汽车ABS ECU烧录测试一体机设计与应用

王 巍,吴凯悦,吴法海

(1.浙江万向精工有限公司，浙江 杭州 311202；2.万向钱潮股份有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

防抱死制动系统(anti-lock braking system,ABS)是在传统的制动系统的基础上，采用电子控制技术构成的一种机电一体化系统[1]。它对于防止车轮抱死、提高制动效率、操纵稳定性以及降低交通事故发生率发挥了重要作用[2]。电子控制单元(electronic control unit,ECU)作为ABS执行机构的核心部件，在整个系统中起到了至关重要的作用。为保证ECU的正常工作，生产时需要对ECU产品进行检测。判断ECU产品是否合格，则需要检测各个部件及其功能是否正常。检测包括多方面，如电磁阀驱动电路的检测、轮速采集功能的检测、生产信息读写的检测等。由于ECU的检测涉及项目较多，如果由人工完成检测，会浪费大量时间与精力。为了提高检测准确率和效率，需要开发一套准确、高效的自动化检测系统。为了满足检测时对各设备兼容性的要求，系统软件使用LabVIEW进行开发。

1 烧录测试一体机功能需求

1.1 测试对象分析

本文所设计的烧录测试一体机的测试对象为乘用车液压 ABS的ECU。 ECU是ABS 执行机构的核心控制部件，由硬件执行层和软件算法层组成。

ECU硬件执行层主要由六个模块[3]构成。

①电源监控模块。其功能为将汽车电瓶电源转化为单元内部所需的标准稳定电压，并持续进行监控。

②轮速传感器信号处理模块。其功能为滤波、整形和放大轮速信号。

③ABS阀线圈驱动模块。其功能为控制ABS电磁阀导通和关断。

④ABS电机驱动模块。其功能为输出ABS电机驱动信号。

⑤ABS警告灯控制模块。其功能为输出仪表盘ABS 警告灯控制信号。

⑥通信模块。其功能为与外部设备进行控制器局域网络(controller area network,CAN)总线及K总线的通信协议数据收发。

ECU软件算法层的功能为实时监控四个轮速传感器输入的信号，计算出汽车的参考车速、各车轮速度和减速度，得到各车轮滑移率；将滑移率与设定的滑移率控制门限值进行比较，从而根据设定的控制逻辑得出各通道电磁阀的动作模式和时间，以防车轮抱死情况的出现[4]。

作为本文测试对象，某系列ECU爆炸图如图1所示。

图1 ECU爆炸图Fig.1 Exploded diagram of ECU

ABS执行机构所有功能的运行均依赖于ECU的正常工作。若ECU不合格，则无法在紧急工况下保护人车安全。因此，ABS控制器在生产下线时必须进行测试验证。

1.2 烧录测试系统功能需求

ECU烧录测试一体机系统，按功能可以划分为ECU程序烧录和硬件层面的ECU功能测试两个部分。

ECU程序烧录是ECU生产过程中的重要环节。传统的方法是利用计算机将烧录程序存储到烧录器中，然后将烧录器与ECU的联合测试工作组(joint test action group,JTAG)接口相连，通过操作烧录器上按钮完成ECU的烧录。此方法不仅工作繁琐，而且工作效率低[5]。故需要选择一种支持动态链接库(dynamic link library,DLL)调用的通用型烧录仿真器，从而通过JTAG、串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)、通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)等接口进行程序的刷新。

ECU功能测试的需求包括以下几点。

①故障检测功能。一体机能够对ECU的硬件执行层进行测试，验证控制器各项功能是否正常工作，并对不合格模块给出报警信息。

②不同车型配置功能。由于测试车型众多，一体机测试软件应能通过简单配置制造工艺规范(manufacturing procedure specification，MPS)参数表进行相应的设置，且操作步骤需快速、简便，以满足产线工作节奏。

③治具自动连接功能。一体机气动治具应能根据控制指令自动夹紧待测件，实现控制器接口与底座的自动对接。

④测试结果追溯功能。一体机测试软件应具有报表功能，能根据ECU条形编码进行测试结果的追溯。

2 系统总体架构

2.1 系统概述

根据功能需求，烧录测试一体机系统的硬件架构包括工控机、信号调理负载箱、可调开关电源、ABS ECU、气动治具、烧录器、扫码枪。系统架构框图如图2所示。

图2 系统架构框图Fig.2 Architecture diagram of the system

2.2 系统组成

①信号调理负载箱。

信号调理负载箱的作用主要是向ECU提供电源，并进行测试所需信号的转换和传递。它由2U机箱、前面板、后面板、开关电源、电流传感器和信号调理板卡组成。信号调理板卡包含轮速信号处理电路、继电器驱动电路、电流采集电路、故障灯驱动电路等部分。

