基于​LabVIEW​和​PXI​的​汽车​数字​仪表​测​控​系统​设计

全​周 刘, 中国​汽车​技术​研究​中心

""本文​所​介绍​的​测试​系统​不仅​能够​对​汽车​数字​仪表​进行​在​线​测试,​而且​作为​具备​CAN​网络​节点​的​测试​设备​可以​进一步​升级​为​汽车​网络​诊断​测试​系统。""

- 全​周 刘, 中国​汽车​技术​研究​中心

挑战:

在​汽车​智能​数字​仪表​的​开发​过程​中,​数字​仪表​所​需要​采集​的​信息​量​比较​多,​各种​车​型​的​信息​参数​又​差别​较大,​这些​问题​的​存在​给​仪表​的​实​车​测试​和​参数​标定​带来​了​困难。​为了​在​开发​过程​中​能够​快速​有效​的​测试​系统​的​各​项​功能,​提高​系统​开发​效率,​我们​设计​了​一套​测试​系统,​它​能够​模拟​产生​汽车​上​的​各种​参数​信息,​快速​的​对​设计​仪表​进行​全面​的​测试,​节约​台​架​或​实​车​测试​时间,​降低​测试​风险。

解决​方案:

利用​NI​公司​的​软​硬件​产品,​结合​一块​自行​研发​的​数据​通信​转换​卡​构成​数字​式​仪表​在​线​测试​系统,​系统​模拟​数字​仪表​测试​所​需要​的​车辆​的​各种​状态​参数​和​信号,​包括​模拟、​数字、​开关​量​及​CAN​等​信号,​驱动​待​测​数字​仪表,​模拟​车辆​相关​状态​工作​并​反馈​数字​仪表​的​工作​状态​信息。​通过​NI​公司​的​LabVIEW​软件​平台​对​整个​测试​系统​进行​开发,​最终​提供​了​一个​完整​的​汽车​智能​数字​仪表​的​测试​方案。

作者:

全​周 刘 - 中国​汽车​技术​研究​中心
​宏伟 张 - 中国​汽车​技术​研究​中心
​春华 汪 - 中国​汽车​技术​研究​中心

 

系统​设计

汽车​智能​数字​仪表​测试​系统​的​开发​要求​针对​不同​的​车​型,​能够​模拟​产生​出​仪表​所需​的​各种​采集​信号​信息,​并且​能够​通过​CAN​接口​与​被​测​仪表​进行​通信。​本文​介绍​的​测试​系统​包括​以下​主要​功能。

 

  1. 车速​里程表​的​脉冲​信号​模拟​产生
  2. 发动​机​转​速​表​的​脉冲​信号​模拟​产生
  3. 车辆​燃油​表​信号​模拟​产生
  4. 车辆​水温​表​信号​模拟​产生
  5. 各种​车​灯、​车​窗、​车​门​等​车身​开关​信号​模拟​产生
  6. 数字​仪表​具有​CAN​通信​接口,​作为​一个​CAN​节点,​可以​与​车​上​CAN​网络​上​的​其他​节点​进行​通信。

 

 

系统​硬件​设计:

数字​仪表​测试​系统​的​硬件​系统​主要​包括​主​控制器、​PXI​板​卡、​信号​接​线​盒、​数据​通信​转换​板​卡、​供电​电源​以及​被​测试​仪表​等​主要​部分。​NI​公司​提供​的​PXI​模​块​化​板​卡​设备​具有​体积​小、​速度​快、​易​扩展​等​特点,​因此​在​硬件​设计​方面​我们​采用​了​PXI​板​卡​产生​汽车​仪表​所需​的​各种​信号。​汽车​数字​仪表​的​里程表​和​发动​机​转​速​表​需要​采集​的是​数字​脉冲​信号,​不同​的​车​型​由于​采用​的​传感器​不同,​所​输出​的​脉冲​信号​高​电​平​从​3V-12V​不等。​为了​能够​全面​测试​设计​仪表​的​信号,​采用​PXI-6624​板​卡,​配合​外部​供电​电路,​产生​仪表​所需​的​一系列​数字​脉冲​信号。​PXI-6624​是​工业​级​隔离​的​32​位​定​时​器​/​计数​器​PXI​接口​板​卡,​具有​8​路​隔离​的​通道,​我们​采用​Couter0​和 Counter1​作为​车速​表​和​转​速​表​的​脉冲​信号​提供​通道。​燃油​表​和​水温​表​采集​的是​模拟​信号,​PXI-6233​能够​输出​4​路​10V​模拟​电​平​信号,​PXI-6713​能够​输出​8​路​10V​模拟​电​平​信号,​我们​选择​PXI-6713​或者​PXI-6233​的​2​个​模拟​输出​通道​作为​燃油​表​和​水温​表​的​模拟​信号​提供​通道。​由于​仪表​上​的​开关​量​信号​比较​多,​如​刹​车、​左右​转向​灯、​燃油​报警、​水温​报警​以及​左右​车​门​开关​信号​等,​他们​之间​产生​的​干扰​也​比较​大。​我们​选用​PXI-6528​对​仪表​的​开关​量​进行​控制,​PXI-6528​是​高速​隔离​的​数字​I/​O​通道,​输入​和​输出​通道​分别​独立,​有效​的​抑制​了​信号​之间​的​干扰。

