基于CompactRIO的嵌入式车载电性能测试系统研发

基于CompactRIO的嵌入式车载电性能测试系统研发

李鸣¹，游彬²，张宇³

（1、3.南昌大学 信息工程学院；2.南昌大学 机电工程学院 江西 南昌 330031 邮箱：[email protected]）

摘要：整车电性能测试是汽车电源系统性能测试、电子控制器测试以及电气部件测试的总称,对车辆的启动，制动，转向以及安全行驶至关重要。本文研发一种基于CompactRIO的嵌入式车载电性能测试系统，详细阐述了该系统的结构设计和软硬件实现方法。该系统与传统的测试系统相比较，能够缩短测试准备时间，抵抗恶劣工作环境并且安装简单、测量精度高。通过对实车测试，证明该系统可以实现准确评定车辆电能分配是否合理，电性能安全系数是否达标。

关键词：整车电性能测试；CompactRIO；车载嵌入式；

中图分类号：TP23            文献标识码：A                  文章编号：（ ）

Research and Development of Embedded vehicleperformance testing System Based on CompactRIO

Li ming¹,Youbin²,Zhang yu³

(1,3.Collegeof Information Engineering , Nanchang University; 2.College of Mechanic andElectronic Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China Email：[email protected]）

Abstract:The Vehicle Electric performance test include Automotive powerperformance test,Electronic controller test and Electrical componenents test. Itis particularly important for vehicle start,steering and safety driving.Thistitle describes the development of a new embedded vehicle performance testingsystem based on CompactRIO and detail elaborated the system structure design,system hardware and software implementation method.Compared with the traditional testsystems, this system has the advantages of short test preparation time, strongadaptability to bad working environment, simple installation and highmeasurement precision.The system was proved to working well on the test ofelectric power distribution and electrical safety factor based on the realvehicle testing.

Keywords：VehicleElectric Performance Test; CompactRIO; Embedded On Vhicle;

1 引言

汽车智能化发展引发了车载测试技术的新变革，使用嵌入式自动化仪器对汽车进行性能检测正逐步取代传统人工经验式的检测方式。由于车载测试涉及多种信号、多变环境，还要满足苛刻的可靠性要求^[1]。因此迫切需要开发一种高集成、高可靠性且可自定义功能的车载测试系统^[2][3]。

整车电性能测试实施的目的在于获得整车电源及信号分配特性；获得车载用电器的详细电气特性；验证车辆线束系统的设计合理性；验证车辆电路保护系统选型的合理性；验证车辆线束系统、电路保护系统是否具备足够的过流/短路保护能力；为车辆电源网络最小化电压损失及优化成本提供依据；为后续系统改进提供数据基础与支持。

2005年12月，百拉得动力系统公司的雷伊·哈特威尔人发明了一种燃料电池的电平衡歧管组件^[4]，为电平衡测试提供了好的分析方法，给燃料电池安全的供应流体，使其在动态供电的过程中维持规定的电平衡标准。上海汽车集团有限公司张崇生于2009年发明了一种车辆静态电流测试系统^[5]，该系统主要是通过串联电源，负载与测试单元完成整个车辆的静态电流测试。2014年12月， 浙江吉利罗佑发动机有限公司发明了一种非插电式混合动力汽车能量消耗量测试方法^[6]，计算油耗和电能消耗量修正系数，综合处理车辆的电能分配。

传统电性能测试平台测试项目包括整车电平衡测试、启动性能测试、整车静态电流测试、抛负载测试、整车接地悬浮测试、感性负载测试等，涉及了测试工况的模拟，网络数据通信，因此它是一种合成的测试系统，不易拆卸和安装，测试线束多而杂，测试准备工作繁琐，耗时。本文设计一种嵌入式车载电性能测试设备，满足实时性要求的同时保证较高的测试精度，并且能够进行随车测试，适合于各种测试工况。

2 测试系统硬件设计

硬件设计采用模块化设计思想，由传感器模块，信号采集与处理模块，电源供应与管理模块组成，传感器模块获取电压，电流，温度等工况数据；电源供应模块负责设备的能源供应；信号采集与处理模块是系统的核心，用来做数据采集和测试分析，以及以太网数据传输等，采用NI CompactRIO嵌入式控制器作为核心做数据采集，能够高效的调理传感器转接信号，可靠性大大增强。

