生模塊是工控機與PCM通信的中轉(zhuǎn)站。當工控機設(shè)置PCM或者在運行過程中讀取PCM模塊的故障信息時，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報文后，只將ID更改后通過CAN0發(fā)送給工控機?？紤]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。當要設(shè)置PCM或讀取PCM的故障代碼時，信號發(fā)生模塊通過CAN0接收指令，轉(zhuǎn)化成KLIN報文后，發(fā)送到PCM模塊；同理，從PCM返回的KLIN報文，由信號發(fā)生板轉(zhuǎn)換成CAN報文后通過CAN0返回到工控機。
負載監(jiān)測子系統(tǒng)與工控機之間的CAN通信：（1）設(shè)置繼電器矩陣。工控機向負載監(jiān)測模塊發(fā)送設(shè)置繼電器矩陣的指令，負載監(jiān)測模塊接收到指令后，將繼電器矩陣信息傳遞給對應(yīng)模擬負載模塊；（2）讀取負載監(jiān)測信息。在系統(tǒng)工作時，工控機不斷向負載監(jiān)測模塊發(fā)送查詢負載監(jiān)測信息的指令，負載監(jiān)測模塊接收該指令后，將當前的PCM負載監(jiān)測數(shù)據(jù)組合成CAN報文的形式發(fā)送給工控機。

　　此外，模擬負載子系統(tǒng)通過RS245總線與負載監(jiān)測子系統(tǒng)相連，將繼電器矩陣信息傳輸給各個模擬負載模塊，完成負載的切換工作；大功率程控電源通過GBIP與工控機相連，接收工控機的電源設(shè)置；環(huán)境實驗箱通過RS485 與工控機連接，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，但通過不斷地改進和升級，必將為開發(fā)汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)提供扎實的設(shè)備保障。