汽车多功能交互开关耐久测试系统的设计与应用

林摇杰　林候前

摘要：针对汽车多功能交互开关的耐久测试需求，通过环境试验箱、气缸控制器、测试工装等硬件模块，依托控制器局域网络（CAN）现场总线和Modbus通信协议，设计了基于LabVIEW软件的耐久测试系统。实现了在不同工况下多个被测器件（DUT）并行测试的功能，同时能够智能监控整个的测试过程。选用分布在汽车座舱不同区域的多功能交互开关进行耐久测试，实际应用的结果表明：该耐久测试系统适用于多个主机厂不同类型的多功能交互开关；在多DUT并行测试下，该系统能够长时间稳定运行且便于试验参数的配置和测试过程的监控；试验结果便于分析，提高了测试效率。研究结果为汽车多功能交互开关耐久测试提供了技术支撑。

关键词：汽车电子；多功能交互开关；可靠性试验；耐久测试系统

中图分类号：U463；U467；TP27  收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.028

1 前言

随着汽车智能化、网联化水平的不断提高，物理按键在汽车中的应用逐渐减少，多功能开关的按键交互模式将从物理按键逐步演变为智能触控式交互[1-2]。车用开关使用耐久性研究，是汽车质量与安全性能检测领域的重要环节之一，汽车上众多不同类型电控开关的性能优劣直接影响汽车开关的质量[3]。

目前，车用开关疲劳试验机普遍存在通用性差、试验效率低和缺少开关状态监控的问题[4]。白瑶等[5]研究了分布式实时车用开关耐久性测试原理；李尚林[6]研究了基于LabVIEW的汽车玻璃升降器耐久测试系统；唐伎玲等[3、7]基于费树明[8]设计的汽车组合开关耐久性检测试验台，进一步研究了具有通用性和并行性的检测系统接口设计和耐久检测系统关键技术。前期的研究集中在以电机为核心驱动的耐久测试系统，且应用于汽车用转向管柱上组合开关和汽车玻璃升降器，而在以气缸为核心驱动的耐久测试系统设计和应用上没有研究。因此，研究以气缸为核心驱动的耐久测试系统在多功能交互开关（如方向盘开关、中控开关等）的应用具有重要的现实意义。

本文依据汽车主机厂对多功能交互开关按压耐久的试验要求，依托LabVIEW测试软件，设计了一种智能监控按压过程，满足多个DUT并行测试，具有通用性的耐久测试系统。

2 耐久测试的试验要求分析

以A、B、C、D、E为代表的主流汽车主机厂，在按压耐久测试的试验标准中规定了温湿度和耐久次数负载谱的分布要求，同时定义了耐久测试持续时间的计算方法。通过分析上述耐久测试的试验要求，总结得出耐久测试系统设计开发需具备的功能。

2.1 温湿度和耐久次数负载谱的分布要求

温湿度和耐久次数的分布负载谱定义了温湿度的加载顺序以及在每个温湿度下需要运行的耐久循环次数。按照温湿度和与其相对应的耐久循环次数的分布情况进行了分析汇总，如表1、表2和表3所示。

通过分析表1、表2和表3中温湿度和耐久次数的分布要求，为了实现在不同的温湿度谱下完成相应的耐久次数的目的，需要环境试验箱为DUT提供一个外部的模拟环境；通过上位机软件的控制，实现在不同温湿度的环境下按压DUT，达到相应的耐久次数；试验过程中需要通过测试工装来执行按压DUT的动作，同时需要监控按压的过程。

