中心議題：

• 關鍵子係統的設計原理
• 幾種PCM模塊長久性測試

解決方案：

• 構建虛擬儀器平台實現計算機的全數字化采集測試分析
• 多層CAN總線通信技術、虛擬儀器技術和嵌入式計算機係統

  1、引言

汽車發動機控製模塊（PCM）是汽車的控製神經中樞
，直接影響到汽車的動力性和燃油經濟性和尾氣排放。隨著汽車電子工業的發展，PCM已經成為汽車的一個標準配置。由於PCM係統十分複雜，工作環境極為惡劣，其可靠性至關重要，因此
，PCM耐久性測試是開發汽車發動機PCM的重要支撐條件。

上世紀80年代，幾家國際上知名的PCM模塊製造公司如博世
、西門子

、德爾福、偉世通
，針對自己的產品相繼進行了PCM耐久性測試技術的研究，並研製出了相應設備。由於這類設備仍然沿用的是20多duo年nian前qian的de設she計ji體ti係xi，已yi經jing不bu能neng適shi應ying日ri新xin月yue異yi的de汽qi車che電dian噴pen發fa動dong機ji技ji術shu的de發fa展zhan，整zheng體ti技ji術shu平ping台tai落luo後hou，存cun在zai一yi些xie不bu可ke克ke服fu的de缺que陷xian，例li如ru不bu能neng兼jian容rong不bu同tong廠chang商shang的dePCM模(mo)塊(kuai)
，不(bu)能(neng)設(she)置(zhi)自(zi)動(dong)循(xun)環(huan)策(ce)略(lve)，不(bu)能(neng)現(xian)場(chang)配(pei)置(zhi)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)類(lei)型(xing)和(he)參(can)數(shu)等(deng)。目(mu)前(qian)，我(wo)國(guo)自(zi)主(zhu)開(kai)發(fa)的(de)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)正(zheng)處(chu)於(yu)加(jia)速(su)發(fa)展(zhan)階(jie)段(duan)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)我(wo)國(guo)汽(qi)車(che)工(gong)業(ye)起(qi)步(bu)較(jiao)晚(wan),自身技術落後,科研能力不強,現有的PCM 技術來自國外，有關PCM的耐久性測試技術在國內還屬於空白
，隻有少數的高校圍繞汽車電噴發動機開展了故障診斷、信號測試、運行機仿真等方麵的研究
，沒有形成成套技術。

本文介紹了汽車PCM耐久性測試係統的整體設計思路和測試規範
，重點討論了關鍵子係統的設計原理
，並通過原型樣機對幾種PCM模塊長久性測試，驗證了該係統的可靠性和通用性。

2、整體構思

2.1 PCM工作原理
汽車發動機控製模塊（PCM）是汽車控製係統的核心部件
，主要由輸入電路、模擬信號、數字信號轉換器
、微機、輸出回路等五個部分組成。其作用是接收各種傳感器信號，經微機的運算
、處理，向執行器發出指令，接通各執行器的接地線，使其通電而工作
，以精確控製燃油供給量、點火提前角和怠速空氣流量。

2.2 PCM耐久性測試係統的設計思路
本文以電噴發動機的控製技術為基礎
，采用多層CAN總線通信技術
、虛擬儀器技術和嵌入式計算機係統
，設計了一個通用開放的PCM耐久性測試係統。它主要由工業控製計算機（工控機）
、信號發生子係統、模擬負載子係統、負載監測子係統、大功率程控電源、環境實驗箱
、現場總線通信子係統、應用軟件和數據庫管理係統等組成。其硬件係統與原型樣機如圖1、2所示。

該測試係統的測試原理：以PCM為(wei)測(ce)試(shi)對(dui)象(xiang)

，由(you)工(gong)控(kong)機(ji)根(gen)據(ju)測(ce)試(shi)類(lei)型(xing)和(he)測(ce)試(shi)項(xiang)目(mu)的(de)不(bu)同(tong)發(fa)送(song)設(she)置(zhi)指(zhi)令(ling)，控(kong)製(zhi)環(huan)境(jing)變(bian)量(liang)和(he)大(da)功(gong)率(lv)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)
，快(kuai)速(su)切(qie)換(huan)汽(qi)車(che)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)和(he)模(mo)擬(ni)負(fu)載(zai)連(lian)接(jie)，並(bing)及(ji)時(shi)向(xiang)負(fu)載(zai)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)發(fa)送(song)讀(du)取(qu)指(zhi)令(ling)，在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)PCM運行狀態。

　2.3 PCM耐久性測試規範
耐久性測試規範是PCM耐久性測試的依據，關係到PCM整體質量。為了提高PCM正常運行時的可靠性和耐久性
，必須建立一套能夠最大限度激發 PCM失效的測試規範。本係統建立耐久性測試規範的原則：（1）充分考慮引起PCM 失效的多種應力參數；（2）保證足夠的測試時間以驗證PCM模塊在預計的壽命內有足夠的可靠性。