②烧录器。

烧录器选用了能兼容不同微控制单元(microcontroller unit,MCU)的多通道在线式编程器。它是一种超高速、工业级在线式烧录器，具有支持接口种类广泛、烧录算法丰富、性能稳定、对目标电路充分保护、集成性好、体积小等特点，能嵌入各种测试设备，如自动试验设备(automatic test equipment,ATE)、在线测试仪(in-circuit-tester,ICT)、功能测试(functional circuit test,FCT)、工装、治具等。烧录器既能手动操作又能自动操作，可以应用于各类电子产品的测试、生产等各个环节，以及工业、家电、汽车、自动化等各个行业。

③NI数据采集卡。

④USB-CAN采集卡。

USB-CAN采集卡选用某公司通用型通用串行总线(universal serial bus,USB)转CAN总线适配器。它的高速CAN通道符合ISO 11898-2协议，CAN比特率为5 kbit/s～1 Mbit/s，时间戳分辨率大约42 μs，符合CAN规范2.0A和2.0B。该采集卡可方便地监视CAN总线网络，编写CAN总线程序，以及和CAN总线设备通信，因而广泛应用于汽车、工业、医疗和其他行业。

⑤USB-K通信卡。

USB-K通信卡选用自行设计的转换卡，主要包括K总线与串口通信协议的转换和串口通信转换为USB通信两个部分。工作过程为：上位机发送读取指令；USB/TTL232转换芯片将USB总线数据转换为晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistor logic,TTL)电平数据，再通过LIN总线收发器芯片将TTL电平转换为LIN总线CMOS电平信息，最后发送给ECU。ECU接收到指令后，将响应信息回传到K总线网络，由USB-K通信卡调制后回传至上位机，从而实现工控机与ECU的K线通信。

⑥气动测试治具。

治具采用双工位模式，主要部件包括两个三轴气缸、测试探针上座、测试探针下座、烧录接头、测试接头、电磁阀、底座、开关电源、控制板。气动治具三维模型如图3所示。

另外，院区内的各间病房均配备了独立卫生间和阳台。卫生间靠外墙设计，并设有窗户，这既能采集自然光线，又能通风透气，保持病房内空气清新，有效防止异味滋生。病房里的阳台使用大落地玻璃门，自然光能直接透射进病房里，患者可以按需要在阳台进行舒展活动，呼吸新鲜空气，配合周边的花槽，令患者充分享受大自然的阳光与绿化，保持良好的心态，有助于患者病情的控制及治疗。

图3 气动治具三维模型Fig.3 Three-dimension model of pneumatic fixture

⑦扫码枪。

扫码枪的作用是扫描ECU上贴的生产序列号条形码，通知上位机需要烧录的车型和软件版本，并和MPS配置信息文件中的车型版本进行比对。若相符，则系统执行烧录、测试步骤；若不符，则在操作界面给出报警提示信息。

3 系统软件开发

LabVIEW通过图形化的语言和模块化的指令生成框图式的程序代码，其功能丰富的函数库涉及数据采集、仪器通信、信号处理、文件存储等[6-7]，是实现ECU烧录和功能检测的理想选择。因此，本集成式烧录测试一体机系统软件采用LabVIEW软件开发。

3.1 LabVIEW函数调用

3.1.1 串口调用

在LabVIEW中，串口通信被列入仪器输入/输出(input/output，I/O)类。其函数是虚拟仪器软件体系结构(virtual instrumcnt softuare architecture,VISA)函数的子集[8]。本系统软件使用串口通信函数完成条形码扫描和K通信，涉及的串口通信函数有VISA配置串口函数、VISA写入函数、VISA读取函数、VISA串口字节数属性、VISA关闭函数等[9]。

3.1.2 烧录器接口调用

烧录器有方便LabVIEW调用的用户库DLL.lvlib，只需将DLL文件夹复制到LabVIEW安装目录的user.lib文件夹下，就可在函数面板下的用户库列表内找到所有的VI。本系统软件使用该VI库可完成引导程序和应用程序烧录、向ECU写入生产日期和序列号信息的操作，涉及的VI有获取烧录器列表、连接烧录器、发送烧录文件、设置额外参数、烧录、获取烧录结果等。

3.1.3 USB-CAN采集卡调用

本设计选用的CAN总线适配器有动态链接库文件CANBasic.dll。它包含了CAN设备的初始化、通道打开、数据发送、数据接收、通道关闭等函数。LabVIEW使用“调用库函数节点”VI来配置调用的应用程序接口(application programming interface,API)。

3.1.4 数据采集

NI数据采集卡与LabVIEW具有很强的兼容性，在程序设计时无需考虑硬件的底层驱动问题[10]。该数据采集卡在LabVIEW中建立数据采集任务的方式有两种：①利用DAQmx VI函数；②利用DAQ助手[11]。本系统软件采用DAQ助手控制数字量与模拟量的输入/输出，从而完成控制继电器开关量、采集电磁阀与电机工作电流、发送方波等任务。

