基于CAN的VCU入厂来料检测系统的研究

周炼，沈永辉，董勇涛

（1.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300；2.天津智行汽车技术有限公司，天津 300300）

1 前言

随着社会的不断进步，能源需求不断增加，造成的环境问题也日益严重，目前已成为制约我国社会发展的突出问题[1]，其中比较严重的污染源就是汽车尾气的排放，据相关统计每年就会有数十亿吨的污染物排放到大气中[2]。由于纯电动汽车环境污染小、能源来源广泛等特点能够在一定程度上缓解环境问题，因此受到世界各个国家政府的高度重视，各个车企在纯电动汽车的研发与生产过程中投入大量的人力、物力。但是由于纯电动汽车复杂的电气结构，在没有诊断功能和安全控制策略的情况下，汽车的故障信息获取起来有一定的难度[3]。汽车电子网络化近年来发展迅速以及纯电动汽车故障诊断标准逐渐统一，CAN总线协议被广泛用于纯电动汽车的系统控制，诊断及通讯等方面。基于 CAN总线的汽车故障诊断系统目前逐渐成为汽车互联网化、智能化的最基本要求[4,5]。

2 整车控制器

整车控制器（VCU）是电动汽车正常行驶的控制中枢，是整车控制系统的核心部件，在整车控制系统中居于最高层级，主要负责采集制动踏板、加速踏板等部件信号，并对采集信息进行管理、分析和运算等[6]，整车控制器的功能作用如图1所示，整车控制器的功能正常对于电动汽车的重要性是不言而喻的[7]。因此，本文为了提高纯电动汽车安全性机器诊断的可靠性，开发一套基于 CAN总线的整车控制器来料检测系统，对整车控制器进行相关测试。

图1 整车控制器关系图

测试系统主要由硬件系统与软件平台两部分组成，用于检测 VCU硬件接口是否正常工作。硬件系统主要是一些发生模块，可实现 CAN通讯和模拟量、开关量、脉冲量的输出及模拟量、PWM、开关量采集，同时还包括供电单元。软件平台主要是用于测试系统管理，包括测试系统管理以及VCU功能测试等。图2为测试系统总体结构图。

图2 测试系统总体结构图

3 硬件设计

硬件系统可以实现的功能包括模拟信号、数字信号、PWM信号的采集与输出，根据VCU功能需求对整套测试系统的硬件构架进行了设计。自检模块，主要是对设备自身通讯正常与否的检测。电源模块，主要由程控电源、电源电路、继电器组成，可程控输出不同电压。信号调理模块，主要由开关量驱动电路、继电器驱动电路、模拟量滤波电路、数字信号调理电路、模拟信号调理电路组成。最后就是通过多种数据采集板卡组成的数据采集与发生模块。

图3 测试系统硬件构架图

3.1 自检模块

为了保证测试的准确性和稳定性，首先需要测试系统自身具有较强的稳定性和准确性，因此，在对控制器测试之前，首先完成系统自检。系统在自检过程中，首先需要对测试系统的输入通道进行相应的检测，然后将输入通道与输出通道相连接，通过输入同代检测输出通道是否正常。对于通信通道检测，首先将2路CAN通道首先连接在一起，然后采用一个通道发送，一个通道接收地方式检测通讯是否正常。

3.2 电源模块

在控制器的实际使用场景中，整车控制器会出现供电电源电压过低或者过高状态，所以在对 VCU功能进行测试评估时需要考虑 VCU在欠压或过压情况下运行能力。目前在市场上的纯电动乘用车车低压系统正常供电电压为12V，商用车为24V，过高电压通常为18V或36V，过低电压通常为9V或18V，整个测试系统能够模拟整车控制器在常压、过压、欠压及反压四种工作电压的输出。在对电源输出控制时选用了研华 USB-4761板卡进行电源控制，可以通过研华 USB-4761板卡控制电源输出不同电压值，来满足测试系统对VCU供电需求。

