基于虛擬儀器的程控FIU設計

蔡永祥 丁光林 張云龍

基于虛擬儀器的程控FIU設計

蔡永祥 丁光林 張云龍

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

使用自行開發的故障注入板卡組成故障注入箱，串聯在ECU與硬件在環（HIL）系統之間，通過CAN總線或串口控制，實現任一通道的開路、對地或對電源短路及任意兩通道之間短路故障注入?；贜I公司的LabVIEW軟件編寫上位控制界面，支持一鍵導入各通道故障注入模式配置文件，使用靈活可靠。

程控 FIU HIL LabVIEW

引言

為提高車輛動力性、舒適性與排放性，大量電控模塊被應用到汽車上。HIL系統是ECU開發工作中必不可少的平臺，應用該技術可有效地縮短開發周期、降低開發成本。[1]

故障注入單元（Fault Injection Unit，FIU）是一種升級仿真系統的簡便方法，其可串聯在ECU與HIL系統之間，通過程控實現任一通道的開路、對地或對電源短路及任意兩通道之間短路故障注入，而無需額外配置。

本文使用自行開發的故障注入板卡組成故障注入單元，該FIU提供90個通道，單通道上允許通過的電流可達10A，具有7種故障注入模式，可用于執行器故障注入，也能用于傳感器故障注入。

圖1　帶FIU的HIL系統簡圖

1 系統方案

該FIU主要由9塊故障注入板卡組成，開關類型為繼電器，使用12V電源。依據測試需求，編寫了MCU控制程序。

基于NI LabVIEW編寫上位控制界面，包括導入測試用例配置文件、多通道故障注入、監控故障注入后的ECU相應狀態等。上位控制界面通過RS232或CAN與FIU通信。

2 硬件設計

故障注入單元可整合到大型測試機柜內部，也可作為單獨的設備使用。

故障注入單元的前面板如下圖所示：

圖2　故障注入單元前面板

故障注入功能通過板卡實現。每塊板卡上有20個繼電器和10個通道，每個通道中使用2個繼電器。一個繼電器中有兩個開關，即單個通道由4個開關控制。板卡一端接ECU，另一端接負載，其原理簡圖如下：

圖3　故障注入板卡原理圖

當K42、K11、K40和K41四個開關均斷開時，ECU與負載接通，此為正常狀況。其余開關狀態與故障模式的對應關系如表1所示：

表1　開關狀態與其所對應的故障模式

3 軟件設計

3.1 板卡MCU程序

故障注入板卡的核心是微處理器。本文選用16位微處理器，用C語言編寫其控制程序?；诖顺绦?，所有的板卡可以通過CAN或串行通信端口RS232來控制。各個板卡之間通過不同的地址來識別，地址通過板卡上的撥碼開關設置。為了避免在一條線中傳輸多個信號，必須先設置板卡地址，才能實現故障注入功能。

圖4　FIU故障注入板卡

RS232串行通信格式為9600波特率、1起始位、1停止位、無奇偶校驗位。用串口通信控制時，有兩種故障注入方式：

故障注入方式一：故障能夠持續任意時間，直至人為停止故障注入。故障注入方式二：故障持續特定時間，然后自動恢復為正常狀態。開關切換的速度很快，其動作時間的典型值為3ms、釋放時間的典型值為1.3ms，能夠仿真松動的觸點、或在十分精確的時段內注入故障。

用CAN通信控制時，可實現故障注入方式一。CAN報文共有8個字節，其中前7個字節用于設置寄存器狀態，每個字節的高四位為板卡通道，低四位為相應通道狀態，最后一個字節為命令字節，無效時設置為0xFF。0xF0用于板卡所有通道狀態寄存器清零、繼電器恢復正常，本報文其他指令同時也為無效。0xFE用于設置狀態寄存器響應到繼電器輸出。

3.2 上位控制界面

通過串口通信控制時，微控制器僅能夠識別數據位形式的指令。這種指令十分抽象，不便于測試人員使用。為了直觀、方便操作、提高測試效率，本文使用LabVIEW軟件編寫了故障注入單元的上位機控制界面。

圖5　FIU上位機控制程序

控制界面左側上方用于配置測試信息，包括測試設備配置文件和測試用例表格；左側下方用于輸入控制指令，包括延時任意時間、延時特定時間、清除故障等。

ECU的診斷功能必須在指定時間內檢測每個故障。該程序提供FIU狀態追蹤顯示，可以測量或標繪FIU狀態，從而監控故障注入之后ECU的故障碼和相應狀態。因此，控制界面右側能夠選擇并顯示所有通道的故障狀態。

其程序框圖如圖6。

圖6　FIU程序框圖

手動版測試程序具有導入測試用例表格的功能，優點如下：

（1）測試人員能夠按照一定的格式更改測試項信息，增加程序應用的廣泛性；（2）方便測試人員實時掌握測試項信息；（3）防止因誤操作而引起的硬件損壞：測試人員需要選擇某一通道的某個故障注入功能是否可用。被禁用的故障注入功能不會出現在故障狀態選項中，防止特定通道電流過大而燒毀被測件或其他設備，從而達到保護硬件的目的。

測試開始時，首先導入測試設備配置文件和測試用例表格。點擊延時任意時間，然后點擊某一通道，即可選擇該通道的正常狀況和7種故障狀態（若故障注入功能均未被禁用）。對某一通道進行故障注入后，再選擇正常狀況，該通道即正常接通。點擊清除故障，則所有通道復位，故障被全部清除。此為故障注入方式一，可以按順序對多個通道進行不同的故障注入。

導入文件后，點擊延時特定時間，完成對通道故障狀態的選擇，接著在相應通道右側輸入故障持續時間，故障即被注入，在此期間任何命令不起作用。到時間后所有通道自動復位。該功能可以在精確的時間內對多個通道進行不同的故障注入。測試用例文檔如圖7所示。

圖7　診斷DTC測試用例表格

測試用例表格中未使用的通道在程序界面上同樣被禁止，防止對測試工作造成干擾。

4 結束語

本文所述的基于虛擬儀器的FIU，一方面可以集成到HIL測試系統中，完成對ECU的故障注入，增加ECU測試的完整性和可靠性，縮短ECU的開發周期。另一方可以用于診斷功能測試，大大提高測試效率，測試人員能夠將精力集中在測試用例上。而完善的診斷功能測試可以提高車輛維修的效率，增加整車的可靠性。

利用LabVIEW軟件編寫的FIU上位機控制軟件，具有故障注入狀態追蹤顯示、多通道故障注入、防止誤操作等功能，能夠幫助測試人員高效地完成對ECU的診斷測試。

目前，該FIU及其上位機程序已成功應用于某主機廠新車型的功能與診斷DTC測試中。

[1]魏勝鋒，王紹銧等.發動機實時模擬系統中的發動機模型及其應用[J].內燃機工程，2002，24（6）：62-64.

[2]胡建軍，趙玉省，秦大同.基于CAN通信的混合動力系統硬件在環仿真實驗[J].中國機械工程，2008，19（3）：300-304.

[3]孫宏軍，張濤，王超，等.智能儀器儀表[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

Design of Remote-Controlled Fault Injection Unit Based on Visual Instrument

CAI Yongxiang, DING Guanglin, ZHANG Yunlong
(China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300)

The fault injection unit composed of self-developed fault injection boards can be interconnected in series between ECU and HIL system. The unit controlled via one serial communication port RS232 or CAN is able to make the channel an open circuit, shorted to the ground, to the UBat or to any user-defined channel. The host computer program written by NI LabVIEW supports importing the configuration file for fault injection mode of each channel by one click, proved to be flexible and reliable.

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