根據PCM各種工況下的極限環境
，確定了溫度、濕度、電源電壓等重要參數，建立了一套周期為6小時的測試規範，具體如圖3所示
，並通過了利用DSPACE快速開發平台和NI虛擬儀器平台建立的耐久性測試實驗平台的檢驗。

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 3、PCM耐久性測試係統的主要構架

本係統采用研華工控機，通過安插調理放大器、A/D

、D/A卡，安裝Visual C++、LabVIEW等開發應用軟件
，構成一個虛擬儀器平台
，實現了計算機的全數字化的采集測試分析。此外，係統選擇了安捷倫6691A型大功率程控電源用於模擬蓄電池和發電機工作


，設計了能容納多個PCM的環境實驗箱。

　　3.1 信號發生子係統
在相關文獻中
，信號發生裝置均隻針對特定的PCM而設計，靈活性較差。該子係統利用虛擬儀器技術，主要結構是一個以ARM單片機和CPLD為硬件框架的嵌入式計算機係統。它隻要分配給各個信號發生模塊不同的標識(ID),就可通過現場總線進行係統擴展，實現多模塊的信號發生子係統網絡。

采用DDS技術在當前的測試測量行業已是一種主流的做法，其頻率精度可隨相位累加器的位數而定。本係統采用單片機+專用DDS芯片的方式產生正弦信號，其原理如圖4所示
，ARM單片機向CPLD 發出控製命令，CPLD 在時鍾下譯碼後產生DDS的控製信號

，產生出相應頻率的正弦波信號
，該正弦信號經過濾波放大後，輸出相應幅值的正弦信號。

 　　曲軸位置信號（CPS）是PCM控製點火係統中最主要的傳感器信號
，為適應多種PCM的需求
，設計采用CPLD和DA的方式產生。CPS信號產生原理如圖5所示，在EPROM中存有一個周期的正弦表數據，當需要產生 CPS信號時，ARM單片機對CPLD進行設置
，CPLD根據接收的控製命令，通過時鍾計數，產生讀存儲器的信號，並向EPROM提供合適的地址信號和控製信號，EPROM輸出相應地址的數據
，經D/A轉換，變成單端CPS模擬信號，然後經濾波電路和單端轉差分處理電路，輸出CPS差分信號。在實際的電路實現中，對CPS信號的控製可由計算機通過CAN總線向ARM發出控製命令進行設置，因此，即使ARM芯片在運行過程中複位

，電路仍能輸出正確的CPS信號，以確保測試周期的正常進行。

該子係統還針對各類PCM模塊的需求,設計了兩種VREF/2信號的產生方式：電阻分壓方式和運算放大器分壓；同時
，利用555時基電路和濾波放大電路設計了PWM發生器
；此外，該子係統還采用電阻分壓加集成運放隔離的方式產生PCM需要的小幅值固定電壓信號（比如1.0V）。

3.2 模擬負載子係統

該子係統主要模擬PCM連接的點火線圈、噴油
、碳罐電磁閥、廢氣再循環等輸出負載。該子係統是一個能模擬各種PCM輸出負載的開放式負載係統，並可通過現場總線進行係統擴展。

本文綜合分析了PCM負載的公共性和特殊性
，設計了兩種類型的負載板：gonggongfuzaibanheteshufuzaiban。monifuzaimokuaiyouduokuaimonifuzaibanzucheng，bingtongfuzaijiancemokuaiyiqianchazaifuzaixiangli。dangxuyaojinxingjutixiangmudeceshishi，ketongguo繼電器矩陣完成負載的切換工作。此外，還采用了光電隔離方式將PCM輸出信號轉化為負載監測子係統能接收的+5V TTL信號。

　　3.3 負載監測子係統
該子係統也是一個基於ARM單片機和CPLD為主要硬件框架的嵌入式計算機係統，並可通過現場總線，進行係統擴展。該子係統通過實時讀入模擬負載子係統中監測信號
，監測PCMzainaijiuxingceshiguochengzhongshuchudesuoyoufuzaixinhaodebianhuaqingkuang，baokuoxinhaodebianhuazhouqi，bufenzhongyaoxinhaoshuchudeshixudeng，bingjiangjiancejieguo，tongguoxianchangzongxianshangchuandaogongkongji。

    點(dian)火(huo)和(he)噴(pen)油(you)信(xin)號(hao)是(shi)汽(qi)車(che)發(fa)動(dong)機(ji)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)信(xin)號(hao)