3.3 信号调理模块

为了能够使数据采集卡和信号发生卡的接口特性和VCU的接口特性保证一致，所以需要在设计测试系统硬件时需要对信号做相关的调理。设备采用的研发USB-4750板卡中的输出与采集通道是由板卡内置的光耦开关控制的，输出状态分为高阻态（悬空）或高边输出，结合控制器端的 PIN脚电路特性，需要做一个信号调理，根据控制器端的每个PIN脚的电路特性匹配一个上拉或者下拉电路，消除整个电路过程中的高阻态（悬空），确保研华USB-4750板卡输出和采集到的状态的可靠性。

3.4 数据采集与信号发生模块

数据采集系统是自动化测试系统中至关重要的组成部分，主要是通过基于计算机或者其它专用测试平台测量硬件和软件产品来实现的。数据采集卡是一种可以通过 USB、PXI、PCI等总线接入个人计算机内能够实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡。根据整车控制器测试系统功能需求选择了研华 USB-4750多功能数据采集卡、阿尔泰 ART-2831模拟量输出卡以及周立功 CAN卡，以实现系统的数字量输入/输出、 模拟量输入/输出和脉冲信号的输入/输出。

4 系统软件设计

基于模块化设计方法对测试系统进行开发，编程语言采用 LabVIEW 进行编程。首先，测试系统需要有友好、简单的人家交互界面，方便测试人员的操作和管理；其次，整个测试过程结束之后应该提示测试结果，同时要保存相应的测试报告，方便后期质量的追溯和管理。

根据整车控制器测试需求和测试内容制定测试流程；同时为了便于系统软件按的改进和扩展，系统上位机软件的设计采用模块化结构，一个模块实现一个功能，各个模块功能上相互独立，在数据传递和程序结构上又紧密连接，这样不仅会使得程序结构简单明了，便于设计、调试和后期的维护，同时使测试软件操作简易、数据交换高效、控制准确、稳定性高。测试系统操作界面如图4所示。

图4 测试系统操作界面

4.1 测试流程总体设计

整车控制器是整个汽车的核心控制部件，相当于汽车的大脑，控制下层的各部件控制器的动作，驱动汽车正常行驶。所以整车控制器的重要性是不言而喻的，为了保证纯电动车的人车安全，对整车控制器进行相关检测也是很有必要的，整个测试过程如图5所示。

测试人员打开上位机测试软件，通过用户名和密码登录系统，进入测试主界面后，点击“打开采集卡”按钮，此时测试系统会先进行自检，如果自检成功，系统功能及板卡功能正常，才可以进行系统测试，并且“自检”指示灯点亮。接下来点击“开始自动测试”按钮，此时系统才开始了整车控制器的相关测试。在测试工程可分成两个步骤进行：参数配置和功能测试。

参数配置主要是对整车控制器的相关参数进行配置，包括其类型、型号及端口等。同时还会配置 CAN通讯板卡类型及波特率的设置等。功能测试主要是对整车控制器的电性能和相关功能测试。测试完成后会将测试结果存储至计算机本地，便于品质管理及数据追踪。

图5 系统软件测试流程框图

4.2 功能测试

功能测试主要是包括通讯检测、模拟信号检测和数字信号检测。其中通讯检测主要是针对整车控制器的 CAN通讯功能进行检测；模拟信号检测主要包括电压信号和脉冲信号的检测；数字信号检测则主要包括数字量的输入输出和继电器驱动检测，功能测试流程如图6所示。

图6 功能测试流程图

4.2.1 通信检测

图7 CAN通信测试流程图

纯电动汽车整车控制器通常具有 CAN通信端口，在对整车控制器进行功能测试时就是通过 CAN端口反馈信息完成测试的，所以需要对CAN端口先进行测试。图7为整车控制器CAN通信检测的测试流程。首先，进行CAN初始化，初始化完成需要对发送信息参数急接收信息参数进行设置，最后将接收到的CAN报文参数和发送的CAN报文参数进行比较，如果发送的和接收的数据能够相同则说明测试通过。

