基于虛擬儀器的新型汽車電子測(cè)試平臺(tái)研究

摘要： 針對(duì)汽車電子的測(cè)試要求的日益增高，本文介紹了一種基于虛擬儀器的測(cè)試平臺(tái)，可以極大地方便汽車電子產(chǎn)品的測(cè)試。
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；汽車測(cè)試；LabVIEW；PXI

    隨著半導(dǎo)體及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，汽車電子在汽車產(chǎn)業(yè)中所占比例越來(lái)越大。從汽車的舒適性到穩(wěn)定性乃至安全性的實(shí)現(xiàn)中，汽車電子產(chǎn)品都擔(dān)任著至關(guān)重要的角色，并且正發(fā)揮著越來(lái)越廣泛的作用。汽車電子產(chǎn)品廠商也正面臨著巨大的市場(chǎng)挑戰(zhàn)——提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本等等。

    在這樣的條件下，對(duì)汽車電子產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)備的要求日益增高，主要體現(xiàn)在以下方面。

復(fù)雜的測(cè)試要求

    汽車電子產(chǎn)品在整車系統(tǒng)中的比例和實(shí)現(xiàn)的功能不斷增加，要求其具有豐富的功能；隨著基于CAN、K-Line、LIN等總線的車身網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，還需要實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備與整車網(wǎng)絡(luò)之間可靠的實(shí)時(shí)通訊。這都要求汽車電子產(chǎn)品出廠前需要經(jīng)歷復(fù)雜的功能和參數(shù)測(cè)試過(guò)程，從而保證產(chǎn)品滿足車廠所規(guī)定的功能上及質(zhì)量上的諸多要求。

嚴(yán)格的質(zhì)量管理流程

    除了能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試功能，測(cè)試設(shè)備還需要保存測(cè)試數(shù)據(jù)、提供測(cè)試數(shù)據(jù)在線分析功能，并能方便地?fù)?jù)此進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)(SPC)，如測(cè)量系統(tǒng)分析(MSA)和工序能力指數(shù)(Cpk)等，從而作為企業(yè)質(zhì)量管理的數(shù)據(jù)來(lái)源。

開(kāi)發(fā)與測(cè)試周期

    目前汽車廠商推出新車型的周期越來(lái)越短，以滿足不斷發(fā)展的市場(chǎng)要求。對(duì)于在國(guó)外設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽車電子產(chǎn)品而言，國(guó)內(nèi)廠商需要在短時(shí)間內(nèi)建立完整的測(cè)試線；而對(duì)于國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的汽車電子產(chǎn)品，往往要求測(cè)試線不但能夠進(jìn)行出廠前測(cè)試，還需要承擔(dān)部分設(shè)計(jì)驗(yàn)證任務(wù)，因而在產(chǎn)品研發(fā)階段就要實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)需要預(yù)先考慮由于產(chǎn)品改進(jìn)而引起的測(cè)試設(shè)備變動(dòng)。

    苛刻的時(shí)間要求還體現(xiàn)在提高測(cè)試效率上。對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，利用功能單一、需要操作人員手工操作的傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備很難達(dá)到時(shí)間和質(zhì)量上的要求。因此使用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備成為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量必不可少的條件。

成本控制

    汽車電子廠商往往需要生產(chǎn)多種型號(hào)、具有類似測(cè)試要求的產(chǎn)品，這就要求測(cè)試設(shè)備具有可復(fù)用性，可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品共用同一條測(cè)試線，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，同時(shí)也降低了設(shè)備維護(hù)的開(kāi)支。

    如果完全采用進(jìn)口測(cè)試設(shè)備，則設(shè)備的引進(jìn)及維護(hù)成本高、檢修周期長(zhǎng)，已經(jīng)有越來(lái)越多的廠商在考慮將進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，利用本地的供應(yīng)商或自行開(kāi)發(fā)和維護(hù)。

    由以上可見(jiàn)，在汽車電子產(chǎn)品測(cè)試中，所采用的測(cè)試設(shè)備是一種需要根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品的不同而快速靈活定制、能夠提供豐富的測(cè)試功能、便于本土工程師快速開(kāi)發(fā)及維護(hù)的軟、硬件平臺(tái)。

測(cè)試平臺(tái)

    針對(duì)以上應(yīng)用需求，本文介紹一種基于虛擬儀器技術(shù)的汽車電子測(cè)試平臺(tái)，可以極大地方便各廠商進(jìn)行汽車電子產(chǎn)品測(cè)試。

圖 1 汽車電子測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)成

    如圖1所示，該測(cè)試平臺(tái)基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建，由兩部分組成——軟件和硬件。硬件采用美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的PXI模塊化儀器；軟件采用NI的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言和TestStand測(cè)試管理軟件開(kāi)發(fā)。

