汽車發(fā)動機控制器(ECU)是汽車中最為復(fù)雜且功能最為強大的計算機，它包含電源、MPU、通信鏈路、離散輸入、頻率輸入、模擬輸入、開關(guān)輸出、PWM 輸出和頻率輸出等9大模塊，了解這些模塊以及待測試的項目，對于(中國)測試工程師參與汽車ECU的測試具有一定的指導(dǎo)意義，同時也有利于設(shè)計工程師從測試角度去全盤考慮汽車發(fā)動機控制器的設(shè)計問題。

發(fā)動機電子控制裝置，也稱作發(fā)動機控制器(ECU)，于20世紀(jì)70年代誕生。當(dāng)時，由于石油危機，人們正在尋找一種提高燃油經(jīng)濟性的方法，他們想要找出一種能夠使發(fā)動機在更為清潔和污染更少的條件下運行的方法。當(dāng)時的工程師運用一種叫做燃料分配器的機械裝置來控制火花定時，使用化油器來控制燃料混合。這種機械系統(tǒng)的調(diào)整能力較差。20世紀(jì)70年代微處理器誕生了，這種技術(shù)可以實現(xiàn)控制火花定時和燃料混合所需的復(fù)雜、高速的運算。在80年代早期ECU成為了大多數(shù)車輛中的標(biāo)準(zhǔn)部件。ECU是設(shè)計用于解決具體問題的計算機。通常ECU是汽車中最為復(fù)雜且功能最為強大的計算機。

車輛中通常含有一個以上的電子控制模塊(ECM)。ECU是負(fù)責(zé)發(fā)動機控制功能的電子控制模塊，其主要用途是對發(fā)動機中的燃油和點火系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高燃油經(jīng)濟性并減少發(fā)動機產(chǎn)生的氣體污染物。

為何要測試ECU？

測試通常被認(rèn)為是一項不會增值的工作。在理想的世界中確實如此，因為在理想的世界中，生產(chǎn)工藝從來都不會產(chǎn)生缺陷，系統(tǒng)設(shè)計永遠(yuǎn)沒有瑕疵，軟件永遠(yuǎn)正常運行，從來不會有客戶退貨，產(chǎn)品和原材料質(zhì)量問題為零，由于不會出現(xiàn)任何故障，測試就顯得毫無必要。但是世界并非完美，因此需通過測試來實現(xiàn)可測量的、可重復(fù)的和可跟蹤的最低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量確實有價值，盡管它的價值無法直接衡量。

測試的必要性還體現(xiàn)在其它方面。汽車制造商有自己的質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)(如QS-9000)以及長期跟蹤和規(guī)章要求。汽車制造商通常都要求元件供應(yīng)商在將其元件發(fā)往B&A(組裝)工廠(元件在此處組裝成整車)之前對元件進(jìn)行測試。B&A工廠是勞動密集型工廠。由于供應(yīng)商的元件故障造成汽車返工是不可接受的，它會造成極大的損失。供應(yīng)商合同中通常都包括由于供應(yīng)商的原因造成的元件缺陷相關(guān)的罰款條款。

ECU生產(chǎn)商需要證明其產(chǎn)品符合客戶的規(guī)范，這需要通過DV(設(shè)計驗證)測試來實現(xiàn)。生產(chǎn)商還需證明其生產(chǎn)工藝可以正確生產(chǎn)出產(chǎn)品，這需要通過PV (生產(chǎn)驗證)來實現(xiàn)。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通常都要求對一定比例的ECU進(jìn)行質(zhì)量評估，以確保生產(chǎn)工藝沒有缺陷。這種質(zhì)量評估通過連續(xù)一致性(小型設(shè)計驗證)測試進(jìn)行。

測試系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)

如前所述，測試常常被認(rèn)為是一項不會增值的工作，雖然測試是提高生產(chǎn)流程各階段質(zhì)量水平的重要手段。這一狀況使測試機構(gòu)面臨著極大的壓力，它們必須確保測試過程穩(wěn)固、全面、快捷且性價比較高。

測試系統(tǒng)必須穩(wěn)固。測試系統(tǒng)必須能夠全天候運行。大多數(shù)汽車元件供應(yīng)商都有高產(chǎn)量生產(chǎn)線，停產(chǎn)會對帶來巨大損失。JIT(準(zhǔn)時)生產(chǎn)不允許分批發(fā)貨、發(fā)貨延遲或數(shù)量短缺。根據(jù)質(zhì)量控制程序和流程的要求，出錯會導(dǎo)致停產(chǎn)。由于這些原因，測試設(shè)備必須可靠且精準(zhǔn)。

