车载电子电气系统的设计研发

摘 要

　　随着汽车电子的快速发展，车载电子电气系统逐渐应用到汽车上。车载电子电气系统的使用，一方面使得当今的汽车更加安全、舒适、节能，但另一方面也使得车载电子电气系统更加复杂，在开发过程中车载电子电气系统测试变的至关重要，所需的开发周期更长，成本更高。

　　本文主要研究了基于 Labview 的车载电子电气系统测试平台的设计，对车载电子电气系统进行仿真测试。首先对车载电子电气系统进行了分析，从电控单元和 CAN 网络入手，介绍了其基本构成和原理。选取由五个电控单元（电动助力转向系统 EPS,防抱死制动系统 ABS,组合仪表 IC,发动机控制模块 ECM,车身控制模块 BCM）构成 CAN 网络的一套车载电子电气系统作为研究对象。然后进行电控单元和整车的测试需求分析，包括 CAN网络测试需求分析，功能测试需求分析，电性能测试需求分析。在分析的基础上，进行测试平台硬件的搭建和软件程序的开发。运用 CANoe 软件进行 CAN 网络中各个节点的网络仿真。测试程序以 Labview 作为开发平台，对各个电控单元的输入信号和输出信号进行模拟，来模拟实车的仿真环境。

　　从测试的结果来看：基于 Labview 的车载电子电气系统测试平台功能强大，灵活方便，不仅缩短了各电控单元和整车测试周期，还降低了设备成本以及相关的维护成本。

　　关键词：电控单元，电子电气系统，CAN,LABVIEW,测试平台

ABSTRACT

　　With the rapid development of automotive electronics, vehicle electrical and electronicsystem is gradually applied to the car. Use of vehicle electrical and electronic system, on the one hand makes the car more comfortable, safe, energy-saving, on the other hand makes vehicle electrical and electronic systems more complex. In the development process the vehicle electrical and electronic systems test becomes crucial important and needs longer development cycles, the higher cost.

　　In this paper the design of vehicle electrical and electronic system test platform was studied deeply. The vehicle electrical and electronic systems were analysed, starting from the electronic control unit and the CAN network, thier basic structure and principles were introduced. The five electronic control unit （EPS, ABS, IC,ECM,BCM） constitute the CAN network. The set of electrical and electronic systems was studied. And testing requirements of the electronic control units and vehicle were analysied, including CAN network testing, functional testing and electrical performance testing. Based on the analysis, the hardware and software of the platform were estsblished. The each node CAN network simulation was estsblished by CANoe. Thedevelopment platform of test procedures is Labview, the input signal and the output signal of each of the electronic control unit were simulated.

　　From the results of the test: the powerful vehicle electrical and electronic system test platform not only shorten the development cycle but also reduce the cost of equipment and related maintenance costs.

　　KEY WORDS:electronic control unit, electrical and electronic systems, CAN, LABVIEW, test platform

目录

　　第一章绪论

　　1-1课题的研究背景及意义

　　近年来，随着中国汽车工业的发展，中国已经成为名副其实的汽车产销大国，汽车工业已经成为中国经济的一个支柱产业。随着汽车的普及程度越来越高，各轿车生产厂商都在努力提高汽车的质量和性能以吸引消费者，各种应用于高级轿车的汽车电子控制单元如：电动助力转向系统EPS,防抱死制动系统ABS,组合仪表IC,发动机控制模块ECM,车身控制模块BCM等都将逐步应用于中低档轿车上。

　　在当今汽车行业里，对于某车型的开发，其整车电子电气系统的开发和测试是重要的组成部分，而在整个开发过程中车载电子电气系统的测试是至关重要的一部分，测试伴随着整个设计开发过程。车载电子电气系统中有多个电控单元和外部电气设备构成，因此在测试过程中，首先进行单个电控单元的测试，然后再对所有电控单元构成的车载电子电气系统的CAN网络进行测试。单个电控单元的错误很容易在开发初级阶段检测出来，但还有很多错误必须在一个集成的系统中才能被检测出来，因此对车载电子电气系统的整车测试更为重要，也更为复杂。国外的HIL硬件在环测试设备是现在的主流测试设备，可以在虚拟车辆环境中对车载电子电气系统进行测试。但是其价格非常昂贵，一般的整车厂无法接受，因此自主开发低成本的基于Labview的车载电子电气系统测试平台迫在眉睫。