 

采用​一块​数据​通信​转换​卡​来​完成​仪表​参数​的​标定​以及​作为​CAN 节点​与​车​上​其他​CAN​节点​的​数据​通信,​该​卡​的​主要​功能​是​完成​串​口​信号​与​CAN​信号​之间​的​转换​功能,​开发​数据​通信​转换​卡​的​目的​一是​为了​节约​成本,​二​是​考虑​到​大​多数​台式​机​或​笔记​本​没有​CAN​接口。​通过​这个​板​卡​对​被​控​仪表​的​特征​参数,​如​车辆​的​特征​系数、​传感器​的​传​感​系数、​发动​机​的​速比​以及​仪表​的​一些​标定​参数​等​进行​设定。​由于​目标​车​型​不​确定,​仪表​的​一些​特征​参数​需要​实​车​测试​才能​最后​标定,​所以​该​板​卡​可​作为​以后​仪表​参数​标定​用。

 

整个​测试​系统​硬件​功能​框​图​如​图​1​所​示。

 

图​1 仪表​测试​系统​硬件​功能​框图

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系统​软件​设计:

仪表​测试​系统​软件​采用​NI​公司​的​LabVIEW 8.20​平台。​LabVIEW​是​基于​图形​化​编​程​语言​的​虚拟​仪器​软件​开发​平台,​具有​功能​强大​的​函数​模​块​库,​特别​适用​于​测试​和​控制​系统​的​开发。​结合​NI​的​硬件​模​块,​能够​方便​的​进行​采集​和​分析​相关​测试​数据。​考虑​到​仪表​整体​功能​测试​和​模​块​功能​测试​的​需要,​整个​系统​主要​包括​界面​模​块​和​各个​功能​测试​模​块。​根据​信号​类型​将​仪表​功能​测试​分为:​车速​表​测试​模​块、​发动​机​转​速​表​测试​模​块、​燃油​表​测试​模​块、​水温​表​测试​模​块、​开关​量​测试​模​块、​CAN​通信​测试​模​块​以及​参数​设置​模​块​等​主要​功能​模​块。​汽车​仪表​测试​系统​的​软件​总体​功能​框​图​如​图​2​所​示。

 

图​2 仪表​测试​平台​软件​总体​功能​框图

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1.​界面​模块

测试​平台​左侧​是​各种​模​块​功能​测试​的​切换​按键,​可以​切换​到​单​个​功能​模​块​的​测试​项目。​右侧​主​界面​模拟​汽车​仪表​板​的​显示​界面,​如​车速​表、​转​速​表、​水温​表、​燃油​表、​里程​指示​以及​各种​报警​和​开关​信号​等​信息​显示。​在​进行​测试​实验​中,​工作​人员​通过​主​界面​即可​观测​到​仪表​测试​的​整体​功能。​主​界面​前​面板​如​图​3​所​示,​控制​框​图​如​图​4​所​示。

 

图​3​主​界面​前​面板

图​4 主​界面​功能​控制​框图

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2.​模​块​测试​设计

车速​表​的​测试​需要​预先​了解​设定​目标​车​型​的​特征​参数,​如​车辆​特征​系数、​车速​传感器​的​传​感​系数​等,​然后​通过​数据​通信​卡​(CAN​总​线​信号)​将​特征​参数​下载​到​被​测​仪表,​按照​测试​要求​产生​脉冲​信号,​信号​的​幅​值、​频率​可以​通过​手​动​/​自动​进行​调整,​车速​信号​具备​超速​报警​提示​功能,​根据​设定​的​超速​门​限​值,​高于​该​门​限​值​时,​通过​主​界面​前​面板​上​的​超速​报警​灯​闪烁​来​提示。​测试​过程​也可以​手​动​/​自动​进行,​测试​结果​存档​以​备​查询。

 