測試范圍必須全面。測試系統(tǒng)的測試范圍應(yīng)盡可能廣而且測試必須精確。測試系統(tǒng)應(yīng)盡可能防止生產(chǎn)流程的下游出現(xiàn)缺陷。一般而言，越是在下游出現(xiàn)的問題，修復(fù)的成本越高。

測試系統(tǒng)必須快速運轉(zhuǎn)。高產(chǎn)量生產(chǎn)要求生產(chǎn)流程的每一階段都不能比最慢的流程慢。測試過程不應(yīng)成為一個瓶頸，尤其是在測試被視為不會增值的工作時。測試系統(tǒng)的速度應(yīng)比最慢的上游流程快。

測試系統(tǒng)必須具有高性價比。測試系統(tǒng)設(shè)計人員必須比較性能和成本。一個測試系統(tǒng)的成本不僅僅是其購買價格。測試系統(tǒng)會產(chǎn)生其它明顯的短期成本，如設(shè)備、培訓(xùn)、維護(hù)、升級、支持以及連接等。測試系統(tǒng)的長期成本較不明顯，它取決于開發(fā)時間、靈活性、可量測性、可再利用性、模塊性和便攜性等參數(shù)。這些因素與測試系統(tǒng)中使用的軟件和硬件直接相關(guān)。

除了以上這幾點，測試系統(tǒng)設(shè)計人員還必須在有限的預(yù)算和越來越短的時間內(nèi)完成設(shè)計。開發(fā)新產(chǎn)品越來越難，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新的規(guī)則、技術(shù)和客戶需求不斷涌現(xiàn)。面臨這一切，測試系統(tǒng)設(shè)計人員必須找到一種使其開發(fā)的系統(tǒng)既可滿足當(dāng)前需求又可滿足未來需求的方法。

ECU 如何工作？

簡單地說，ECU的工作方法就是根據(jù)與發(fā)動機相連的傳感器的反饋來控制燃油混合(空氣燃油比)和火花定時(點火提前及持續(xù)時間)。燃油混合和點火定時的控制相當(dāng)復(fù)雜。ECU需要從多個傳感器獲取數(shù)據(jù)以實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。ECU需要了解地速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸位置、空氣質(zhì)量(氧氣含量)、發(fā)動機溫度、發(fā)動機負(fù)荷(如空調(diào)(A/C)打開時)、油門位置、油門的變化率、變速齒輪、廢氣排放，等等。前面我們已經(jīng)講到，ECU是一種用于解決具體問題的計算機。計算機通常無法直接與模擬世界進(jìn)行交互。因而需要使用一個信號調(diào)理/數(shù)據(jù)采集接口，以將來自傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的數(shù)字信號。而為了控制燃油系統(tǒng)和點火系統(tǒng)，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。 
   
ECU功能模塊

ECU包含以下幾個功能模塊：1. 電源 - 數(shù)字和模擬(模擬傳感器的電源)。2. MPU - 微處理器和內(nèi)存(通常為閃存和RAM)。3. 通信鏈路 - (如CAN總線)。4. 離散輸入 - 開/關(guān)型輸入。5. 頻率輸入 - 編碼器型信號(曲軸或車輛速度)。6. 模擬輸入 - 來自傳感器的反饋信號。7. 開關(guān)輸出 - 開/關(guān)型輸出。8. PWM 輸出 -變頻和占空比(如噴射器或點火器)。9. 頻率輸出 - 恒定的占空比(如步進(jìn)電機 －怠速控制)。

圖1顯示了ECU的典型輸入/輸出框圖，各框中列出了NI提供的激勵和測量設(shè)備的種類以及與負(fù)載物和儀器的連接狀況。

電源

ECU的電源是一個直流-直流轉(zhuǎn)換器。電池電壓被轉(zhuǎn)換為適合MPU和其它數(shù)字電路的電壓。在某些情況下，ECU提供模擬傳感器的電壓源。在這種情況下，ECU提供一個或多個模擬電源電壓(源于電池電壓)。典型的測試包括：