3.2 软件模块组成

系统软件可同时检测多个ECU产品。软件界面如图4所示。

图4 软件界面Fig.4 Software interface

软件的主要功能如下。

①端口配置。系统软件配置采集卡、扫码枪、CAN设备、K设备的通信端口。

②用户选型。系统软件提供四个测试通道、两个测试模式(手动/自动)、多个ECU型号供用户选择。用户选型之后，系统软件会根据型号信息初始化系统参数，如主动式/被动式切换、磁电/霍尔式切换、波特率设置等。

③扫码校验。系统软件采集到ECU装配到位信号后，自动启动扫描器扫描产品条形码，并对条形码内容进行记录和校验。

④程序烧录。系统软件根据ECU型号发送对应的烧录文件到烧录器，并配置生产日期和序列号等额外的烧录参数，然后启动烧录并查询烧录结果。

⑤功能检测。系统软件检测ECU的CAN总线和K总线通信是否正常，读取ECU故障码，校验版本信息，测试制动开关、警告灯等输入/输出信号，检测电磁阀线圈、电机和轮速传感器等部件是否能正常工作。另外，系统软件会显示每一步检测的测试结果，形成测试日志。

⑥保存结果。测试完成后，系统软件会存储以条形码内容命名的测试日志，同时显示最终的测试结果，并对合格品进行计数。

功能模块如图5所示。

图5 功能模块图Fig.5 Function module diagram

3.3 软件测试流程

由于被测车型众多，故根据《车型配置技术明细表》，统一将车辆的软件版本、硬件版本、传感器类型、轮胎半径、齿圈齿数、CAN波特率等内容打包写入一个MPS文件内。通过在前面板选择被测ECU的型号，后台自动进行初始化配置，简化了操作步骤。基本测试流程如下。

①启动上位机，选择被测ECU型号。

②将两个ECU分别放置到工装上，双手按压启动按钮，上针座自动下压。

③上位机驱动扫码枪读取ECU侧面的条形码，先判断MPS里的配置信息和烧录的程序版本是否一致，如校验通过则使能烧录器开始刷新程序。

④待程序更新完毕，进行串口初始化，并设置CAN波特率。

⑤ECU上电自检。上位机监测电源线上电压和电流，发送初始化报文与ECU通信握手。

⑥连接成功后，进行ECU的诊断代码(diagnostic trouble code,DTC)测试。

⑦读取ECU内部的信息和MPS配置信息，并进行版本比对测试。

⑧读取总线上的CAN报文，并进行CAN通信矩阵测试。

⑨上位机驱动信号调理箱，并进行ECU I/O接口测试。

⑩发送变频率方波，模拟轮速信号进行测试。

4 实际应用反馈

一体机系统在生产及应用前，还需要进行一系列的调试工作。这主要是完成不同厂商不同类型ECU产品以及模拟故障ECU产品的针对性检测。

通过调试，改进了以下项目。

①扫码枪模式。以往扫码枪使用的是键盘模式。但通过实际检测发现，键盘模式存在偶尔发送数据丢包的现象，导致上位机判断当前ECU产品条码错误。将扫码枪调整为虚拟串口模式后，通过串口函数来处理扫描到的数据，未再出现错误数据。

②扫码枪位置。因为条形码位置ECU的长侧面变更到短侧面，所以对扫码枪位置进行了重新设计和固定。最终，将扫码枪的位置从底座移到了上座。

③烧录器模式。烧录器有USB、网口两种连接模式。早期采用USB模式，在调试时发现烧录多个ECU之后偶尔出现上位机与烧录器连接失败现象，需重新拔插USB线才能恢复正常。这样会影响生产节拍。后期改为网口模式，连接非常稳定，未出现连接失败现象。

经调试完成后，一体机系统进入批量检测阶段。检测系统对五个批次ECU产品进行检测。表1为统计结果。在批量检测中，除了故障ECU产品会检测为不合格外，合格的ECU产品也可能会误判为不合格。其主要原因是存在检测误差。

表1 统计结果

存在检测误差主要是由于采集卡在采集模拟量时的检测时间点存在偏差，导致某一段模拟量未全部采集到，影响上位机的判断结果。经批量测试验证，在保证生产节拍的前提下适当延长采集时长，可以规避此类检测误差。

5 结论

本文设计的ECU烧录测试一体机系统以LabVIEW为开发平台，结合测试负载箱、气动治具、烧录器等外围设备，创造性地实现了同一治具下既能烧录又能测试，简化了产线人员的操作步骤，提高了测试工位节拍，基本覆盖了ECU所有模块的检测。同时，针对不同厂家、不同通信协议的产品，开发了对应的子VI，提高了系统的兼容性。在实际应用中也发现，磁电式ECU的轮速模拟信号还不能完美地模拟实际车况，即上位机在使用一段时间以后会出现端口冲突的现象。在下一步一体机升级时，将在硬件和软件方面作好对应的优化，以提高整体系统的稳定性。