　　大量的汽车电子控制单元的使用，一方面使得当今的汽车更加节能、舒适、安全和环保，但另一方面也使得车载电子电气系统更加复杂，开发和测试变得至关重要，所需的开发周期更长，成本更高。由于汽车电子技术迅速发展，传统的检测方法无法高质量高效率地满足复杂的测试需求。在该测试平台的设计过程中，设计人员对待测试车型的电控单元和CAN网络进行仿真，建立了相应的车辆模型，并将其运行于实时环境中，与各个电控系统闭环工作，从而实现对车辆运行工况的模拟，完成对各个电控单元和整车网络的测试。

　　本课题以测试某款车型的电子电气系统为例，研究开发了基于Labview的车载电子电气系统测试平台，对该车型的电子电气系统进行仿真测试。将大量的实车测试工作变为台架半实物仿真测试，大大节约开发成本，缩短开发周期。本课题来源于中国汽车技术研究中心汽车工程院，作为国内汽车行业的权威技术部门，拥有雄厚的实力和丰富的汽车电子测试经验。它与国内多家汽车公司合作开发各种车型的仿真测试平台，为整车企业提供完善的车载电子电气系统测试环境以及优质的工程服务。作者有机会参与此类合作项目，对基于Labview的车载电子电气系统的测试平台进行研究。

　　基于Labview的车载电子电气系统测试平台功能强大，使用灵活，具有很强的实用性和经济性。本课题的研究作为一种实践工程项目，对于提高我国汽车企业的技术水平、产品安全性能与提高国内外市场的竞争能力等方面，都具有重要意义和实用价值。对于整车企业而言，一套车载电子电气系统的各个电控单元可以交给供应商开发，但是最后必须进行各个电控单元测试和系统集成测试。通过基于Labview的车载电子电气系统测试平台，可实现对各个电控单元测试和系统集成测试。本课题基于实际应用背景进行，所以具有较强的工程应用价值和必要的研究价值。

　　1-2汽车电子测试的发展概况

　　1-2-1国外发展概况

　　任何一个国家的车载电子电气系统的测试技术都是从无到有发展起来的，但是西方发达国家在汽车电子测试技术发展较早也较快。据了解，早在50年代在一些西方发达国家就形成了以故障诊断和性能调试为主的单项测试技术和单项测试设备[1].在60年代后期，西方发达国家车载电子电气系统测试技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。如：

　　非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等都是光机电、理化机电一体化的测试设备[2].之后进入70年代，这时电子计算机技术发展迅速，在此带动下汽车测试设备向智能化方面发展，出现了汽车测试诊断、控制自动化、数据采集自动化、测试结果直接打印等功能的现代综合性能测试技术和设备，它们能对设备本身和汽车技术状况进行测试[3].进入80年代后，计算机技术在汽车测试技术领域得到进一步深化的应用，出现集成数据采集和显示、存储、打印等功能于一体的测试系统的软件，自此发达国家的汽车检测技术实现了全自动化，这样可以避免人为的判断错误，大大的提高检测的准确性[4].

　　目前，国外普遍采用硬件在环技术建立完整的―虚拟车辆‖测试平台。硬件在环仿真，是指在电控单元开发过程中还没有投入市场前，对于电控单元的被控对象或汽车的运行环境，大部分采用实时数字模型来模拟而非全部，另一部分采用实物来创造真实汽车环境，进行整个系统的仿真测试过程。而对产品电控单元在研制出来以后，还需要对其进行全面综合地测试，特别是在各种故障情况和极限条件下的进行测试。但如果用汽车上真实的的控制对象进行测试，很多情况下是无法实现的，或者要付出很大的代价，如对汽车电控单元的测试就包括不同的车型，不同的路况，不同的环境下的测试。硬件在环仿真技术也支持并行工程，在控制对象和控制器同时并行开发时，可以应用实时仿真系统模拟控制对象的运行环境，进行对控制器的仿真测试，这样就大大缩短了电控单元的开发测试周期，降低了成本[5].