開關(guān)檢查- 檢查電源和接地之間是否短路或開路。

電源負(fù)載測試- 如果ECU采用模擬電源，則在最大負(fù)載條件下驗證電源電壓。

電源噪聲測試-如果ECU采用模擬電源，則檢查輸出噪聲大小。

睡眠電流-在點火鍵處于“關(guān)”位置時檢查VBATT上的電流。

喚醒電流-在點火鍵處于“開”位置時檢查VBATT上的電流。

處理器

MPU內(nèi)含有處理器和內(nèi)存組件。在大多數(shù)情況下用閃存存儲應(yīng)用軟件(有時稱作應(yīng)用碼)。應(yīng)用軟件中包括校準(zhǔn)查找表。這些表根據(jù)輸入的反饋設(shè)定最佳燃油混合和點火定時參數(shù)。利用閃存你可以在任何時候?qū)CU進(jìn)行重新編程。在某些情況下，應(yīng)用軟件包括用于生產(chǎn)測試的特定測試模式。典型的測試包括：

RAM測試 - 通常為某種形式的寫和讀。

Flash測試 - 檢查制造商/產(chǎn)品編號，校驗總和。

“看門狗”計時器測試。

將應(yīng)用軟件和/或嵌入式測試碼下載到閃存中。

生產(chǎn)測試通常采用以下的一種或多種方法：

應(yīng)用碼包括用于ECU的外部控制的內(nèi)置式測試分支。

將測試碼下載到閃存中。測試碼能測試所有的輸入和輸出。

下載與測試相關(guān)的代碼(如僅下載用于讀取模擬輸入的代碼)。

數(shù)據(jù)鏈路

ECU具有與外界相連的通信鏈路。ECU協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的種類很多，而且每隔幾年就會出現(xiàn)新的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。通信鏈路具有多項功能。其中最主要的一項功能是滿足板上診斷(OBD) 的要求。OBD對車輛排氣系統(tǒng)進(jìn)行故障探測。 ECU對廢氣排放進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)廢氣排放量超出容許標(biāo)準(zhǔn)時，ECU會記錄數(shù)據(jù)以供技術(shù)人員使用。技術(shù)人員通過通信鏈路獲取數(shù)據(jù)，并可運用其它與通信鏈路相連的診斷工具找出故障部件?，F(xiàn)今的車輛通常都使用一個以上的ECM (ABS，車身控制，遠(yuǎn)程信息處理等)，這些ECM一般都通過通信鏈路連接在一起。為了能夠正確運行，ECU可能需要與發(fā)動機不相關(guān)的電子或機械系統(tǒng)的狀態(tài)信息。類似地，其它ECM也需要來自ECU的狀態(tài)信息以確保正常運行。

ECU的測試通常需通過頻繁的通信鏈路輸入/輸出來完成。由于和ECU通信要占去實際測試時間的30%至40%，用于通信鏈路的設(shè)備對系統(tǒng)性能具有很大的影響。設(shè)備的吞吐時間(如將RS-232轉(zhuǎn)換成CAN 或?qū)AN 轉(zhuǎn)換成RS-232)會影響測試系統(tǒng)的總體性能。根據(jù)協(xié)議的不同，選擇范圍會受到限制。但是在進(jìn)行選擇時，還是應(yīng)該進(jìn)行比較，以找出最快的方案。

通過一個簡單的例子可以說明你的選擇帶來的影響。假設(shè)你有一個用于將RS-232 轉(zhuǎn)換為CAN的車輛通信接口(VCI)設(shè)備。如果VCI設(shè)備的RS-232側(cè)在9600波特和每波特1位的條件下運行，則RS-232側(cè)的傳送速率為9.6kbps。

此處是11字節(jié)或88位。在9600kbps的速度下傳送數(shù)據(jù)需要9.17 ms。這一時間看起來似乎并不長，但是要知道在ECU設(shè)備的測試過程中通常要傳送200條甚至更多信息，僅僅單向傳送200條信息就需耗時1.83秒。當(dāng)然，信息通常需遵守命令/響應(yīng)協(xié)議，因此傳送200條信息的實際時間為2 ×1.83 秒，即3.66秒。這還未包括將數(shù)據(jù)由RS-232轉(zhuǎn)換為CAN，由CAN 轉(zhuǎn)換為 RS-232以及ECU或測試系統(tǒng)控制器處理數(shù)據(jù)的其它等待時間。如果選擇RS-232側(cè)的運行速度達(dá)到18.2kbps 的VCI設(shè)備，就可將測試時間縮短1.83秒。在必須將測試碼或應(yīng)用碼下載至ECU的情況下，選擇慢速的設(shè)備會造成更大的影響。

