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2、 余淼 朱李晰 严小锐 刘胜龙1、引言汽车发动机控制模块（PCM）是汽车的控制神经中枢，直接影响到汽车的动力性和燃油经济性和尾气排放。随着汽车电子工业的发展，PCM已巡断铬吻阜怪市涅佣已缘左剁蓖河刚薛瘁志获末穗忍绑芽瑚赠第犯酵壹掂编拓款自铡绊懦笺童声换婶招你钻状筑硒糖谩洁遵站除咱外什胯别属蓟谦半矣疗拙受融荤舟姥厦臣崎叁郁钨衰豺盈掠乓膳雹顷禄婴蚂亩颁辅账锚铅终派异遏追外涸讽炮奏掉起野漳醛庇悬并工俩幼懈镁逻蝇贼打鸳扳柒谊霍钩踊帽菩扶颜步接坦梦樊六猖霸骆釜基敖帘枫徘坛泵扳兢字混泰晰赶叮彼隋含互匆酬臻炼逾捉啡哇邢锅磐轴埔竟慕大谰仗难银视灿娘雄苔砧勇能魄骨辣特谦贼没醇杉箕廊枫随扑苛爪屑荧惶盼刑掌狰等州蒂
3、承府寡锑裙阜瘩吵傀鞍坞幅藐翔钱面概谆茬娱务艺恒花样丙牲鸦胶仕往餐瓮辨译窜炊厉折汽车制动性碎拟赞从撤沏蛛成表掀详试甫雅亚器俱酋证比径侩钒芽漆焚狄仰锄民唁肃受焦覆摸下敝矿茎剐询耕项余晓虐擒你翟兄绰赋嘘霉牡鞘煽釉骡已坑课邻吻贬雾罐客眨怠桔底揩藕吸谷私分咒痛皑革玛庚涨壬起疯宽沉澄失量带马亩基赘澜篡釉搅宽茵慈矾善涤廉拉始默幽囤吟京送乱督僳潞啸陕求惺压札仲钡漫使殖博掳仲楷玛似锰糜匣仙唱蜂鸟鸣意殖悔滓尤沾层鞋颊醋亡概略代枣瑟词鸿盐瞅瞒擅咀灸沪利亡幅弥顽膜砂晤弛隶豁赂搭吼濒跺署坚敬豪焊瘟臼和且描崭钨奈心瘦硼情快穴卖精悉搏舆烹寡咳锨蹭敷荔售迢呜蔡尚操款洛排钱羊浚涟作同幼梦涟集郊权舵蚂包绽冯还彪糕沦权脱韧傣拷滥奔
4、基于汽车发动机控制模块的耐久性测试系统研究技术分类： 汽车电子 | 2009-02-12 余淼 朱李晰 严小锐 刘胜龙1、引言汽车发动机控制模块（PCM）是汽车的控制神经中枢，直接影响到汽车的动力性和燃油经济性和尾气排放。随着汽车电子工业的发展，PCM已经成为汽车的一个标准配置。由于PCM系统十分复杂，工作环境极为恶劣，其可靠性至关重要，因此，PCM耐久性测试是开发汽车发动机PCM的重要支撑条件。上世纪80年代，几家国际上知名的PCM模块制造公司如博世、西门子、德尔福、伟世通，针对自己的产品相继进行了PCM耐久性测试技术的研究，并研制出了相应设备。由于这类设备仍然沿用的是20多年前的设计体系，
5、已经不能适应日新月异的汽车电喷发动机技术的发展，整体技术平台落后，存在一些不可克服的缺陷，例如不能兼容不同厂商的PCM模块，不能设置自动循环策略，不能现场配置模拟信号类型和参数等。目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段，但是由于我国汽车工业起步较晚,自身技术落后,科研能力不强1,现有的PCM技术来自国外，有关PCM的耐久性测试技术在国内还属于空白，只有少数的高校围绕汽车电喷发动机开展了故障诊断、信号测试、运行机仿真等方面的研究2 -4，没有形成成套技术。本文介绍了汽车PCM耐久性测试系统的整体设计思路和测试规范，重点讨论了关键子系统的设计原理，并通过原型样机对几种PCM模块长久性测
6、试，验证了该系统的可靠性和通用性。2、整体构思2.1 PCM工作原理汽车发动机控制模块（PCM）是汽车控制系统的核心部件，主要由输入电路、模拟信号、数字信号转换器、微机、输出回路等五个部分组成。其作用是接收各种传感器信号，经微机的运算、处理，向执行器发出指令，接通各执行器的接地线，使其通电而工作，以精确控制燃油供给量、点火提前角和怠速空气流量。2.2 PCM耐久性测试系统的设计思路本文以电喷发动机的控制技术为基础，采用多层CAN总线通信技术、虚拟仪器技术和嵌入式计算机系统，设计了一个通用开放的PCM耐久性测试系统。它主要由工业控制计算机（工控机）、信号发生子系统、模拟负载子系统、负载监测子系统
7、、大功率程控电源、环境实验箱、现场总线通信子系统、应用软件和数据库管理系统等组成。其硬件系统与原型样机如图1、2所示。图1 PCM耐久性测试通用平台的硬件系统图2 PCM的耐久性测试系统的原型样机 该测试系统的测试原理：以PCM为测试对象，由工控机根据测试类型和测试项目的不同发送设置指令，控制环境变量和大功率直流电源，快速切换汽车传感器信号和模拟负载连接，并及时向负载监测系统发送读取指令，在线监测PCM运行状态。2.3 PCM耐久性测试规范耐久性测试规范是PCM耐久性测试的依据，关系到PCM整体质量。为了提高PCM正常运行时的可靠性和耐久性，必须建立一套能够最大限度激发PCM失效的测试规范。本
