基于汽车发动机控制模块的耐久性测试系统研究

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，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,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、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。

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。[page]

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，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 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。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KLIN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；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。