基于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊的耐久性測(cè)試系統(tǒng)研究

　1、引言

　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（PCM）是汽車(chē)的控制神經(jīng)中樞，直接影響到汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放。隨著汽車(chē)電子工業(yè)的發(fā)展，PCM已經(jīng)成為汽車(chē)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(cè)試是開(kāi)發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)PCM的重要支撐條件。

　　上世紀(jì)80年代，幾家國(guó)際上知名的PCM模塊制造公司如博世、西門(mén)子、德?tīng)柛！ナ劳ǎ槍?duì)自己的產(chǎn)品相繼進(jìn)行了PCM耐久性測(cè)試技術(shù)的研究，并研制出了相應(yīng)設(shè)備。由于這類(lèi)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(chē)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，整體技術(shù)平臺(tái)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(dòng)循環(huán)策略，不能現(xiàn)場(chǎng)配置模擬信號(hào)類(lèi)型和參數(shù)等。目前，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的汽車(chē)電子產(chǎn)品正處于加速發(fā)展階段，但是由于我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步較晚,自身技術(shù)落后,科研能力不強(qiáng)[1],現(xiàn)有的PCM技術(shù)來(lái)自國(guó)外，有關(guān)PCM的耐久性測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)還屬于空白，只有少數(shù)的高校圍繞汽車(chē)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了故障診斷、信號(hào)測(cè)試、運(yùn)行機(jī)仿真等方面的研究[2 -4]，沒(méi)有形成成套技術(shù)。

　　本文介紹了汽車(chē)PCM耐久性測(cè)試系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和測(cè)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(guò)原型樣機(jī)對(duì)幾種PCM模塊長(zhǎng)久性測(cè)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（PCM）是汽車(chē)控制系統(tǒng)的核心部件，主要由輸入電路、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)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(hào)，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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

　　本文以電噴發(fā)動(dòng)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(kāi)放的PCM耐久性測(cè)試系統(tǒng)。它主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）、信號(hào)發(fā)生子系統(tǒng)、模擬負(fù)載子系統(tǒng)、負(fù)載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、大功率程控電源、環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱、現(xiàn)場(chǎng)總線通信子系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)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。

圖1 PCM耐久性測(cè)試通用平臺(tái)的硬件系統(tǒng)

圖2 PCM的耐久性測(cè)試系統(tǒng)的原型樣機(jī)

　　     該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理：以PCM為測(cè)試對(duì)象，由工控機(jī)根據(jù)測(cè)試類(lèi)型和測(cè)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(chē)傳感器信號(hào)和模擬負(fù)載連接，并及時(shí)向負(fù)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送讀取指令，在線監(jiān)測(cè)PCM運(yùn)行狀態(tài)。

　　2.3 PCM耐久性測(cè)試規(guī)范

　　耐久性測(cè)試規(guī)范是PCM耐久性測(cè)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(cè)試規(guī)范。本系統(tǒng)建立耐久性測(cè)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(cè)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[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(shí)的測(cè)試規(guī)范，具體如圖3所示，并通過(guò)了利用DSPACE快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)和NI虛擬儀器平臺(tái)建立的耐久性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的檢驗(yàn)。

(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(cè)試規(guī)范

　　3、PCM耐久性測(cè)試系統(tǒng)的主要構(gòu)架

　　本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)，通過(guò)安插調(diào)理放大器、A/D、D/A卡，安裝Visual C++、LabVIEW等開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化的采集測(cè)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(hào)發(fā)生子系統(tǒng)

　　在相關(guān)文獻(xiàn)中，信號(hào)發(fā)生裝置均只針對(duì)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(hào)發(fā)生模塊不同的標(biāo)識(shí)(ID),就可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多模塊的信號(hào)發(fā)生子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

　　采用DDS技術(shù)在當(dāng)前的測(cè)試測(cè)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(jī)+專(zhuān)用DDS芯片的方式產(chǎn)生正弦信號(hào)，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(hào)，產(chǎn)生出相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后，輸出相應(yīng)幅值的正弦信號(hào)。

圖4 正弦信號(hào)產(chǎn)生原理圖

曲軸位置信號(hào)（CPS）是PCM控制點(diǎn)火系統(tǒng)中最主要的傳感器信號(hào)，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(hào)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(hào)時(shí)，ARM單片機(jī)對(duì)CPLD進(jìn)行設(shè)置，CPLD根據(jù)接收的控制命令，通過(guò)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，產(chǎn)生讀存儲(chǔ)器的信號(hào)，并向EPROM提供合適的地址信號(hào)和控制信號(hào)，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(hào)，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(hào)。在實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)中，對(duì)CPS信號(hào)的控制可由計(jì)算機(jī)通過(guò)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(guò)程中復(fù)位，電路仍能輸出正確的CPS信號(hào)，以確保測(cè)試周期的正常進(jìn)行。

　　該子系統(tǒng)還針對(duì)各類(lèi)PCM模塊的需求,設(shè)計(jì)了兩種VREF/2信號(hào)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(hào)（比如1.0V）。

　3.2 模擬負(fù)載子系統(tǒng)