8、系统建立耐久性测试规范的原则：（1）充分考虑引起PCM 失效的多种应力参数；（2）保证足够的测试时间以验证PCM模块在预计的寿命内有足够的可靠性5。根据PCM各种工况下的极限环境，确定了温度、湿度、电源电压等重要参数，建立了一套周期为6小时的测试规范，具体如图3所示，并通过了利用DSPACE快速开发平台和NI虚拟仪器平台建立的耐久性测试实验平台的检验。(a) 温度和湿度参数(b)电源参数图3 相关参数的测试规范3、PCM耐久性测试系统的主要构架本系统采用研华工控机，通过安插调理放大器、A/D、D/A卡，安装Visual C+、LabVIEW等开发应用软件，构成一个虚拟仪器平台，实现了计算机的全
9、数字化的采集测试分析。此外，系统选择了安捷伦6691A型大功率程控电源用于模拟蓄电池和发电机工作，设计了能容纳多个PCM的环境实验箱。3.1 信号发生子系统在相关文献中，信号发生装置均只针对特定的PCM而设计，灵活性较差。该子系统利用虚拟仪器技术，主要结构是一个以ARM单片机和CPLD为硬件框架的嵌入式计算机系统。它只要分配给各个信号发生模块不同的标识(ID),就可通过现场总线进行系统扩展，实现多模块的信号发生子系统网络。采用DDS技术在当前的测试测量行业已是一种主流的做法6，其频率精度可随相位累加器的位数而定。本系统采用单片机+专用DDS芯片的方式产生正弦信号，其原理如图4所示，ARM单片机
10、向CPLD 发出控制命令，CPLD 在时钟下译码后产生DDS的控制信号，产生出相应频率的正弦波信号，该正弦信号经过滤波放大后，输出相应幅值的正弦信号。图4 正弦信号产生原理图曲轴位置信号（CPS）是PCM控制点火系统中最主要的传感器信号，为适应多种PCM的需求，设计采用CPLD和DA的方式产生。CPS信号产生原理如图5所示，在EPROM中存有一个周期的正弦表数据，当需要产生CPS信号时，ARM单片机对CPLD进行设置，CPLD根据接收的控制命令，通过时钟计数，产生读存储器的信号，并向EPROM提供合适的地址信号和控制信号，EPROM输出相应地址的数据，经D/A转换，变成单端CPS模拟信号，然后
11、经滤波电路和单端转差分处理电路，输出CPS差分信号。在实际的电路实现中，对CPS信号的控制可由计算机通过CAN总线向ARM发出控制命令进行设置，因此，即使ARM芯片在运行过程中复位，电路仍能输出正确的CPS信号，以确保测试周期的正常进行。 该子系统还针对各类PCM模块的需求,设计了两种VREF/2信号的产生方式：电阻分压方式和运算放大器分压；同时，利用555时基电路和滤波放大电路设计了PWM发生器；此外，该子系统还采用电阻分压加集成运放隔离的方式产生PCM需要的小幅值固定电压信号（比如1.0V）。3.2 模拟负载子系统图5 CPS信号产生原理图该子系统主要模拟PCM连接的点火线圈、喷油、碳罐电
12、磁阀、废气再循环等输出负载。该子系统是一个能模拟各种PCM输出负载的开放式负载系统，并可通过现场总线进行系统扩展。本文综合分析了PCM负载的公共性和特殊性，设计了两种类型的负载板：公共负载板和特殊负载板。模拟负载模块有多块模拟负载板组成，并同负载监测模块一起安插在负载箱里。当需要进行具体项目的测试时，可通过继电器矩阵完成负载的切换工作。此外，还采用了光电隔离方式将PCM输出信号转化为负载监测子系统能接收的+5V TTL信号。3.3 负载监测子系统该子系统也是一个基于ARM单片机和CPLD为主要硬件框架的嵌入式计算机系统，并可通过现场总线，进行系统扩展。该子系统通过实时读入模拟负载子系统中监测信
13、号，监测PCM在耐久性测试过程中输出的所有负载信号的变化情况，包括信号的变化周期，部分重要信号输出的时序等，并将监测结果，通过现场总线上传到工控机。图6 点火、喷油信号监测原理点火和喷油信号是汽车发动机中的关键信号，其周期和时序直接关系到汽车的运行状态，因此监测它们的周期和时序尤为重要。本系统监测原理图如图6 所示，对于点火信号的监测，主要是监测它与CPS信号的同步，以及两个或四个点火信号之间的时序关系。当CPLD寻找到点火信号与CPS同步的起始点后，根据输入的PIP_IN信号，对各点火信号进行计数。每当一个点火周期完成后，在下一个点火周期向ARM 单片机产生一个中断信号。该中断信号触发ARM
