商用車電性能虛擬綜合測試系統研究

高美芹

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車電性能虛擬綜合測試系統研究

高美芹

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于虛擬儀器構建商用車電性能綜合測試系統，以滿足整車條件下商用車電量平衡測試需要，為電器部件匹配選型提供測試手段。首先對測試系統硬件進行選型，設計以美國NI cRIO-9033控制器為核心的測試系統，實現對發電機和蓄電池端電壓和電流、發動機轉速及車速、溫度等信號的同步采集。然后給出測試系統的虛擬軟件設計方案，采用多線程和狀態機技術，提高了軟件運行實時性和好的人機交互性能，同時占用硬件資源少。最后進行商用車電性能虛擬綜合測試系統的場地實車試驗，試驗驗證了本系統工作的可靠性。

商用車；電性能；測試系統；虛擬儀器；試驗

隨著汽車電子技術的發展，商用車電器件日益增多且功能復雜，在有效提高駕駛舒適性和行車安全性的同時也給電器件選型匹配提出挑戰［1-2］。合理的電器件匹配選型可以優化提高商用車動力性和經濟性能，如智能發電機、空調壓縮機選型、整車電源系統設計等，特別是汽車電氣系統的電平衡，對載重情況和運行工況復雜多變的商用車顯得尤為重要［3］。當前，對商用車性能測試研究主要集中在電控系統測試技術，如電子穩定性系統、自動變速器系統測試技術、電動助力轉向等［4-6］，以及發動機性能研究［7］，且逐步向便攜式、虛擬儀器方向發展［1，8］，但對整車電性能測試研究文獻較少。

本文研究商用車電性能虛擬測試系統，選用美國NI虛擬儀器硬件和LabVIEW開發環境，實現發電機與蓄電池端的電壓和電流，發電機線圈和蓄電池樁頭溫度，以及發動機轉速、車速等物理量的實時同步測試，為商用車電性能綜合評估、電器部件選型優化分析等提供有效手段。

1 系統硬件設計

1.1 測試系統硬件結構

構建如圖1所示的測試系統硬件結構，實現商用車蓄電池和發電機端電壓、電流，蓄電池樁頭和發電機線圈溫度，以及發動機轉速、車速等信息的實時同步采集、數據記錄和分析。整個系統包括傳感器、數據采集器和上位機便攜式計算機3部分。

車載數據采集器選用美國NI公司的嵌入式實時控制器cRIO 9033及C模塊（NI 9853、NI 9229、NI 9205、NI 9214）［9］，可靠性均為工業級，工作溫度-40～70 ℃?？刂破髦刑峁〧PGA硬件，通過編程可使得系統工作實時性和可靠性更高。

系統選用日本日置電機株式會社（HIOKI）的CT686X系列鉗式電流傳感器，體積小巧，非接觸感應式測量，現場安裝方便。轉速和車速信息通過整車的OBDⅡ口獲得。對于CAN通信的車輛且有CAN的.dbc文件，可通過NI 9853模塊進行采集；對于K線通信或無.dbc文件的CAN通信車輛，使用ELM327和控制器串口同步采集發動機轉速及車速信息。

圖1 測試系統硬件結構框圖

2 系統軟件設計

測試軟件基于美國NI LabVIEW開發，包括運行在數據采集器中的FPGA軟件和實時RT軟件，以及運行在上位機中的數據采集與分析軟件。FPGA軟件和RT軟件要求保證數據采集的準確性和實時性；上位機軟件要求實現簡潔易讀，并且界面友好、操作簡潔。

2.1 FPGA和RT軟件架構

實時控制器cRIO 9033中包括1.33 GHz雙核Intel Atom處理器、Xilinx Kintex-7 160T FPGA［10］，可實現高速控制、在線處理和自定義定時和觸發，控制器需要通過FPGA訪問C模塊。系統基于FPGA實現電壓和電流、溫度、指定發動機OBD CAN信息等3組信號的同步采集，并分別送入對應FIFO供控制器讀取。

控制器中運行的NI Linux 實時系統，主要工作包括硬件（包括C模塊）初始化、通過串口對K線信息讀取、對FPGA送上來的FIFO信息實時讀取與處理、所有測試數據的同步打包、采樣數據的UDP上傳至上位機、通過UDP實時接收上位機的設置更改等［11-12］。各項工作通過獨立的多線程while循環進行，各循環間通過功能性全局變量實現數據傳遞與共享。FPGA和RT軟件架構見圖2。

使用DMA在FPGA與實時硬件之間傳遞高速數據。創建FIFO，并選擇target-to-host作為其傳遞類型，數據將自動從FIFO傳遞到實時控制器RAM中的數據緩沖區。

圖2 FPGA和RT軟件架構

圖3 上位機軟件架構

2.2 基于狀態機架構的上位機軟件設計

上位機軟件主要功能包括與數據采集器進行UDP通信，采樣頻率、保存路徑、傳感器標零等配置，數據處理、顯示與保存，歷史數據查看及簡單數據處理，試驗報告自動生成等。其中人機交互部分采用狀態機架構設計，實現開始試驗、結束試驗、退出程序及調用參數配置、數據查看、生成報告子VI等功能，保證系統可靠實時運行。軟件中采用多線程技術，采用4個獨立的while循環，分別實現狀態機控制、UDP通信、數據處理顯示和數據保存等功能，有效提高了系統運行可靠性。上位機軟件架構見圖3。