4.2.2 模拟信号检测

模拟信号检测主要包括对整车控制器的工作电压模拟测试和脉冲信号测试。

（1）工作电压模拟测试

测试规范与项目参考 ISO16750-2 《道路车辆电气与电子设备的环境条件和试验 第二部分电气载荷》，如直流供电测试、过压测试、叠加交流测试、供电电压变化测试、供电电压闪断重连测试等。具体测试项目如下（举例 VCU常压供电12V）。通过程控电源为VCU输出常压、过压、欠压、反压4种不同工作电压，同时并激活VCU，通过上位机检测CAN通讯功能，并根据VCU反馈报文判断VCU电压耐受性是否合格，工作电压模拟测试如表1所示。

表1 工作电压模拟测试

（2）模拟输入口测试

通过模拟板卡控制输出相应电压，然后发送 CAN查询报文，通过反馈报文判断 VCU模拟输入口是否正常，模拟输入口测试如表2所示。

表2 模拟输入口测试

（3）PWM输入口测试

表3 PWM输入口测试

通过软件控制板卡输出PWM信号，然后向VCU发送CAN查询报文，根据VCU反馈报文判断VCU PWM输入口是否正常，PWM输入口测试如表3所示。

另外模拟输出口、PWM 输出口测试和输入测试方法相同，最后将测试系统相应通道采集后数据和请求帧数据进行比较，如果数据对比误差不大于 5%则判定测试合格。系统模拟信号检测流程如图8所示。

图8 电压模拟型号测试流程图

4.2.3 数字信号检测

数字信号检测主要是针对整车控制器输入口测试和输出口测试。

（1）数字输入口测试

通过软件控制继电器对 VCU进行供电，供电后发送CAN查询报文，根据 VCU反馈报文是否与预期结果判断VCU数字输入口是否正常。测试方式如表4所示。

表4 数字输入口测试

（2）数字输出口测试

通过软件发送端口驱动报文，VCU接受到报文使能驱动口输出高电平或者低电平，此时板卡采集相应端口，判断VCU驱动口是能是否正常，数字输出口测试如表5所示。

表5 数字输出口测试

数字信号测试流程如图9所示。

图9 数字信号测试流程图

4.2.4 测试报告生成

整车控制器电来料入厂检测设备一键式操作，测试过程完全实现自动化，在测试完成后，测试结果自动保存，可以.csv格式保存设备本地，可以存档Access数据库，也可以上传至厂家系统云端，测试报告生成功能的开发需要利用NI LabVIEW的Report Generation Toolkit报告生成工具包，生成报告程序如图10所示。测试报告包括VCU序列号、测试时间、测试人员、测试项目及测试结果等。同时可通过上位机界面对历史数据进行查询，可通过测试结果是否合格、检测时间、测试 VCU序列号进行筛选查询。数据可设有管理员登录名和登陆密码，保证数据库的安全性。

图10 测试报告生成模块程序

5 测试结果分析

在测试系统对整车控制器进行测试过程中，首先是对整车控制器电性能进行测试，测试系统给整车控制器提供过压18V±0.5V、欠压9V±0.5V及反压-12V±0.5V的工作电压，持续一分钟后切换到 12V±0.5V常压供电，同时上位机检测整车控制器的 CAN通讯功能，如果整车控制器通讯正常则表示其电性能正常，图11为上位机输出正常电压12V±0.5V、过压 18V±0.5V、欠压9V±0.5V及反压-12V±0.5V曲线。接下来测试系统开始对整车控制器的其他功能进行测试（数字量、模拟量等）最终在每一项测试完成之后，存储成 Excel格式测试报告。整车控制器测试结果如图12所示。

图11 电性能测试曲线图

图12 测试报告

通过测试报告可以清晰看出整车控制器的各个检测项目以及其检测结果还有整车控制器的最终检测结果，检测人员与维修人员可以精准定位控制器的缺陷项目，提高生产与售后维修效率。

6 结论

经过大量试验证明所开发的基于 CAN总线的整车控制器测试系统具有工作稳定可靠、测试精度高、实用性强等优点，整套测试系统完全可用于纯电动汽车的整车控制器的各项性能的测试，有广泛的推广使用价值。本测试系统目前已投入市场使用，测试过程均为自动化测试，能很大程度上降低整车控制器的测试成本。