　　对于硬件在环仿真的研究，德国公司dSPACE专门研制生产出了各种实时测试和控制的仿真机，dSPACE现在已经是世界上最大的实时测试控制仿真机厂商。应用于汽车领域的dSPACE仿真机，具有验证自动诊断的功能，在闭环条件下，可以模拟各种汽车故障信号来监测电控单元的自动诊断功能；验证电控单元的控制算法，用户可以根据相关技术要求在正常环境下对电控单元进行功能测试也可以通过虚拟的整车测试环境对不同车型与部件进行测试；对多个电控单元进行网络测试，测试多个电控柜单元的联合工作情况；对传感器与执行器进行测试。

　　采用先进的测试和测量技术验证车载电子电气系统是必然趋势。在汽车电子测试和测量领域呈现下列发展趋势：采用虚拟的暗室技术；降低汽车电子产品和整车测试的成本。基于Labview和PXI技术构建的虚拟仪器汽车电子系统测试平台，将是未来的发展趋势。通过这种测试平台，工程师可以对测试车型进行仿真，建立相应的车辆模型，并将其运行于实时环境中，与各个电控系统闭环工作，从而实现对车辆运行工况的模拟，完成对整车网络和各个电控单元的手动测试和自动化测试。

　　1-2-2国内发展概况

　　我国从20世纪60年代开始研究汽车测试技术，当时还没有汽车电子测试的概念[6].70年代，我国大力发展了汽车测试技术但当时国内仅能生产少量的简单的测试设备，只能对简单的电气设备进行简单的测试。进入80年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发展，汽车测试技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，对汽车测试设备的需求也与日俱增[7-8].迈入90年代，交通部发布《汽车运输业车辆技术管理规定》、《汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法》。随后全国又掀起了建设汽车综合性能测试系统的高潮[9].同时，汽车电子测试技术和设备也得到了大力发展。就在此时除了交通部门，机械、城建、高等院校等部门也进入汽车电子测试系统研制、开发、生产、销售领域。新世纪以来，随着国内汽车生产厂家开始自主研发新车型，开始应用汽车电子产品，此时对电控单元的测试和整车电子电气系统的测试需求日益增长。

　　目前我国已能依靠采购国外各种先进仪器设备，对汽车电控单元进行综合测试，进行自动控制检测过程，自动采集检测数据，使检测诊断过程更安全、更快捷、更准确。虽然如此，我国在汽车测试系统中的底层核心技术占有量仍然有限，开发研究现代汽车电子测试系统是目前我国汽车电子测试行业的重中之重。根据目前汽车电子测试过程中出现的各种情况，建立功能强大、设计灵活、低成本的汽车电子电气测试系统是我国现在汽车电子测试技术发展的迫切要求。这种汽车电子测试系统可以根据每一个实际工程测试项目的要求，自由增加或者减少测试系统配置，通过各自配置系统中的单元器件，充分利用成熟的标准化资源，来提高汽车电子测试技术综合应用的效率。由此可见，使用现代车载测试设备以及诊断技术是汽车测试与诊断技术发展的必然趋势。

　　国内各汽车电子测试设备生产厂家都在紧跟国际汽车电子测试技术的发展趋势，研发各种测试电控单元设备，国内新一代车载电子电气系统测试和测量技术的发展目标是在虚拟环境中完成测试，从而缩短整车的测试时间。国内多个企业也在研发基于Labview的车载电子电气测试平台。利用该方法可以模拟真实世界中不能实现的各种极端条件，可以对车载电子电气系统进行集成测试，而不会产生危险。在炎热的夏季可以为测试模拟出冬季的路面条件，也可以在理论上汽车可以达到的最高行驶速度下进行测试。通过测试还可以检测出在车载电子电气系统设计中的不足。运用该方法可以在车载电子电气系统未完整的装配在一起的条件下对单个电控单元进行测试，使得测试变为设计开发流程的一个重要组成部分。该类测试平台还可以帮助整车企业对特殊的车载电子电气系统设计的替代方案做出早期决策，这样汽车电子单元在将来的应用环境中就能有效运行。

　　1-3虚拟仪器的发展概况

　　虚拟仪器起源于上世纪70年代，当时基于计算机的测控系统在航天、国防等领域已经有了长足的发展。个人计算机出现以后，仪器的计算机化才成为可能。目前计算机处于核心地位，计算机技术和测试系统紧密地结合成了一个有机体，使得仪器的设计观点和结构概念等都发生了突破性的改变。一种新的仪器概念--虚拟仪器VI（VirtualInstrument）出现了。

　　NI公司在Microsoft公司推出Windows之前，就已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本了。该公司对虚拟仪器和LabVIEW软件进行长期、系统、有效的研究开发，使其成为业界公认的权威[11].NI二十多年来一直致力于开发基于计算机技术的测试测量和自动化控制的软硬件产品，为测试、测量与控制领域提供当今最先进的技术和平台。NI公司早在八十年代初就提出了"软件就是仪器"的口号，将快速发展的计算机技术与仪器技术完美地结合起来，使得用户在操作计算机时，如同在操作自已定义的仪器。虚拟仪器设计方便灵活，不仅帮助客户缩短产品的上市时间，大幅度降低开发和测试成本[12].