，其(qi)周(zhou)期(qi)和(he)時(shi)序(xu)直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)到(dao)汽(qi)車(che)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)，因(yin)此(ci)監(jian)測(ce)它(ta)們(men)的(de)周(zhou)期(qi)和(he)時(shi)序(xu)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。本(ben)係(xi)統(tong)監(jian)測(ce)原(yuan)理(li)圖(tu)如(ru)圖(tu)6 所示，對於點火信號的監測，主要是監測它與CPS信號的同步，以及兩個或四個點火信號之間的時序關係。當CPLD尋找到點火信號與CPS同步的起始點後，根據輸入的PIP_IN信號
，對各點火信號進行計數。每當一個點火周期完成後

，在下一個點火周期向ARM 單片機產生一個中斷信號。該中斷信號觸發ARM 單片機進入中斷處理程序，在該中斷程序中，ARM單dan片pian機ji讀du入ru對dui各ge點dian火huo信xin號hao的de計ji數shu值zhi，判pan斷duan點dian火huo信xin號hao的de時shi序xu和he周zhou期qi，並bing設she置zhi點dian火huo信xin號hao正zheng常chang與yu否fou的de標biao誌zhi。對dui於yu噴pen油you信xin號hao的de監jian測ce，主zhu要yao是shi監jian測ce它ta與yuCPS信號的同步
，以及它們之間的時序關係。當PIP_IN信號中四個噴油信號中任何一個信號的下降沿到來時
，CPLD都會監測其它三個噴油信號的狀態，如果其它三個噴油信號的狀態正常，即給出噴油信號正常標誌，反之給出噴油信號異常標誌。

對於PCM模塊中頻率變化較低（比如2Hz）的慢速信號
，本係統采用RS232的總線讀取方式由ARM 監測它們的周期變化。

3.4 現場總線通信子係統
由於整個係統的各個子係統之間需要雙向傳送大量的數據，因此對係統的通信性提出了很高的要求：一方麵要有較高的通信速率；另一方麵又要有較靈活的協議轉換。由於CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性,因而得到了業界的廣泛認同和運用。本係統采用以CAN總線為主，兼有K-LINE、 GPIB
、RS485
、245總線的現場總線通信子係統，並可靈活組成多個通信子網，完成多模塊測試的要求。本係統采用兩個CAN子網（CAN0、 CAN1）
，對於每個PCM而言
，信號發生模塊和負載監測模塊、PCM組成一個通信子網CAN 1。工控機通過通信子網CAN0將各個子網連接在一起。

信號發生子係統與工控機的CAN通信：（1）設置信號發生模塊，其設置範圍主要是CPS類型、啟動CPS、啟動正弦信號的產生及開關量輸入繼電器
；（2）控製和讀取PCM故障代碼。信號發生模塊是工控機與PCM通信的中轉站。當工控機設置PCM或者在運行過程中讀取PCM模塊的故障信息時
，首先通過 CAN0向信號發生模塊發送指令
，信號發生模塊接收到該指令後，隻將ID更改後通過CAN1發送到PCM模塊。同理，信號發生模塊接收到PCM返回的 CAN報文後，隻將ID更改後通過CAN0發送給工控機。考慮到不同PCM類型的通信接口差異
，在信號發生模塊和PCM之間還添加了KLIN總線。當要設置PCM或讀取PCM的故障代碼時
，信號發生模塊通過CAN0接收指令，轉化成KLIN報文後，發送到PCM模塊；同理

，從PCM返回的KLIN報文，由信號發生板轉換成CAN報文後通過CAN0返回到工控機。

負載監測子係統與工控機之間的CAN通信：（1）設she置zhi繼ji電dian器qi矩ju陣zhen。工gong控kong機ji向xiang負fu載zai監jian測ce模mo塊kuai發fa送song設she置zhi繼ji電dian器qi矩ju陣zhen的de指zhi令ling
，負fu載zai監jian測ce模mo塊kuai接jie收shou到dao指zhi令ling後hou，將jiang繼ji電dian器qi矩ju陣zhen信xin息xi傳chuan遞di給gei對dui應ying模mo擬ni負fu載zai模mo塊kuai

；（2）讀取負載監測信息。在係統工作時，工控機不斷向負載監測模塊發送查詢負載監測信息的指令
，負載監測模塊接收該指令後，將當前的PCM負載監測數據組合成CAN報文的形式發送給工控機。

此外
，模擬負載子係統通過RS245總線與負載監測子係統相連，將繼電器矩陣信息傳輸給各個模擬負載模塊

，完成負載的切換工作
；大功率程控電源通過 GBIP與工控機相連，接收工控機的電源設置；環境實驗箱通過RS485 與工控機連接，接收其設置命令，調節環境溫度和濕度。

4、結論

目前，該係統已成功用於長安CB係列的PCM、STC 1××和2××係列的PCM耐久性測試，驗證了係統的通用性及可靠性。由於摩托車的PCM與汽車PCM原理相近，因此，它同樣適合摩托車PCM耐久性測試。雖然該係統可能還存在一些缺陷，但通過不斷地改進和升級，必將為開發汽車發動機控製係統提供紮實的設備保障。