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意義，同時也有利于設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70年代誕生。當時，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)的調整能力較差。20世紀70年代微處理器誕生了，這種技術可以實現(xiàn)控制火花定時和燃料混合所需的復雜、高速的運算。在80年代早期ECU成為了大多數(shù)車輛中的標準部件。ECU是設計用于解決具體問題的計算機。通常ECU是汽車中最為復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是負責發(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)設計永遠沒有瑕疵，軟件永遠正常運行，從來不會有客戶退貨，產(chǎn)品和原材料質量問題為零，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、可重復的和可跟蹤的最低質量標準。質量確實有價值，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量要求和標準（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。供應商合同中通常都包括由于供應商的原因造成的元件缺陷相關的罰款條款。 

　　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)。質量標準通常都要求對一定比例的ECU進行質量評估，以確保生產(chǎn)工藝沒有缺陷。這種質量評估通過連續(xù)一致性（小型設計驗證）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)流程各階段質量水平的重要手段。這一狀況使測試機構面臨著極大的壓力，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)汽車元件供應商都有高產(chǎn)量生產(chǎn)線，停產(chǎn)會對帶來巨大損失。JIT（準時）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)質量控制程序和流程的要求，出錯會導致停產(chǎn)。由于這些原因，測試設備必須可靠且精準。 

　　測試范圍必須全面。測試系統(tǒng)的測試范圍應盡可能廣而且測試必須精確。測試系統(tǒng)應盡可能防止生產(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，修復的成本越高。 

　　測試系統(tǒng)必須快速運轉。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，如設備、培訓、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。 

　　除了以上這幾點，測試系統(tǒng)設計人員還必須在有限的預算和越來越短的時間內(nèi)完成設計。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、技術和客戶需求不斷涌現(xiàn)。面臨這一切，測試系統(tǒng)設計人員必須找到一種使其開發(fā)的系統(tǒng)既可滿足當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復雜。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)動機轉速、曲軸位置、空氣質量（氧氣含量）、發(fā)動機溫度、發(fā)動機負荷（如空調（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理/數(shù)據(jù)采集接口，以將來自傳感器的模擬信號轉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．開關輸出 - 開/關型輸出。

　　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-直流轉換器。電池電壓被轉換為適合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： 

　　開關檢查- 檢查電源和接地之間是否短路或開路。 

　　電源負載測試- 如果ECU采用模擬電源，則在最大負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”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用軟件（有時稱作應用碼）。應用軟件中包括校準查找表。這些表根據(jù)輸入的反饋設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對ECU進行重新編程。在某些情況下，應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)議和標準的種類很多，而且每隔幾年就會出現(xiàn)新的協(xié)議和標準。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；當廢氣排放量超出容許標準時，ECU會記錄數(shù)據(jù)以供技術人員使用。技術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%，用于通信鏈路的設備對系統(tǒng)性能具有很大的影響。 設備的吞吐時間（如將RS-232轉換成CAN 或將CAN 轉換成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。假設你有一個用于將RS-232 轉換為CAN的車輛通信接口（VCI）設備。如果VCI設備的RS-232側在9600波特和每波特1位的條件下運行，則RS-232側的傳送速率為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。當然，信息通常需遵守命令/響應協(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轉換為CAN，由CAN 轉換為 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側的運行速度達到18.2kbps 的VCI設備，就可將測試時間縮短1.83秒。在必須將測試碼或應用碼下載至ECU的情況下，選擇慢速的設備會造成更大的影響。 

　　八、離散輸入 

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

　　在ECU 測試系統(tǒng)中，通常由通用和/或矩陣繼電器組成的負載/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)動機應用中，曲軸和凸輪信號都被用于向ECU提供速度（轉速）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、開關輸出 

開關輸出，有時也稱作離散輸出，通常為小電流驅動器（<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輸出。有時根據(jù)開關輸出向系統(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動器和小電流驅動器。這些輸出驅動的負載可以是電阻性負載（如檢查發(fā)動機燈），也可以是電抗性負載（如氣動電磁閥）。

　　十二、脈寬調制 （PWM）輸出 

　　PWM輸出是ECU輸出中最為復雜的。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)動機應用碼使用所有這些反饋進行一些運算，然后在校準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輸出驅動電感性負載，如點火線圈和噴射器電磁線圈。大多數(shù)負載均小于5A，但有些負載，如點火線圈，則根據(jù)發(fā)動機設計的不同可為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備。頻率輸出的例子有ISC，即怠速控制，它調整進入燃油系統(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供應商或第三方軟件供應商處獲得附加軟件或軟件包也是值得考慮的因素。隨ADE一起提供的標準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)行程序或將測試執(zhí)行程序代碼從舊產(chǎn)品導入到新產(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)）設備，這些設備幾乎可用于需要CAN接口的任何汽車測試應用中。 

　　十五、本文小結 

　　ECU是具有多功能輸入和輸出的復雜電子設備。測試工程師在設計和開發(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備（如PXI）與虛擬儀器的結合為ECU測試應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)。