　　虚拟仪器从提出概念到目前的日趋成熟，虚拟仪器的发展可以分为三个时期：第一时期，充分利用计算机技术来增强传统仪器的各项功能。第二时期，运用各种总线技术实现开放式的仪器构成。第三时期，虚拟仪器软件框架得到了科技技术界的认同和采用，使得虚拟仪器得到了飞跃式的发展。

　　提到虚拟仪器的发展，不得不提LabVIEW软件的发展。二十多年来，世界各地的工程师和科学家借助LabVIEW软件平台来进行图形化的系统设计和实现。今天，NI已是国际上IEEE488（GPIB）、VXI仪器控制产品、DAQ（数据采集）产品、PXI-新型模块化工业用计算机的领先供应商，而且图形化的编程软件LabVIEW、基于文本的测量软件LabWindows/CVI已成为编制虚拟仪器系统的标准开发环境。

　　1-4本文的主要研究内容

　　针对基于Labview的车载电子电气系统测试平台的设计要求，本文结合车载电子电气系统中电控单元和CAN网络的测试需求，按照工程中实际的应用需求，利用Labview平台在数据采集、仪器控制方面的优势迅速的设计出所需系统。要求设计的测试平台一方面能够实现车载电子电气系统的单节点的网络测试、功能测试和电气性能测试和整车的网络测试、功能测试和电气性能测试，另一方面在综合性能上要保证系统的高可靠性、实时性、可扩展性和易维护性，既满足车载电子电气系统当前的功能需求，又满足车载电子电气不断发展的扩展要求。具体内容包括以下几个部分：

　　1）深入分析车载电子电气系统的构成，从电控单元和CAN网络入手，掌握其基本构成和原理。

　　2）分析各电控单元和整车的测试需求，包括CAN网络测试需求分析，功能测试需求分析，电性能测试需求分析。总结出各个电控单元的所有信号类型。

　　3）设计CAN网络仿真模型，针对测试规范和测试的实施，设计出针对网络功能测试项的测试仿真模型，运用CANoe软件进行模型建立、面板设计和CAPL编程。4）单节点测试机柜的设计及搭建，基于NI板卡模块和CANoe、CANstress等工具设计完成，可对单节点模块进行网络、功能、电气性能进行测试。5）整车测试台架设计及搭建，设计台架整车功能测试台架，确定测试台架的架构、尺寸、材料等信息，设计连接方式及部件的挂接方式。尽可能采用真实负载，对整车电子电气系统进行网络测试、功能测试。

　　6）基于Labview的上位机测试软件包设计，包括人机界面设计、系统控制功能软件开发及系统软件集成。

　　1-5本章小结

　　本章中，对本课题的研究背景及意义进行了说明，对汽车电子测试的发展概况和和虚拟仪器的发展概况进行了探讨，结合本课题的实际情况，概括了本文的主要研究内容。

　　第二章 车载电子电气系统
　　2-1 汽车电控单元
　　2-1-1 电控单元的基本功能
　　2-1-2 电控单元的基本组成
　　2-1-3 电控单元的可靠性要求
　　2-1-4 电控单元的测试
　　2-2 CAN 网络总线
　　2-2-1 CAN 网络总线介绍
　　2-2-2 CAN 的分层结构
　　2-2-3 CAN 总线的特点
　　2-2-4 CAN 网络的测试
　　2-3 本章小结

　　第三章 测试需求分析
　　3-1 电控单元测试需求分析
　　3-1-1 CAN 网络测试需求分析
　　3-1-2 各节点的功能测试需求分析
　　3-1-3 各节点电性能测试需求分析
　　3-2 整车测试需求分析
　　3-2-1 整车网络测试需求分析
　　3-2-2 整车功能测试需求分析
　　3-2-3 整车电性能测试需求分析
　　3-3 本章小结

