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2020年9月25日星期五
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基于CAN总线的汽车测试解决方案


Automotive Test System Based on CAN Bus

NI中国技术市场工程师 徐赟
上海聚星仪器有限公司 邵晖

更高功能的汽车设计带动更复杂的汽车电子测试技术的发展,中国的汽车测试界尤其面对着设备的短缺、技术的匮乏等诸多困难。本文针对中国的汽车电子测试业,介绍了一种集成的软硬件同步平台,它基于CAN总线领域中的PXI总线,及国际广泛应用的测试管理TestStand软件,构建成高集成度、可靠性、升级维护方便、开放彻底的测试系统。


随着中国汽车市场的快速发展和汽车电子的价值含量迅速提高,针对汽车电子的测试技术也变的日益复杂,在全球化的汽车设计和生产趋势下,中国本地的工程师越来越感觉到汽车电子测试所面临的种种困难,其中主要包括:

1.无法满足产品线不断更新的需求,并希望减少产品投放市场的周期。

汽车电子产品的日益更新,要求测试系统以最快的速度满足新的需求。而目前国外引进的专用测试系统往往升级周期较长,无法满足本地瞬息万变的产品测试需求。

专业汽车电子厂商往往生产多个不同型号的同类产品,并根据订单、物流的条件,其生产计划经常发生变化。如果不同型号的产品都采用不同的测试设备,将会导致测试设备重复利用率过低,大大降低投资效率。

2.目前汽车电子测试缺乏通用仪器的解决方案,如汽车音响及仪表盘的测试往往需要专门定制的仪器,而且这些仪器价格非常昂贵。

3.本地的售后服务,及时的故障响应。测试生产线上一切以生产线的持续运行为最高目标,当中国工程师不能掌握全面的故障诊断和维修技术时,就只能向国外的工程师求助,这样会导致响应速度慢,且代价昂贵。
4.复杂的汽车测试系统常常需要多种测量和控制任务的协同工作,一个用于集成的软硬件同步平台就显得尤为的重要。


CAN总线

20世纪80年代Bosch公司为解决汽车系统中各个电子单元之间的通信问题开发了CAN(Controller Area Network)总线标准。这种串行总线用一根或两根电线把汽车里的各个电子设备连接起来,相互可以传递信息。采用CAN总线避免了电子模块间大量繁复的连线,比如仪表板上车速、发动机转速、油量和发动机温度的指示就不再需要连接不同的线缆到对应的传感器,而只需要接入CAN总线,便可以从总线上获取相应信息。CAN的卓越表现使汽车制造商们纷纷开发并使用基于CAN和数据采集设备的测试系统。国际标准组织将CAN总线接纳为ISO 11898标准。National Instruments 公司在其标准虚拟仪器测试平台上推出CAN控制器系列,支持多种CAN总线的协议,其中包括高速CAN、低速容错CAN、和单线CAN。尤其是新推出的PXI-8464软件可选类型CAN控制器,可以帮助用户不用更改硬件连接,就适应各种CAN通信协议,同时既可以作为总线控制器,又可以作总线通信分析仪,使得测试设备可以在最大程度上适应柔性生产。


PXI+TestStand汽车测试平台

在基于CAN总线的汽车电子测量领域,最为成功的测试平台当属基于PXI总线和TestStand软件的虚拟仪器平台。

PXI作为一个符合工业标准的测试平台,它是建立在高速的CompactPCI总线基础之上,并加入了类似VXI所具有的定时、触发和同步功能。为了便于集成,PXI采用了开放的软件标准,其中包括通用的操作系统、即插即用的驱动和网络技术等。基于PXI的各种模块化仪器不仅具有标准化的硬件外形和接口、即插即用的安装方式,而且支持更高级别、更高兼容性的软件协议,比如可互换虚拟仪器标准(IVI)和虚拟仪器软件构架标准(VISA)等等。这样使得任何测试都可以标准化为相同的层次结构模式。

被测单元的物理信号经过传感器和信号调理接入测试测量硬件,这些模块化仪器都插在PXI机箱内,和PXI总线接口相连。驱动程序通过PXI底层通信和模块化仪器交换测控数据。测控软件包通过驱动程序实现通用的数据采集、仪器和被测单元控制。信号处理软件包调用信号处理工具,实现通用信号分析功能。测试测量模块调用测控软件包和信号处理软件包,来实现和具体被测单元相关的测试测量。这些测试测量模块构成了整个检测的单项步骤,被测试软件平台调用。

NI公司的TestStand软件是一个测试管理软件。它提供了每项测试所共有的内容,比如测试流程管理、结果存档和报表、用户权限管理、操作工界面等等。以这个软件为平台,向下可以调用各个测试模块形成标准的测试流程,向上可以把数据记录到数据库,从而和硬件系统一起构成完整的测试测量系统。(见图1)

图 1 基于PX1+TestStand平台的测试系统(略)