離散輸入

離散(或開關(guān))輸入監(jiān)測汽車中各組件和附件的開關(guān)狀態(tài)。最重要的離散輸入是點火開關(guān)。ECU需要知道點火開關(guān)的位置(起動，運行，關(guān)閉，輔助)以確定何時和如何控制燃油和點火系統(tǒng)。其它離散或開關(guān)輸入還有停車開關(guān)、制動開關(guān)和A/C 開關(guān)。

在ECU 測試系統(tǒng)中，通常由通用和/或矩陣?yán)^電器組成的負(fù)載/激勵模塊將一個測試源(VBATT, BATT_GND, DAC, DIO)與ECU上的離散輸入相連接。典型的測試包括：

移動1/0－對于移動1，先將所有離散輸入置0，然后再將輸入由高切換為低，一次輸入一個。移動0則與此相反。

模式測試 (如0xAA, 0x55)，讀取ECU的狀態(tài)。

將每個輸入與VBATT相連，讀取ECU的狀態(tài)。

將每個輸入與BATT_GND相連，讀取ECU的狀態(tài)。

在開路條件下進(jìn)行測試。

頻率輸入

頻率輸入通常用于監(jiān)測測試速度(如車輛速度)或速度和位置(如曲軸)的傳感器。對于ECU最為重要的反饋信號是曲軸信號。在有些發(fā)動機應(yīng)用中，曲軸和凸輪信號都被用于向ECU提供速度(轉(zhuǎn)速)和位置(曲軸角度)信息。曲軸和凸輪傳感器可以采用可變磁阻型(VAR)傳感器或紅外傳感器(IR)。這兩種類型的傳感器都能產(chǎn)生編碼器信號，ECU通過這些信號來確定燃油和點火輸出參數(shù)。

典型的頻率測試包括：

用具有可變振幅和/或頻率和/或占空比的信號來驅(qū)動ECU頻率輸入。

對輸入進(jìn)行開路測試。

在VBATT和/或BATT_GND與輸入短接的條件下進(jìn)行測試。

模擬輸入

模擬輸入監(jiān)測汽車中數(shù)量眾多的傳感器。有多種類型的傳感器，每一信號都由ECU調(diào)理。溫度(發(fā)動機溫度)、壓力(MAP－集流腔絕對壓力)、流量(EGR)和空氣質(zhì)量(氧氣)等是至ECU反饋回路的組成部分。

典型的模擬輸入測試包括：

開路－沒有源或負(fù)載與輸入相連。

與VBATT和/或BATT_GND短接。

模數(shù)線性變換(如用量程的5和95%的輸入信號進(jìn)行測試)。

開關(guān)輸出

開關(guān)輸出，有時也稱作離散輸出，通常為小電流驅(qū)動器(<2 A)。用于控制行駛控制離合器和燃油泵的信號就屬于開關(guān)輸出。有時根據(jù)開關(guān)輸出向系統(tǒng)中的其它組件提供參考電源還是參考地而將其分為大電流驅(qū)動器和小電流驅(qū)動器。這些輸出驅(qū)動的負(fù)載可以是電阻性負(fù)載(如檢查發(fā)動機燈)，也可以是電抗性負(fù)載(如氣動電磁閥)。

脈寬調(diào)制 (PWM)輸出

PWM輸出是ECU輸出中最為復(fù)雜的。而在PWM輸出中，噴射和點火(或EST－發(fā)動機點火定時)輸出可能是計算上最為復(fù)雜的。決定噴射和點火輸出的定時、頻率和占空比的主要因素是曲軸速度(轉(zhuǎn)速)和位置(曲軸角度，0至360度)。用于確定燃油和點火參數(shù)的其它因素有車輛速度(mph)、油門位置(加速、減速、不變)、EGR(廢氣再循環(huán))、發(fā)動機溫度、歧管壓力、燃油溫度/壓力，等等。簡單地說，發(fā)動機應(yīng)用碼使用所有這些反饋進(jìn)行一些運算，然后在校準(zhǔn)表中查找并選出最佳的燃油混合和火花定時(火花提前和滯后)，以優(yōu)化發(fā)動機的性能。一般而言，PWM輸出驅(qū)動電感性負(fù)載，如點火線圈和噴射器電磁線圈。大多數(shù)負(fù)載均小于5A，但有些負(fù)載，如點火線圈，則根據(jù)發(fā)動機設(shè)計的不同可為5至20A。

