2020年08月21日 | 基于​PXI​的​纯​电​动​车​整​车​控制​策略​测试​平台​开发

 "整车控制器统筹车内各部件协调工作，是纯电动车整车的核心部件之一，本文借助NI公司的LabVIEW和PXI平台，为纯电动车的整车控制器开发了策略测试台架，对控制器的控制策略进行测试和验证。测试台架现已交付主机厂即使用，用户使用反映良好，今后则将根据用户需求不断对测试台架进行优化，丰富测试台架功能。"

- 庄 锐

挑战:

整车控制器（Vchicle Control Unit，VCU），是纯电动车三大核心零部件之一，对汽车的正常行驶、安全性、再生能量回馈、网络管理、故障诊断与处理、车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。控制器硬件往往包含CAN总线以及模拟、数字、PWM等各类硬线通道，其内部的控制策略则通常是一个复杂的状态机。测试环节应该是为研发服务的，实际上在控制器的开发过程中，其硬件接口、总线协议、内部控制策略，都会不断的升级更新。因此不仅要实现测试平台的测试功能，还要提高设备的灵活性和开放性，让测试人员能够应对复杂多变的测试任务。

解决方案:

本测试平台主要关注控制器V字型开发的右侧，也就是用于控制器开发的测试环节，为控制器的测试与验证提供一种手段。本测试平台将测试用例和测试功能独立开，并将测试用例的设计留给测试人员，这样在控制器软硬件升级后，测试平台依然能够满足其测试需要。测试平台对所有硬件资源进行整合，包括模拟、数字、PWM等硬线通道，以及CAN总线通信协议。所有资源都以信号的方式开放给测试人员，测试人员能够配置和调用各类资源，并以此为基础编辑和导入测试用例，进而对控制器进行自动化测试，最后将测试结果生成测试报表。

1. 项目背景

国家大力发展纯电动汽车产业，对于环保和可持续发展的考虑是一方面，另一方面则是以此为契机发展自主品牌。纯电动汽车以动力电池包作为能量来源，以电动机作为车辆行驶动力源，其核心技术也正是体现在整车控制器、电机控制器以及电池管理系统上。发展自主品牌的基本要求便是要掌握核心技术，对于纯电动汽车产业而言，正是体现在必须掌握其三大电控单元的开发技术。测试作为研发的一个重要环节，其重要性也不容忽视。

2. 控制策略测试平台总体设计

对于整车控制器而言，其本身可以分为控制器硬件和控制器中的嵌入式软件两大部分。整车控制器硬件通常结构较为清晰明了，主要包括主控芯片的最小系统以及相应的外围接口电路。如果不考虑具体芯片型号以及实际运用的具体外设，而只考虑整车控制器的一般性功能，整车控制器硬件功能结构如图1所示。

图1 整车控制器硬件结构图

整车控制器作为纯电动车整车的一个部分，当整车控制器放置于实际车辆上运行的时候，由车载蓄电池为整车控制器供电，实车上的踏板、档位以及各传感器提供整车控制器必要激励信号，其余电控单元接收整车控制器所发出的各类指令，并反馈当前的状态给整车控制器。考虑比较普遍的情况，整车控制器接口类型如表1所示。

 表1 台架需要支持的接口类型

在开始对整车控制器进行测试时，台架会按照测试用例逐条给出激励信号，同时逐条判断反馈信号，关于测试用例和其编辑部分将在后面介绍。为了使程序逻辑更清晰且提高程序的扩展性，测试台架整体结构如图2所示。

3 板卡控制部分程序实现

上一节给出的整体结构将测试平台分为板卡控制部分以及测试功能实现部分。这一节主要实现板卡的控制部分程序。

3.1 DAQmx数据采集输出部分

利用DAQmx进行信号的采集时，通常包含以下几个步骤：创建虚拟通道、设置采样频率、启动任务、采集数据、存储数据、停止任务、清除任务。DAQmx的一个典型流程图如图3所示。

3.2 CAN总线收发部分  

实现CAN总线收发通常包括以下几个步骤：创建接收会话、创建发送会话、设置波特率、开始会话、读或写CAN报文、停止会话、清除会话。一个典型的程序CAN总线收发流程图如4所示。

图2 测试台架整体结构

图3 DAQmx数据采集输出流程

图4 CAN总线收发流程图

4 . 测试功能实现

如果测试平台程序按功能划分，主要实现以下功能：

1）控制器硬线接口配置：按照待测控制器接口定义配置设备硬件通道。

2）CAN总线通信协议配置：导入CANdb++配置的CAN通信协议。

3）测试用例的配置：导入Excel编辑的测试用例文件。

4）控制策略测试：根据测试用例对控制策略进行测试。

5）控制器耐久测试：对控制器进行循环耐久测试。

6）实时信号观测：观察或控制设备各通道输入输出。

4.1 控制器硬线接口配置

接口配置主要分为模拟激励通道、模拟反馈通道、数字激励通道、数字反馈通道、PWM激励通道、PWM反馈通道，也即除CAN通道外的所有硬线通道。整车控制器接口配置界面如图5所示。

图5 整车控制器接口配置界面

为了节省重复硬线配置过程所花费的时间，并降低输入过程可能出现的错误，测试软件支持硬线配置文件的导入。将所有接口信息写入配置文件，并在测试软件界面中导入该文件来实现信息录入，配置文件实际上是一个Excel文档，Excel文档的一个简单例子如表2所示。