2.1 整体硬件设计

在被测汽车车身上连接到系统传感器模块上，由传感器模块将模拟信号导入到信号采集模块C系列板卡上，通过PCI总线连接FPGA组件与搭载实时系统的机箱，在实时系统做一些处理后，以以太网的形式传输到远端上位机。也可通过串口或是USB口连接一些外设或是大容量储存盘，整个测试系统硬件设计模式如图1：

图1 硬件结构

整合所有模块到测试系统手提箱中，需要控制各个模块的体积和可用性。电源模块需要提供一周以上的24v供电并且体积不超出规定范围（150*120*150mm），且与数据采集处理模块要用屏蔽板隔离，避免不必要的电磁干扰。由于测试信号通道数众多，所以线束也会多而杂，采用90 PIN EDAC整合线束，雷莫接插件处理接线端，从手提箱侧面走线，避免耦合干扰的产生。

2.2 传感器和电源管理模块设计

汽车启动的过程中发电机的电流常常超过千安，因此为了安全而方便的测量发电机的电流与电压，选择电流钳和分流计合成到系统中，实现100ma-1000A的AD/DC测量。

选用体积小的K型热电偶传感器集成到系统中，获取车身各零部件温度值，达到线性度高、精度高、灵敏度强等要求。

电压测试套件选用FlukeAC89与TLK282，把这套件包装到系统中，能够测量60V以上的电压，并且探针可插入到燃料喷射器中的weather pack连接器、TPS和MAP传感器中，方便测试。

定制锂电池体积小，集成度高，能够为系统提供24V的工作电压，35安时容量可以为系统续航一周时间。电源管理IC来分配各模块正常工作所需电压。

2.3 信号采集模块设计

NI CompactRIO控制器采用最新的Intel Atom处理器和Xilinx Kintex-7 FPGA，可以应用于分布式系统或者是单个的嵌入式系统^[7][8]。实时控制器采用NI-9074机箱，此控制器搭载了LabVIEW实时系统（RT系统），机箱拥有8个卡槽，能够同时连接8个C系列模块板卡，这些板卡通过PCI总线和控制器相连接^[9]。拥有三百万门的可重入I/O的FPGA核心可以高效率和高精度的处理数据^[10]。控制器拥有124MB的物理内存，488MB的磁盘空间，因此，NI Real-Time VxWorks系统可以稳定的完成任务注册，时间管理，内存分配，进程间通信等任务，如图2。

图2 NI-9074控制器机箱

车辆CAN信号的采集选用NI-9853模块，这种C系列板卡拥有2个通道，可做总线收发，且支持高达 1 Mbps 波特率。

发电机和大型负载端的大电压采集选用NI-9229模块，该模块输入量程为-60v到+60v，采样率为50 kS/s，支持24位模拟差分输入和128dB动态范围变化。

蓄电池和负载电流的采集选用NI-9205，NI-9205拥有32个单端输入通道，总采样率为250 kS/s，拥有可编程输入范围（±200 mV、±1、±5和±10 V），并且可溯源至NIST校准。

温度信号的采集选用NI-9213，这种C系列模块拥有16个通道，高速模式下每通道采样率为75S/s；温度测量范围由 NIST定义（J, K, T, E, N, B, R 和S 型热电偶），带有自动归零通道。

该系统的cmpactRIO尺寸为300.2*88.1*88.1（mm），适应于危险和抗压的环境下工作，并且工作温度范围在-40摄氏度到70摄氏度之间，适合于车辆性能测试的所有工况。这些特征使得设备拥有便携的设计，高度可靠性以及普遍适用性。

3 测试系统软件设计

软件设计采用层次设计思想，NI-compactRIO软件系统分为三个层次：底层的FPGA软件^[11]；实时系统软件；人机交互软件。板卡核心FPGA内置数据传输机制，有I/O配置和驱动，能够控制数据采样率，做数模/模数转换，信号调理，数据预滤波等操作。实时系统软件，指的是在系统上能及时响应外部事件的请求并且在规定的时间内完成对事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作的系统程序，有高可靠性和完整性。人机交互软件，实现命令输送、数据监控、网络通信、数据储存等操作。

3.1 FPGA模块软件设计

CompactRIO中的FPGA拥有非常丰富的超高速逻辑资源，并且具有大量的用户可编程I/O，适合灵活多变的场合^[12]；而且芯片功耗低，可以充分利用资源，协调数据的储存空间和吞吐量的平衡。从底层采集连续的大数据，采用的是DMA FIFO，DMA FIFO调节循环时资源同步，在FPGA底层终端通过PCI总线的仲裁，直接将数据存储在主机和终端都能获取的一片内存中，这片先进先出的缓存能够实时的传输数据，不会使连续的数据流失，能够保证完整的数据进入缓存中。下图为电压采集程序，如图3：