2.2 耐久测试持续时间的计算方式

通过耐久测试持续时间的计算，可以得出DUT在每个温湿度下耐久测试持续的时间和耐久测试完成所需的总时间。下面介绍耐久测试持续时间的计算方法。

3 耐久测试系统的设计

为了实现表4所述的功能，耐久测试系统的设计方案如图1所示。该系统主要由供电模块、环境试验箱、气缸控制器、测试工装、CAN卡和主控制模块组成。

3.1 供电模块

供电系统使用220 V交流电对直流电源、环境试验箱、电脑、气缸控制器进行供电。其中直流电源为DUTs供电。

3.2 环境试验箱

环境试验箱可以根据试验要求设置相应的高温、低温和湿度，从而为DUTs提供一个外部的模拟环境。本文选用的环境试验箱的参数为：内部空间大约为1 000 L，温度控制范围为-40～+180 ℃，湿度控制范围为10%到98%RH。

3.3 气缸控制器

气缸控制器通过线束与电磁阀连接，电磁阀通过气管与气缸连接，如图2所示。气缸控制器通过接收上位机的指令，控制电磁阀的开闭，从而使气缸完成伸出和缩回的动作。

3.4 测试工装

使用测试工装是为了便于固定DUTs，同时为其提供一个模拟实车的安装条件。根据产品的特征，集成在测试工装上的气缸模块通过接收气缸控制器的指令，使气缸执行相应的动作，从而实现在不同环境条件下对DUTs按压的能力。测试工装上通常有6个工位可以安装DUT进行同时测试。

3.5 CAN

CAN具有多主优先级总线访问、非破坏性仲裁机制、配置灵活、错误检测、自动重传等特点[9]，被广泛应用于道路车辆控制领域。DUTs通过CAN连接，搭建一个模拟实车通信模式的场景。

3.6 主控制模块

主控制模塊主要包含电脑和上位机软件。以上位机为中枢系统对各个模块进行控制和交互：通过CAN与DUTs建立模拟实车通信的模式；通过实验室网关控制环境试验箱；通过气缸控制器控制气缸模块；同时实现各个模块之间的信息交换、试验过程实时监控和记录等功能。

4 耐久测试系统软件的开发

本文选用LabVIEW测试软件，结合测试方法和标准要求，进行耐久测试系统的软件开发。该软件使用“生产者/消费者”的主体架构[10]，采用图3所示的基本流程框图。该软件的运行逻辑为：首先选择硬件，然后配置相应的试验参数，点击开始运行，软件根据配置的试验参数按步骤运行，直至耐久次数达到后结束，试验过程采集并记录相应的数据。

耐久测试系统的软件主要包含6个模块：DUT功能交互模块、环境试验箱控制模块、气缸控制模块、试验参数配置模块、数据记录模块、试验过程实时显示模块。软件的界面如图4所示。

4.1 DUT功能交互模块设计

本文使用Vector公司型号为VN1640的物理接口卡。在“DUT Configuration”软件界面内，配置DUT参数并选择对应的CAN通道，通过CAN通信技术，实现DUT与耐久测试软件之间的功能交互。在“CAN”软件界面内，实时显示DUT功能交互情况。

4.2 环境试验箱控制模块设计

在“Climate Control”软件界面内，配置IP地址、温箱的编号等参数，通过环境试验箱上位机和实验室网关实现对温箱的控制与数据交换。环境试验箱的控制如图5所示。

4.3 气缸控制模块设计

4.4 试验参数配置模块设计

该模块主要分为7个部分，详细功能如下：

a.气缸控制器配置：通过输入连接类型和网关，实现气缸控制器与上位机的通信。

b.电磁阀配置：通过电磁阀编号与其相对应的物理按键的配对，实现气缸按压动作能够精确地施加到目标按键上。

c.按键按压顺序配置：可以对DUT上所有按键按压的先后顺序进行管理。

d.气缸伸缩配置：通过对气缸伸缩动作的分步控制，实现按压时间、保持时间的设置，从而可以计算出完成一次按压需要的时间。

e.按键状态判断配置：在气缸伸缩配置的每一个分步中，设置按键状态值判断和判断等待时间，以便于测试软件对每一次按压过程进行判定，从而利于对失效次数的统计和分析。

f.按键次数配置：设置每一个按键需要按压的耐久次数。

g.温湿度和耐久次数的分布负载谱配置：根据测试标准和需求，设置温湿度和与其相对应的耐久循环次数，最终实现在不同的温湿度下完成相应的耐久次数。

根据试验标准和测试方法，配置不同的试验参数，最终实现在不同的温湿度下，有序地按压DUT到指定的次数，同时记录整个过程中按键的状态并进行判定。

4.5 数据记录模块设计

数据记录模块的功能是记录试验过程中的事件数据和错误信息。在“Data View”软件界面内，记录每个按键信号被触发的次数和每一次按压的事件数据。在“Wago Control”软件界面内，记录每一次耐久测试的完成情况。通过记录这几类数据，便于快速分析试验结果。