硬件組成

    PXI是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備系統(tǒng)的模塊化、容易集成、容易裝卸和連接，以及方便提高設(shè)備同步與觸發(fā)精確度等卓越特性。

    同時(shí)PXI模塊化儀器具有豐富的產(chǎn)品，如NI所生產(chǎn)的PXI模塊在汽車電子產(chǎn)品測(cè)試領(lǐng)域中所適用的有各種模擬和數(shù)字信號(hào)采集、調(diào)理、信號(hào)多路復(fù)用及矩陣連接控制、各種總線接口、射頻及任意信號(hào)發(fā)生器等等?？蔀槠囯娮訌S商提供寬廣的選擇余地。

    圖2示出一組典型的用于汽車電子產(chǎn)品檢測(cè)的PXI模塊化儀器，其中包括了基于Pentium CPU的PXI控制器、由數(shù)字萬(wàn)用表和多路復(fù)用開(kāi)關(guān)及矩陣開(kāi)關(guān)組成的多路電流、電壓測(cè)試系統(tǒng)、用于產(chǎn)生汽車收音機(jī)電臺(tái)信號(hào)的射頻信號(hào)發(fā)生器、汽車收音機(jī)音頻分析儀等設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，汽車電子產(chǎn)品廠商通常利用產(chǎn)品本身具有的總線，如CAN、K-Line等，開(kāi)放特定的控制指令用于產(chǎn)品狀態(tài)控制，從而無(wú)需人工干預(yù)。因此在這些模塊化儀器中，通常包含一個(gè)總線控制器(如CAN、K-Line、LIN控制器等)。除此以外，通常配置一塊具有寬電壓輸入輸出和光隔的DIO卡，用于與自動(dòng)化生產(chǎn)線之間進(jìn)行時(shí)序同步和夾具控制等。

圖2 PXI 模塊化儀器的典型配置

    圖2的示例中包括了各種經(jīng)常用到的汽車電子產(chǎn)品測(cè)試儀器。在大多數(shù)應(yīng)用中，可以對(duì)上述模塊化儀器進(jìn)行定制，選用其中的一部分儀器，即可實(shí)現(xiàn)如汽車收音機(jī)(包括VCD/DVD/導(dǎo)航)、儀表板、行車記錄儀、HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning)等產(chǎn)品在PCB及整機(jī)狀態(tài)下的功能及參數(shù)測(cè)試。

軟件組成

    如圖3所示，汽車電子測(cè)試平臺(tái)中的軟件部分由產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)試項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)、測(cè)試序列(Test Sequence)和用戶定制程序(如用戶操作界面、測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件)等部分組成。

    產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序——用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)產(chǎn)品的程序控制，通常由各種總線方式(如CAN、K-Line、串口等)進(jìn)行控制。以達(dá)到無(wú)需人工設(shè)置產(chǎn)品狀態(tài)而進(jìn)行測(cè)試的目的。對(duì)于特定類型的產(chǎn)品，需要進(jìn)行控制的參數(shù)通常是統(tǒng)一的，與型號(hào)無(wú)關(guān)的。例如對(duì)于汽車收音機(jī)的音頻測(cè)試，不論任何型號(hào)，所需要控制的參數(shù)通常有音量、波段、調(diào)諧頻率、音效控制等。從而保證在為新型號(hào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件時(shí)，無(wú)需修改調(diào)用它們的函數(shù)，只需要重新開(kāi)發(fā)一組符合預(yù)先定義的接口類型的收音機(jī)控制程序即可。

圖 3 汽車電子測(cè)試平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)

    測(cè)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序——主要指PXI模塊化儀器的驅(qū)動(dòng)，用于保證儀器的正常操作和向開(kāi)發(fā)者提供應(yīng)用程序接口(API)。這一部分無(wú)需用戶自行開(kāi)發(fā)，PXI模塊化儀器的生產(chǎn)廠商會(huì)隨硬件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，通常還具備界面簡(jiǎn)單、易操作的硬件管理環(huán)境(如NI的MAX)，通過(guò)這個(gè)硬件管理環(huán)境，用戶無(wú)需編程即可實(shí)現(xiàn)硬件自檢、手動(dòng)測(cè)試、硬件配置等功能。

    測(cè)試項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)部分——是產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)合。汽車電子產(chǎn)品廠商針對(duì)其不同產(chǎn)品，都會(huì)有特定的測(cè)試規(guī)范，而同一類型產(chǎn)品的測(cè)試規(guī)范通常是相同的。一旦根據(jù)廠商的要求開(kāi)發(fā)完成，在構(gòu)建同類產(chǎn)品測(cè)試線時(shí)不用或很少更改測(cè)試項(xiàng)目的執(zhí)行程序。