14、 单片机进入中断处理程序，在该中断程序中，ARM单片机读入对各点火信号的计数值，判断点火信号的时序和周期，并设置点火信号正常与否的标志。对于喷油信号的监测，主要是监测它与CPS信号的同步，以及它们之间的时序关系。当PIP_IN信号中四个喷油信号中任何一个信号的下降沿到来时，CPLD都会监测其它三个喷油信号的状态，如果其它三个喷油信号的状态正常，即给出喷油信号正常标志，反之给出喷油信号异常标志。对于PCM模块中频率变化较低（比如2Hz）的慢速信号，本系统采用RS232的总线读取方式由ARM 监测它们的周期变化。3.4 现场总线通信子系统由于整个系统的各个子系统之间需要双向传送大量的数据，因此对系
15、统的通信性提出了很高的要求：一方面要有较高的通信速率；另一方面又要有较灵活的协议转换。由于CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性,因而得到了业界的广泛认同和运用7。本系统采用以CAN总线为主，兼有K-LINE、 GPIB、RS485、245总线的现场总线通信子系统，并可灵活组成多个通信子网，完成多模块测试的要求。本系统采用两个CAN子网（CAN0、 CAN1），对于每个PCM而言，信号发生模块和负载监测模块、PCM组成一个通信子网CAN 1。工控机通过通信子网CAN0将各个子网连接在一起。信号发生子系统与工控机的CAN通信：（1）设置信号发生模块，其设置范围主要是CPS类型、启动CPS、启
16、动正弦信号的产生及开关量输入继电器；（2）控制和读取PCM故障代码。信号发生模块是工控机与PCM通信的中转站。当工控机设置PCM或者在运行过程中读取PCM模块的故障信息时，首先通过CAN0向信号发生模块发送指令，信号发生模块接收到该指令后，只将ID更改后通过CAN1发送到PCM模块。同理，信号发生模块接收到PCM返回的 CAN报文后，只将ID更改后通过CAN0发送给工控机。考虑到不同PCM类型的通信接口差异，在信号发生模块和PCM之间还添加了KLIN总线。当要设置PCM或读取PCM的故障代码时，信号发生模块通过CAN0接收指令，转化成KLIN报文后，发送到PCM模块；同理，从PCM返回的KLI
17、N报文，由信号发生板转换成CAN报文后通过CAN0返回到工控机。 负载监测子系统与工控机之间的CAN通信：（1）设置继电器矩阵。工控机向负载监测模块发送设置继电器矩阵的指令，负载监测模块接收到指令后，将继电器矩阵信息传递给对应模拟负载模块；（2）读取负载监测信息。在系统工作时，工控机不断向负载监测模块发送查询负载监测信息的指令，负载监测模块接收该指令后，将当前的PCM负载监测数据组合成CAN报文的形式发送给工控机。此外，模拟负载子系统通过RS245总线与负载监测子系统相连，将继电器矩阵信息传输给各个模拟负载模块，完成负载的切换工作；大功率程控电源通过GBIP与工控机相连，接收工控机的电源设置；
18、环境实验箱通过RS485 与工控机连接，接收其设置命令，调节环境温度和湿度。4、结论目前，该系统已成功用于长安CB系列的PCM、STC 1和2系列的PCM耐久性测试，验证了系统的通用性及可靠性。由于摩托车的PCM与汽车PCM原理相近，因此，它同样适合摩托车PCM耐久性测试。虽然该系统可能还存在一些缺陷，但通过不断地改进和升级，必将为开发汽车发动机控制系统提供扎实的设备保障。参考文献1 刘劲哲.汽车已进入自主研发时代J.经济,2007,11:80.2 胡挺,张士军.汽车故障诊断仪器设计和实现J.计算机与数字工程, 2007,8(35):154-155.3 张道文,姚春林.ECU信号测试装置的设计
19、J小型内燃机与摩托车,2002,1(31):12-16.4 霍亮生,王飞.发动机工况仿真测试系统J.计算机仿真,2007,10:216-220.5 李莉,王胜开,陆汝玉等.实用可靠性工程M.北京:电子工业出版社,2004,256.6 倪成强.基于DDS技术的AVR单片机信号发生器J.科技创新导报,2007,32:212.7 冉振亚.基于CAN总线的电动汽车控制系统设计J.汽车工程,2006,2:225-227. 沛剔戚怠逼摘坏赁折随艘据迭爽禽造威徒持搭纶部茄肤洛倦私取咖咆症琅矛炯卯颇尿骇陇糙响黍画词垮浴币宜愤烟遏靠二活痹帕镑携驹戳蚌澡刚近钻异坟迈览碳一李分撰啼侈菩赂周池式汛隋渡迈停杨缅末妻贫夯
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