　　第四章 测试平台硬件设计
　　4-1 平台硬件总体设计
　　4-2 节点/整车测试机柜设计
　　4-2-1 控制开关系统
　　4-2-2 故障注入/负载仿真系统
　　4-2-3 NI-PXI 模块化仪器系统
　　4-2-4 电源系统
　　4-2-5 外围设备
　　4-3 整车测试台架设计
　　4-3-1 线束布置设计
　　4-3-2 挂载部件分析
　　4-4 本章小结

　　第五章 测试平台软件设计
　　5-1 Labview 的介绍及应用
　　5-1-1 编辑界面
　　5-1-2 前面板
　　5-1-3 程序框图
　　5-1-4 图标和连接器
　　5-2 CANoe 软件介绍及应用
　　5-2-1 车载网络的仿真模型
　　5-2-2 CAPl 编程
　　5-2-3 数据库的建立
　　5-2-4 面板的设计

　　5-3 测试界面设计
　　5-3-1 登陆界面设计
　　5-3-2 用户管理设计
　　5-4 节点测试程序设计
　　5-4-1 节点网络测试设计
　　5-4-2 节点功能测试设计
　　5-4-3 节点电性能测试程序设计
　　§5-5 整车测试程序设计
　　5-5-1 整车网络测试流程设计
　　5-5-2 整车功能测试流程设计
　　5-5-3 整车电气性能测试流程设计
　　§5-6 测试结果
　　§5-7 本章小结

　　第六章 结论

　　6-1 成果

　　Labview 为汽车电子测试工程的实际应用提供了一种新思路，充分发挥 Labview 快速开发的特点，能够极大缩短开发时间和成本。实践证明，基于 Labview 的车载电子电气测试平台在新车型的电子电气系统开发测试过程中起到了重要的作用。

　　1）将车载电子电气系统在实车上和部分道路上的测试转化为实验室平台测试，在实时仿真环境中进行测试。针对每个不同的装车阶段，可以进行较为完整的电子电气系统集成测试，达到了预期效果；2）经过测试，在第一时间反映出车载电子电气系统中各电控单元的问题，节约了查找问题的时间，缩短了解决问题的时间，提高了解决问题的效率；4）在测试中减少了原型车的组装，且测试平台可以循环利用，通过软件程序的更改就可以应用于另一个车型的测试；5） 基于 Labview 的车载电子电气测试平台，大大缩短了整车电子电气系统测试开发周期，节约了开发成本。

　　6-2 展望

　　基于 Labview 的车载电子电气系统测试平台，初步已经完成，各项测试正在进行进一步的验证。由于时间、实习环境的各方面限制，从目前来看还有很多方面可以更深入的研究，有以下几个方面：

　　1） 在单节点的网络测试过程中，可以进一步优化，充分运用 CANoe 软件实现网络的自动化测试。

　　2） 在现有的测试平台上，可以添加在线故障诊断（OBD）测试的功能。 3） 机柜和台架设计上可以进一步优化，使其操作更加方便。

　　4） 在上位机 Labview 程序设计上可以进一步优化。 5） 采用 NI Teststand 作为该系统的软件平台，可以对各类编程语言所编写的测试序列进行管理和执行，实现自动化测试。

　　6-3 本章小结

　　本章中，主要总结了本文的研究成果，根据测试需求分析，搭建完成基于 Labview 的车载电子电气系统测试平台，分析了该平台的优点。最后对该课题的研究领域进行展望，列出了需要继续深入研究的各个方面。

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　　[54] National Instrument Corporation.LABVIEW User Manual [M].2003

　　致 谢

　　在攻读研究生的这三年中，导师崔根群教授在学习和生活上给了我悉心的指导、关心和支持，在此，我向崔老师表示衷心的感谢！崔老师严谨的科研及治学态度、务实的工作作风、诲人不倦的育人精神，给我留下了极其深刻的印象，这也将对我今后的人生起到巨大的指导作用。

　　论文进行过程中还得到了中国汽车技术研究中心龚进峰院长的热心指导，特此感谢！在中国汽车技术研究中心实习的这两年多的时间里，得到了韩光省和蔡永祥高级工程师的大力指导，还有一起实习的同学裴俊伟和潘俊家的帮助，在此，向他们表示深深的感谢！

　　感谢读研这三年时间里培养、指导过我的所有老师们，感谢机械学院这个充满生机的平台！三年的研究生生活里，我的家人们也给了我无微不至的关怀和支持。在论文完成之际，我谨向我的家人表示深深的谢意！

　　最后，再次感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友！

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