圖5 CPS信號(hào)產(chǎn)生原理圖

　　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(kāi)放式負(fù)載系統(tǒng)，并可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)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(cè)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(cè)試時(shí)，可通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為負(fù)載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)能接收的+5V TTL信號(hào)。

3.3 負(fù)載監(jiān)測(cè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。該子系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)讀入模擬負(fù)載子系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)信號(hào)，監(jiān)測(cè)PCM在耐久性測(cè)試過(guò)程中輸出的所有負(fù)載信號(hào)的變化情況，包括信號(hào)的變化周期，部分重要信號(hào)輸出的時(shí)序等，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳到工控機(jī)。

圖6 點(diǎn)火、噴油信號(hào)監(jiān)測(cè)原理

　　點(diǎn)火和噴油信號(hào)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵信號(hào)，其周期和時(shí)序直接關(guān)系到汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，因此監(jiān)測(cè)它們的周期和時(shí)序尤為重要。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理圖如圖6 所示，對(duì)于點(diǎn)火信號(hào)的監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)它與CPS信號(hào)的同步，以及兩個(gè)或四個(gè)點(diǎn)火信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。當(dāng)CPLD尋找到點(diǎn)火信號(hào)與CPS同步的起始點(diǎn)后，根據(jù)輸入的PIP_IN信號(hào)，對(duì)各點(diǎn)火信號(hào)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(hào)。該中斷信號(hào)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(duì)各點(diǎn)火信號(hào)的計(jì)數(shù)值，判斷點(diǎn)火信號(hào)的時(shí)序和周期，并設(shè)置點(diǎn)火信號(hào)正常與否的標(biāo)志。對(duì)于噴油信號(hào)的監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)它與CPS信號(hào)的同步，以及它們之間的時(shí)序關(guān)系。當(dāng)PIP_IN信號(hào)中四個(gè)噴油信號(hào)中任何一個(gè)信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)，CPLD都會(huì)監(jiān)測(cè)其它三個(gè)噴油信號(hào)的狀態(tài)，如果其它三個(gè)噴油信號(hào)的狀態(tài)正常，即給出噴油信號(hào)正常標(biāo)志，反之給出噴油信號(hào)異常標(biāo)志。

　　對(duì)于PCM模塊中頻率變化較低（比如2Hz）的慢速信號(hào)，本系統(tǒng)采用RS232的總線讀取方式由ARM 監(jiān)測(cè)它們的周期變化。

　　3.4 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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[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(chǎng)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(cè)試的要求。本系統(tǒng)采用兩個(gè)CAN子網(wǎng)（CAN0、 CAN1），對(duì)于每個(gè)PCM而言，信號(hào)發(fā)生模塊和負(fù)載監(jiān)測(cè)模塊、PCM組成一個(gè)通信子網(wǎng)CAN 1。工控機(jī)通過(guò)通信子網(wǎng)CAN0將各個(gè)子網(wǎng)連接在一起。

　　信號(hào)發(fā)生子系統(tǒng)與工控機(jī)的CAN通信：（1）設(shè)置信號(hào)發(fā)生模塊，其設(shè)置范圍主要是CPS類(lèi)型、啟動(dòng)CPS、啟動(dòng)正弦信號(hào)的產(chǎn)生及開(kāi)關(guān)量輸入繼電器；（2）控制和讀取PCM故障代碼。信號(hào)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(guò)程中讀取PCM模塊的故障信息時(shí)，首先通過(guò)CAN0向信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送指令，信號(hào)發(fā)生模塊接收到該指令后，只將ID更改后通過(guò)CAN1發(fā)送到PCM模塊。同理，信號(hào)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(guò)CAN0發(fā)送給工控機(jī)?？紤]到不同PCM類(lèi)型的通信接口差異，在信號(hào)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(hào)發(fā)生模塊通過(guò)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(hào)發(fā)生板轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文后通過(guò)CAN0返回到工控機(jī)。
負(fù)載監(jiān)測(cè)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(cè)模塊發(fā)送設(shè)置繼電器矩陣的指令，負(fù)載監(jiān)測(cè)模塊接收到指令后，將繼電器矩陣信息傳遞給對(duì)應(yīng)模擬負(fù)載模塊；（2）讀取負(fù)載監(jiān)測(cè)信息。在系統(tǒng)工作時(shí)，工控機(jī)不斷向負(fù)載監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送查詢(xún)負(fù)載監(jiān)測(cè)信息的指令，負(fù)載監(jiān)測(cè)模塊接收該指令后，將當(dāng)前的PCM負(fù)載監(jiān)測(cè)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(guò)RS245總線與負(fù)載監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)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(zhǎng)安CB系列的PCM、STC 1××和2××系列的PCM耐久性測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的通用性及可靠性。由于摩托車(chē)的PCM與汽車(chē)PCM原理相近，因此，它同樣適合摩托車(chē)PCM耐久性測(cè)試。雖然該系統(tǒng)可能還存在一些缺陷，但通過(guò)不斷地改進(jìn)和升級(jí)，必將為開(kāi)發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供扎實(shí)的設(shè)備保障。