应用案例

上海聚星仪器公司是国内将PXI+TestStand平台技术应用在基于CAN总线的汽车系统测试的倡导者之一,例如聚星公司开发的基于CAN总线的汽车音响测试系统,用于全自动汽车收音机流水线的测试,每条自动流水线配备了6个PXI测试站,对音响不同组装阶段中的不同功能进行自动测试。当该流水线又承接了另一个全新的汽车收音机的项目,并要求根据订单调配该流水线的生产计划时,由于采用了PXI+TestStand的平台技术,流水线改造无需购买新的测试仪器,只需修改相应的软件程序既可快速投入新产品的测试中。这家厂商对新收音机的测试系统改造只花了1个多月的时间,而如果从国外系统集成公司进口测试仪器至少需要4-6个月的时间。提前3个月推出新产品不仅意味着提前盈利,更在很大程度上抢先占领了市场份额。

图2 收音机测试连接示意图(略)

图2显示了一个典型的基于PXI+TestStand的收音机测试系统。其中标识1为采用Pentinum M的PXI-8196嵌入式控制器,控制器上提供了串口、并口、以太网口、USB和GPIB等接口,并且所有的软件都在它上面运行;标识2为PXI-8664 CAN控制器和收音机的CAN总线连接;标识3为PXI-4472动态信号采集卡,配合聚星的音频分析软件实现音频分析仪的功能,它同时和收音机的喇叭输出连接,8个输入通道可以和4声道平衡输出匹配;标识4为PXI-5671射频信号发生器,配合聚星的射频软件实现立体声无线电信号源的功能,它和收音机的天线输入连接;标识5为PXI-2565高性能继电器,负责电源开关和其他开关切换,它的接触电阻仅30毫欧姆,单路可承载5安培的电流;标识6为PXI-4070数字万用表模块,它与电源以及继电器连接,测量电流和电压,提供6位半的精度。以上是PXI+TestStand检测平台的一个典型应用。被测件——收音机的CAN、音频、射频和电源是物理的测控对象,它们和各自的模块化仪器连接。模块化仪器都和PXI总线连接,交换测控数据和指令。所有的模块化仪器都有相应的软件控制,形成功能独立且可相互集成的测试软件模块。这些测试软件模块再由测试管理软件(TestStand)有机地构建成统一的测试流程。


PXI+TestStand平台的优势

对于客户而言,这种基于PXI+TestStand软硬件平台的测试系统具有集成度高、可靠性好、升级维护方便、开放彻底的优点。

首先,可以使用一个标准3U的PXI机箱插上各种模块来替代原来塞满整个机柜的多个传统仪器;对于基于CAN总线的被测单元,又往往需要多种测试模块协同工作对被测单元的各种性能进行测试。比如一个汽车仪表板的功能测试就需要CAN控制器、模拟电压和电流采集、指示灯的开关控制、夜间照明的PWM采集、LED的视频检测等,而所有这些检测仪器都可以集成在一个PXI机箱里。这样在减小设备体积和占地的同时,又大大简化了检测设备的复杂度和连线的复杂度,从而提高了设备的可靠性。

其次,由于采用了标准化的平台结构,使得设备的检修和升级被大大的简化。比如一个工厂想更换现有的示波器或升级到PXI的示波器时,由于PXI的示波器和这些传统示波器一样都支持GPIB和IVI的标准,用户只须在IVI驱动程序中配置相应的系统资源名称,不需要更改任何的测试代码,就可以轻松的完成替换和升级。这样可以在节约投资的同时大大减少维护和升级的代价,尤其是减少生产线的中断时间。此外,从软件角度讲,由于所有的测试都采用相同的TestStand平台软件,当生产工艺变化或被测产品升级需要更改测试的流程或设置时,生产维护工程师只需要掌握一种软件-TestStand,即可以轻松维护所有的检测站。

最后,对工程师可能也是最重要的,就是一个彻底开放的测试系统。它需要向测试工程师开放全部的测控信息,使得工程师有机会掌握自动测试测量的核心技术。这样的测试系统构架将数据采集、信号分析、测试流程和数据管理分层次地开放,使得工程师可以轻松地获取原始信号、调整分析方法和预处理参数、优化测试流程和定义数据报告结构格式等。比如在基于CAN总线的测试中,可以用另一块CAN控制卡监视被测单元和外界的通信时序,分析总线逻辑是否符合规范。又可以获取有问题的汽车音响的音频输出,作详细的事后分析,找出问题所在。曾经有一款汽车收音机的信噪比较低,用标准的检测方法无法诊断问题的原因。测试工程师对信噪比测试程序稍作修改后,将原始音频记录下来,再用FFT函数作频谱分析,发现在超过20kHz的某个频率有异常的峰值,立刻就进行了故障排除。

基于PXI+TestStand测试平台的CAN总线汽车测试解决方案能帮助工程师提高汽车测试的效率,降低测试系统的成本,并能应对不断升级的汽车测试需求,为汽车电子领域提供了崭新的测试理念和解决方案。

2005GEC.7
         
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