典型測試包括：

 Voh = VBATT ±0.5 VDC, Vol = BATT_GND ±0.5 VDC。

箝位電壓/回掃電壓，大多數(shù)均<100 V，點火線圈的回掃電壓可達(dá)450 V。

輸出漏電流。

診斷。

將輸出同VBATT和/或BATT_GND短接· 開關(guān)時間、上升時間/下降時間、占空比、頻率。

曲軸位置和噴射/點火/EST之間的定時/同步(如相對于TDC的上升或下降沿延遲)。

電流與電壓比(如在I=500 mA 時 的Vsat-電壓)。

頻率輸出

頻率輸出通常為恒定頻率和/或占空比輸出。它們常用于控制步進(jìn)型設(shè)備。頻率輸出的例子有ISC，即怠速控制，它調(diào)整進(jìn)入燃油系統(tǒng)的空氣流量，從而改變怠速。

ECU測試軟件

軟件是測試系統(tǒng)的主要組成部分。通常需使用兩種類型的軟件：

應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境(ADE) - 用于編寫測試碼。

測試執(zhí)行程序- 用于管理測試序列。

ADE的選擇非常重要，因為它會對系統(tǒng)的長期和短期成本產(chǎn)生重大影響。測試執(zhí)行程序也會對成本產(chǎn)生影響。任何測試應(yīng)用程序都需使用某種類型的ADE來創(chuàng)建測試代碼。ADE對開發(fā)時間有直接的影響，因而對系統(tǒng)的成本也會產(chǎn)生直接影響。選擇ADE時需考慮ADE的成本、易用性以及其所包含的工具和程序庫。除此之外，能否從ADE供應(yīng)商或第三方軟件供應(yīng)商處獲得附加軟件或軟件包也是值得考慮的因素。隨ADE一起提供的標(biāo)準(zhǔn)程序庫和附加軟件通常決定必須編寫多少代碼。一般而言，開發(fā)人員需要編寫的代碼越少，軟件開發(fā)時間就越短，開發(fā)成本也越低。

傳統(tǒng)上測試代碼和測試執(zhí)行程序要結(jié)合在一起。每次需要為新產(chǎn)品開發(fā)測試程序時，開發(fā)人員都必須編寫新的測試執(zhí)行程序或?qū)y試執(zhí)行程序代碼從舊產(chǎn)品導(dǎo)入到新產(chǎn)品的測試碼中。如果因為新產(chǎn)品的要求而需要更改測試執(zhí)行程序部分的代碼，則必須對每個采用該測試執(zhí)行程序的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修改，或者為新產(chǎn)品編寫其自己的測試執(zhí)行程序。這樣常常會導(dǎo)致同一測試執(zhí)行程序有多種版本，從而增加軟件維護(hù)和軟件文件編制的成本。

現(xiàn)在市場上已出現(xiàn)了商用現(xiàn)成(COTS)測試執(zhí)行程序。采用COTS測試執(zhí)行程序后，測試系統(tǒng)開發(fā)人員只需將精力集中在測試碼上，而無需擔(dān)心測試執(zhí)行程序。TestStand是市場上最好的COTS測試執(zhí)行程序之一，它可以與幾乎所有ADE中的測試碼相連接，并可以與運用LabVIEW 和 LabWindows/CVI生成的代碼無縫集成。

此外，NI為多種平臺，如PCI、PXI和PCMCIA提供CAN (控制器區(qū)域網(wǎng))設(shè)備，這些設(shè)備幾乎可用于需要CAN接口的任何汽車測試應(yīng)用中。

本文小結(jié)

ECU是具有多功能輸入和輸出的復(fù)雜電子設(shè)備。測試工程師在設(shè)計和開發(fā)用于ECU測試的系統(tǒng)時面臨著許多挑戰(zhàn)。基于計算機的測量設(shè)備(如PXI)與虛擬儀器的結(jié)合為ECU測試應(yīng)用提供了理想的硬件和軟件平臺，使得系統(tǒng)開發(fā)人員可以開發(fā)出滿足現(xiàn)今和未來需求的測試系統(tǒng)。