图3 FPGA采集电压

3.2 实时系统模块软件设计

嵌入式实时操作系统，它是按抢先式和时间片循环式（Rround-robin）执行任务并进行排序^[13]。系统使用抢先式排列，高优先级线程抢先于低优先级线程执行，优化确定性性能。基于多线程并行运行的机制在实时系统端（RT）上实现中转指令，消息处理，实时数据采集，网络传输等操作。

同步消息并行线程采用生产者消费者模型，生产循环为网络传输TCP/IP消息监控线程，连接TCP以后实时获取网络消息；消费者循环是消息处理线程，对上位机的命令消息做同步处理，分配相应任务给实时控制器。

数据采集和存储线程采用消息队列机制，根据不同消息触发对应操作模式。通过调用FPGA接口函数来取得I/O节点属性和方法，取出DMA FIFO中数据流，放入队列中，利用队列先进先出的特点，实时有序的出队到TCP/IP接口函数中，完成数据采集。

3.3 人机交互模块软件设计

系统上位软件包括LabVIEW编程集成控制及DIadem数据管理，通过对每个模块编程实现数据的采集，可根据测试需要调用集成无线传输模块、模拟电子负载、程控电源等设备，实现对整个测试流程的监控、测试数据的分析与测试报告的自动生成。设计流程如图4：

图4 上位机软件设计流程

如流程图所示，人机交互软件完成以下任务：1.用户管理和项目管理；2. 在PC 机中完成采集数据的实时显示，对数据进行分析，生成报表；3.与CompactRIO 实时控制器通讯，包括设置IP地址及端口号、建立TCP/IP通信、读取Meta Data、发送指令至控制器、得到从控制器传送过来的数据等；4.和数据库进行通讯，完成数据的存储与提取。

4 实车测试结果和分析

安装测试系统，测试吉利某车的电性能，包括有车窗开启，主附驾电动座椅开启，整车静态电流，电池水泵，还有车灯开启，空调控制器开启等等一系列测试项。超标评价标准如下：

1)       测试时电路保护装置断路（保险丝熔断）；

2)       测试时的平均电流超过了电路保护装置的极限-电路保护装置不在发动舱内；

3)       线束系统损坏（电线、连接器、接线盒）；

4)       测试时，发动机舱内电路保护装置的平均电流超过其极限的70%；

5)       电路保护装置的电流峰值超过其电流极限600%（仅用于开启瞬间的测试）；

6)       设备损坏（负载、开关、插头）；

7)       电机负载电流小于其稳态工作电流；

8)       电器工作时，蓄电池正极与电器正极间的电压降大于1v。

    测试数据存储形式是TDMS格式，作为一种二进制记录文件，它兼顾了高速、易存取和方便等优势，能够在NI的各种数据分析和数据挖掘软件之间进行无缝交互。图5是车辆在开启左车窗测试项，图6车辆风扇运转测试项的电信能数据：

图5 左车窗启动

电性能测试数据来源于保险丝IPPUSE11，B-V线条表示控制器前端保险丝IP PUSE11上的电压值，可以明显看到电压在车窗启动的过程中稳定在13.53-13.6v之间，相应电流也平稳，因此电能分配合理；IP11堵转电流线条表示车窗启动过程中堵转电流值，在启动瞬间扑捉到瞬态值为20.54A，没有超过保险丝限值的70%，堵转状态不出现性能超标，表示车辆此项电性能安全系数达标。

图6 风扇运转功率测试

启动瞬间时间虽然短，但是还是能通过设备获取到实时测试值，B-V曲线和B-A曲线表示风扇启动时电压和电流的变化过程，启动瞬间呈非线性变化，很快平稳到一个额定值，表示风扇电能分配在标准中，正常运转，保险装置无异常，电性能参数达标。

5 小结

       以车辆电性能测试流程为基础，分析各个测试信号的特点和需求，整合模块化硬件设备，合理布局系统结构，完成体积小，抗强震，适用性强的车载测试系统。

       将CompactRio与LabVIEW技术应用于测试系统中，使得系统在满足常规测试需求时，保证可靠性高、精度强。并且有着可扩展性强和开发周期短的优势。

通过实车测试，验证系统的科学性和可行性。

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