4.6 试验过程实时显示模块设计

试验过程实时显示模块的功能是实时显示DUT功能的交互情况和耐久试验的执行过程。在“Data View”软件界面内，实时显示按键被触发的次数。在“Wago Control”软件界面内，实时显示环境试验箱的温湿度，气缸动作的状态和按键按压的情况。在“Visu”软件界面内，按照DUT外观视图呈现，便于观察和判断按键的功能，按压的顺序，DUT的连接是否正常等信息。

5 耐久测试系统的应用

选用主流汽车主机厂，同时具有多功能交互功能的开关作为测试对象，以F、G、H、I、J、K、L、M命名，这些产品分布在汽车座舱的中控区域、行驶区域和方向盘上，产品涉及的操作模式有物理按键式和触控式。通过这8个典型项目耐久试验的实际应用，对耐久测试系统长时间连续运行下的稳定性、文件记录情况、软件是否便于使用等方面进行了统计和分析，汇总结果见表5。

由表5可知，该耐久测试系统适用于多个主机厂不同类型的多功能交互开关的耐久试验。在多DUT并行测试下，该系统能够长时间稳定运行，且便于试验参数的配置和测试过程的监控，试验结果便于分析，提高了测试效率。

6 结语

研究了不同主机厂对多功能交互开关按压耐久的测试要求，开发了以气缸为核心驱动且基于LabVIEW软件的耐久测试系统，并对该耐久测试系统进行了验证。通过对多个主机厂不同类型的多功能交互开关的耐久试验，验证了本耐久测试系统的稳定性和可靠性。

在测试应用方面，该系统通过更换测试工装、局部更新测试软件模块，即可满足不同产品的耐久测试需求，具有通用性和易扩展性的特点。使用该系统不仅缩短了产品耐久性验证的周期，还提高了工程师对试验结果分析的效率。本研究为汽车多功能交互开关耐久测试提供了技术支撑。

参考文献：

[1]李玉昆，孟健，郁淑聪展望未来智能汽车人机交互：多模态融合感知技术成为趋势[J]汽车与配件，2022（21）：56-58

[2]王在昌，吴峰汽车开关研究现状和发展趋势[J]汽车实用技术，2019（9）：241-244

[3]唐伎玲，费树明，王乐乐，等嵌入式汽车开关耐久性检测试验台接口[J]长春工业大学学报，2020，41（6）：608-612

[4]李念峰，赵丹华，高鹏，等车用仪表开关疲劳寿命检测系统研究[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication（SEMC 2011 V1），2011：332-334

[5]白瑶，黄昶分布式实时车用开关耐久性测试原理[J]信息技术，2012，36（11）：140-141+144

[6]李尚林基于LabVIEW的玻璃升降器耐久测试设备研究[D]长沙：湖南大学，2020

[7]唐伎玲，費树明车用组合开关耐久性检测系统设计与关键技术[J]汽车技术，2020（5）：59-62

[8]费树明汽车组合开关耐久性检测试验台设计[D]长春：长春工业大学，2019

[9]ISO 11898-1：2015-12 Road vehicles-Controller area network（CAN）-Part 1：Data link layer and physical signalling[S]

[10]陈树学，刘萱LabVIEW宝典[M]2版北京：电子工业出版社， 2017

作者简介：

林摇杰，男，1987年，工程师，研究方向为汽车电子产品的可靠性试验验证与分析。