狀態機控制循環與其他循環之間的數據及控制信息傳遞通過功能全局變量實現。功能全局變量作為一個單獨的子VI，在while循環中通過未初始化的移位寄存器保存數據，其原理如圖4所示。利用這種方法，實現在1個VI中設置多個變量而不會出現混亂。

軟件將數據接收和數據處理工作分開進行，避免數據處理占用時間長干擾數據接收，導致數據丟包。隊列讀寫采用先入先出方式，即上位機接收到數據后將數據寫入隊列尾，數據處理循環從隊列開頭讀取數據進行數據處理。

圖4 功能全局變量原理

圖5為上位機軟件界面示例，界面簡潔，通過菜單欄和快捷鍵方式進行人機交互操作，試驗過程控制簡便。主界面實時顯示各測試參數曲線、數值等，控制試驗開始、結束，進入參數配置、數據查看、生成報告等子Ⅵ；參數配置實現文件保存相關參數（文件路徑、文件名稱等）的配置、測試通道、OBD Ⅱ測試方法選擇、電流傳感器清零等相關配置；數據查看實現歷史數據的查看，簡單的數據統計功能；試驗報告生成實現根據固定試驗報告模板生成試驗報告功能。

圖5 上位機軟件界面

3 實車試驗

在江淮技術中心使用圖1所示測試系統對江淮某重型商用車進行部分電性能參數測試試驗。

試驗設備安裝實物如圖6所示。試驗安裝2路電流傳感器，分別安裝在蓄電池和發電機回路中；2路電壓探頭，分別安裝在蓄電池接線樁和發電機接線端；2路K型熱電偶，分別安裝在發電機線圈和蓄電池接線樁上；ELM 327接在車輛的OBD Ⅱ口，采集整車發動機轉速信息。

圖6 試驗設備安裝實物圖

共進行3組電性能測試試驗。第1組測試長時電平衡試驗。發動機起動后，怠速，打開全部電器附件，包括收音機、空調、刮水器、遠光燈、近光燈、前后霧燈、位置燈、雙閃，試驗采集1 200 s左右的數據，如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 怠速多電器部件打開測試電流曲線

第2組測試單個電器部件用電量。取其中典型的空調、刮水器、前后霧燈、轉向燈，其電壓電流曲線如圖10、圖11、圖12、圖13所示。圖10為單獨打開空調的電壓、電流曲線，時間在85 s左右打開了空調的AC按鍵，導致電壓、電流增大；圖11為單獨打開刮水器的電壓、電流曲線，在35 s左右，將刮水器執行速度調為慢速，導致電壓、電流減??；圖12為單獨打開霧燈的電壓、電流曲線，40 s之前打開前霧燈，40 s打開后霧燈，導致電壓、電流增大；圖13為單獨打開轉向燈的電壓、電流曲線。

圖8 怠速多電器部件打開測試電壓曲線

圖9 怠速多電器部件打開測試溫度曲線

圖10 單獨打開空調測試電壓電流曲線

圖11 單獨打開刮水測試電壓電流曲線

圖12 單獨打開霧燈測試電壓電流曲線

圖13 單獨打開轉向燈測試電壓電流曲線

第3組測試按收音機、空調、刮水器、近光燈、遠光燈、前霧燈、后霧燈、轉向燈、雙閃的順序，逐個打開用電器，然后按照相反的順序逐個關閉用電器的電壓電流曲線如圖14所示，測試過程的轉速變化如圖15所示。圖14中在24 s左右，發動機轉速突然增大至700 r/min左右是因為打開空調所致。

圖14 逐個打開用電器電壓電流測試曲線

圖15 逐個打開用電器轉速測試曲線

4 結論

1）基于虛擬儀器搭建電性能綜合測試系統，通過實車試驗驗證了系統整體功能和工作可靠性。

2）本測試系統為虛擬測試系統，可以方便地擴展其他參數測試功能，系統可為商用車電性能綜合評估、電器部件選型優化分析提供有效手段。

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（編輯 凌 波）

Research on Virtual Test System for Commercial Vehicle Electrical Performance

GAO Mei-qin
（Anhui Jianghuai Automotive Group Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

The test system is developed for the study of commercial vehicle electrical performance based on the virtual test technology， which aims to meet test requirements on the commercial vehicle power balance performance.Firstly， the hardware selection is determined and the NI cRIO-9033 controller based test system is designed， which could achieve synchronous acquisition of the generator and battery terminal voltage and current， engine speed and vehicle velocity， temperature， etc. Then， the virtual software design of the test system is described in detail， in which the multithreading and state machine technologies are employed to improve the system running in real time and to obtain outstanding human-computer interaction performance with lower hardware resource occupation rate. Finally，field tests are conducted which proves the reliability of the system.

commercial vehicle；electrical performance；test system；virtual instrument；test

U467.521

A

1003-8639（2017）07-0007-05

2017-04-21

高美芹（1982-），女，工程師，碩士，主要負責中重型載貨汽車電氣系統設計開發工作。