表2 硬线配置文件示例

表格主要内容为：信号类型，信号名称，物理通道，缩放系数，偏移量，以及针对PWM信号的频率。

1）信号类型，这里采用英文缩写来表示，主要分为以下几类。

 AO：模拟信号输出通道，用于给VCU模拟信号激励

 AI：模拟信号输入，用于采集VCU模拟信号反馈

 DO：数字信号输出通道，用于给VCU数字信号激励

 DI：数字信号输入，用于采集VCU数字信号反馈

 PO：频率信号输出通道，用于给VCU频率信号激励

PI：频率信号输入，用于采集VCU频率信号反馈

2）信号名称，主要用于信号和后面将用到的测试用例进行关联，因此信号名称必须和测试用例中的信号名称一致。

3）物理通道，为了便于编写和现场操作，物理通道用BOB盒子编号来表示，软件将根据编号自动关联具体的物理通道。

4）缩放系数以及偏移量，表示物理量取值和实际信号电压之间的关系。这两个参数主要针对模拟信号。

4.2  CAN总线通信协议配置

平台软件支持DBC文件的解析，利用CANdb++生成的DBC文件可以直接导入，点击“”，在文件选择对话框中选择要导入的DBC文件。程序自动解析DBC文件，提取出所有报文的的报文名称、报文ID、发送节点，以及所有信号的信号名称、所属报文、信号起始位置、信号长度、存储格式、缩放系数、偏移量等信息。报文配置界面如图6所示。

CAN信号配置部分和CAN报文配置部分虽然没有放在同一页，但导入DBC文件时，两者的信息录入是同时完成的，CAN信号配置界面如图7所示。

图6 CAN报文配置界面

图7 CAN报文信号配置界面

4.3 测试用例配置

整体测试的测试用例实际上是一个Excel表格，表头分为两类信息，一类是用信号名表示的信号列表。另一类则是所要关注的信号阈值，用关键字“Limit#”加上具体信号名组成。表格的每一行表示一条用例，给出测试用例的时间、各激励信号的取值、反馈信号的预留位置以及测试用例通过的阈值，具体的阈值用形如“20#30”来表示在20和30之间。具体实例如表3所示。

表3 简单的测试用例示例

这里VCU受“激励信号1”和“激励信号2”这两路信号影响。测试用例考察“反馈信号1”和“反馈信号2”这两路信号，信号的通过阈值是“Limit#反馈信号1”以及“Limit#反馈信号2”。

4.4 控制策略测试实现

当编辑好测试用例，就可以进行策略整体测试，软件界面如图8所示，测试过程中，各个列表将显示测试相关信号的取值，同时显示当前测试用例的总页数和总项数，以及当前测试项的序号。

4.5 控制器耐久测试实现

策略测试和耐久测试功能在同一界面上实现，采用开关在两种测试方式之间进行切换。当切换到策略测试方式下，控制界面如图9所示，而切换到耐久测试方式下，则控制界面如图10所示。

图8 策略整体测试界面

图9 策略测试控制台

图10 耐久测试控制台

和策略测试方式操作方式基本一致，耐久测试方式下，测试软件将依照“总测试次数”进行循环测试，并且在测试次数达到“评价周期”时，对所有信号进行一次记录。并且对所有反馈信号进行判断，对于未通过的项目会用红色标出，方便测试人员后续分析。假设表3所示的测试用例有部分未通过，那么测试结果如表10所示。

表10 测试结果评价示例

4.6 实时信号观测

如果希望在测试过程中实时观测信号的变化趋势，可以切换到实时波形观测界面。页面包含8个独立的波形显示控件，当设备已开启且处于测试过程中时，波形显示控件将实时显示信号波形，观测界面如图11所示。

每个波形显示控件左下角有两个下拉列表，左侧一个设置要显示的信号类型，右侧一个用于选择要观测的具体信号，下拉列表选择信号如图12所示。

设备所有物理通道可以直接观测或控制，可以切换到设备底层数据观测界面，在这一界面可以手动设置输出的CAN报文内容，以及所有硬线通道的输出值。同时能够观察输入的CAN报文内容，以及所有硬线通道采集的数据。设备底层数据观测界面如图13所示。

图11 实时波形观测界面

图12 下拉列表选择信号

图13 设备底层数据观测

图14 设备实物照片

5 设备组装及实物说明

测试平台整体外观如图14所示。图片左侧为测试平台背面，背面安装了7个航空插头，将所有接线盒从设备中引出，连接待测控制器。右侧为测试平台正面，最上方分别是总开光、空气开关、指示灯、急停开关。中间则是显示器键鼠套件，显示器下方则是PXI机箱，所有板卡的线束都接入机柜内部。最下方是程控电源，主要用于做电性能测试，这里不对其做详细说明。

6 . 全文总结

整车控制器统筹车内各部件协调工作，是纯电动车整车的核心部件之一，本文借助NI公司的LabVIEW和PXI平台，为纯电动车的整车控制器开发了策略测试台架，对控制器的控制策略进行测试和验证。测试台架现已交付主机厂即使用，用户使用反映良好，今后则将根据用户需求不断对测试台架进行优化，丰富测试台架功能。