    測(cè)試序列——按照廠商所有的測(cè)試要求，將測(cè)試項(xiàng)目組合起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)測(cè)試序列。在此平臺(tái)中，測(cè)試序列的表現(xiàn)形式為.seq文件(TestStand文件)。在這個(gè)測(cè)試序列中實(shí)現(xiàn)了所有的數(shù)據(jù)采集、分析、記錄功能。

    用戶定制程序——包括用戶操作界面和測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等。在此測(cè)試平臺(tái)中，用戶操作界面和測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件作為一個(gè)通用的組件，可以應(yīng)用于各種產(chǎn)品的測(cè)試線上，而無(wú)需任何修改。

    該軟件平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

    * 同一個(gè)測(cè)試軟件平臺(tái)可以測(cè)試不同型號(hào)的同類產(chǎn)品。
 
    由于同類產(chǎn)品的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法通常是相似的，因此軟件中的測(cè)試項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)部分只需要針對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的配置，就可用于所有具有相同測(cè)試方法的測(cè)試項(xiàng)目，用戶無(wú)需重新編寫(xiě)代碼。

    * 同一個(gè)測(cè)試序列可以在不同測(cè)試站上運(yùn)行。

    考慮到產(chǎn)品平均出廠時(shí)間的限制，廠商在選擇PXI模塊化儀器時(shí)，通常會(huì)選用多個(gè)測(cè)試站來(lái)分擔(dān)全部測(cè)試時(shí)間。這些測(cè)試站可以具有相同或相似的配置，在某些測(cè)試站上還會(huì)采用GPIB儀器以充分利用現(xiàn)有資源。如果其中一臺(tái)測(cè)試站發(fā)生故障，該站上的測(cè)試軟件可以在無(wú)需重新編寫(xiě)程序的條件下完成測(cè)試站的互換，只需要更改測(cè)試設(shè)備的資源名稱。而測(cè)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中已經(jīng)同時(shí)支持了PXI模塊化儀器和傳統(tǒng)GPIB儀器。

    * 開(kāi)發(fā)及維護(hù)時(shí)間大大縮短

    從圖3中可以看到，除了被測(cè)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試序列會(huì)隨著被測(cè)產(chǎn)品不同而變化，其它部分在一次開(kāi)發(fā)完成后無(wú)需或很少改動(dòng)。因此大多數(shù)情況下，無(wú)論是系統(tǒng)集成商還是廠商自己的開(kāi)發(fā)工程師都只需要將精力投入到特定的被測(cè)產(chǎn)品控制和實(shí)現(xiàn)測(cè)試序列上。

    同時(shí)，由于在一個(gè)工廠內(nèi)采用了統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，極大地減少了軟件維護(hù)的時(shí)間開(kāi)銷。不同的測(cè)試線對(duì)工程師的要求也趨于統(tǒng)一，從而降低了因人員流動(dòng)而造成的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)用實(shí)例

    某汽車電子廠商選用了上海聚星儀器有限公司的汽車電子測(cè)試平臺(tái)組成汽車收音機(jī)的測(cè)試線，為了滿足產(chǎn)品Cycle Time的要求，采用七個(gè)PXI測(cè)試站來(lái)分擔(dān)上百個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。其中兩個(gè)測(cè)試站進(jìn)行PCB形態(tài)的測(cè)試，如PCB上的測(cè)點(diǎn)電壓、電流等參數(shù)；另外的測(cè)試站均為整機(jī)形態(tài)的測(cè)試，如調(diào)校、CD/MP3、AM/FM、音效控制、寫(xiě)入產(chǎn)品追蹤及生產(chǎn)信息等等。如圖4所示。

圖 4 汽車電子測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

    每個(gè)測(cè)試站上運(yùn)行不同的測(cè)試序列，但采用相同的用戶操作界面和測(cè)試數(shù)據(jù)管理軟件。

    由于采用了基于虛擬儀器技術(shù)的汽車電子測(cè)試平臺(tái)，目前該測(cè)試線同時(shí)承擔(dān)了三種類型、十幾個(gè)型號(hào)的汽車收音機(jī)自動(dòng)測(cè)試任務(wù)，而該測(cè)試平臺(tái)的維護(hù)只需要一個(gè)工程師即可完成。

結(jié)語(yǔ)

    基于虛擬儀器技術(shù)的汽車電子測(cè)試平臺(tái)能夠有效的滿足日趨復(fù)雜的測(cè)試要求，提高測(cè)試線的開(kāi)發(fā)效率并降低生產(chǎn)成本，正逐漸成為汽車電子產(chǎn)品測(cè)試領(lǐng)域中新的趨勢(shì)。