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汽車發(fā)動機控制器（ECU）中待測項目綜述
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汽車發(fā)動機控制器（ECU）中待測項目綜述
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。
一,、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）測試進行,。
二,、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、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,。
三、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,。
四、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（如步進電機 － 怠速控制）,。
五、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,。
六,、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)?SPAN lang=EN-US>ECU進行重新編程,。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）。
七,、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)進行故障探測,。 ECU對廢氣排放進行監(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。現(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)?SPAN lang=EN-US>CAN 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,。但是在進行選擇時，還是應(yīng)該進行比較,，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,。
八、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)。
在開路條件下進行測試,。
九,、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。
對輸入進行開路測試,。
在VBATT和/或BATT_GND與輸入短接的條件下進行測試,。
十、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%的輸入信號進行測試）,。
十一,、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）。
十二,、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）,。
十三、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型設(shè)備,。頻率輸出的例子有ISC，即怠速控制,，它調(diào)整進入燃油系統(tǒng)的空氣流量,，從而改變怠速。
十四,、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。
十五,、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)�,；谟嬎銠C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)。