图​5 模​块​软件​测试​状态​转移图

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车速​表​测试​模​块​的​设计​采用​状态​机​设计​模式,​如​图​5​所​示。​主要​分为​开始、​获取​参数、​手​动​/​自动​选择、​采集​(手​动)、​检查​时间​(自动)、​输出​信号​和​停止​等​状态。​其中​参数​的​获取​主要是​获取​前​面板​上​特征​系数​和​传​感​系数​的​参数​值。​通常,​这​两​个​值​在​仪表​参数​标定​的​时候​需要​在​线​修改。​检查​时间​是​指​按照​程序​规定​的​时间​输出​规定​的​信号,​本​系统​中​采取​三角波​模式​的​车速​变化​趋势​对​仪表​进行​测试,​它的​控制​框​图​如下​图​6​所​示。

 

发动​机​转​速​表​测试​模​块​类似​于​车速​表​测试​模​块,​区别​在于​它的​特征​参数​不同。​根据​特定​车​型​的​情况,​通过​数据​通信​卡​(CAN​总​线​信号)​将​发动​机​转​速比​下载​到​被​测​仪表,​然后​对​其​进行​测试。

燃油​表​的​测试​需要​预先​设定​目标​车​型​的​燃油​测试​范围​以及​燃油​门​限​报警​值,​通过​数据​通信​卡​(CAN​总​线​信号)​将​参数​值​下载​到​被​测​仪表,​然后​按照​测试​要求​开始​测试。​根据​设定​的​燃油​门​限​值,​低于​该​门​限​值​时,​通过​主​界面​前​面板​上​的​燃油​报警​灯​闪烁​提示。​测试​过程​可以​手​动​/​自动​进行。

 

燃油​表​的​测试​采用​状态​机​的​设计​模式,​主要​分为​开始、​获取​参数、​手​动​/​自动、​采集、​检查​报警、​输出​信号​等​状态。​水温​表​的​测试​同​燃油​表,​在此​不做​具体​说明。

 

图​6 车速​测试​模​块​控制​窗口

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3.CAN​通信​测试​模块

所有​的​模​块​测试​之前​首先​需要​对​该​模​块​的​参数​进行​初始​化,​如​进行​特征​系数、​传​感​系数、​发动​机​速比、​超速​门​限、​燃油​门​限、​水温​门​限​以及​测量​范围​等​参数​的​设置。​数据​通信​采用​CAN​协议,​鉴于​成本​方面​的​考虑,​我们​在​LabVIEW​上​对​串​口​进行​操作,​然后​通过​数据​转换​板​卡​输出​CAN​信号,​CAN​信号​直接​与​被​测​仪表​进行​数据​通信,​因此,​需要​定义​一个​简单​的​CAN​通信​协议。​测试​系统​作为​CAN​网络​上​的​一个​节点,​节点​ID​号​可以​根据​需求​自行​设定,​数据​区域​由​命令​字、​数据​长度、​数据、​校​验​位​组成。​以下​图​7​为​CAN​通信​前​面板​图,​表​1​是​仪表​参数​设定​CAN​通信​简单​协议。

 

图​7 CAN​通信​测试​前​面板

表​1​仪表​测试​参数​设定​CAN​协议

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测试​结果​分析

通过​对​现有​车辆​安装​的​数字​仪表​进行​测试,​各​项​关键​指标​如​速度​传感器​和​发动​机​转​速​传感器​的​测量​误差​均​满足​国​标​QC/​T 727-2004​的​要求。​同时​作为​CAN​节点,​根据​特定​的​CAN​应用​协议,​能够​有效​实现​汽车​仪表​的​参数​设定​及​CAN​网络​通信。

 

总结

采用​NI​的​PXI​平台​以及​灵活​方便​的​LabVIEW​软件​系统,​使得​我们​在​短期​内​构​建​了​一套​汽车​数字​仪表​产品​开发、​测试、​评估​多功能​于​一体​的​测试​平台。​通过​对​实际​仪表​的​测试,​结果​表明​该​套​测试​系统​能够​快速​准确​的​完成​对​被​测​仪表​的​各​项​功能​测试,​并且​该​系统​具备​可​扩展​性,​可以​很​方便​的​移植​到​其他​产品​的​测试​方案​中,​为​我们​后​续​汽车​电子​产品​的​研发​积累​了​测试​经验。

参考文献:

 

  1. 雷​振​山. LabVIEW 7 Express 实用​技术​教程​[M]. 北京:​中国​铁道​出版社,​2004.
  2. 周​浩敏,​王​睿.​测试​信号​处理​技术​[M].​北京:​北京​航空​航天​大学​出版社,​2004.
  3. 杨​乐​平,​李​海​涛,​赵​勇​等. LabVIEW​高级​程序​设计​[M].​北京:​清华大学​出版社,​2005.
  4. National Instrument Co. LabVIEW Programmer Reference Manual[Z]. 1998.

 

作者​信息:

全​周 刘
​中国​汽车​技术​研究​中心

图​1 ​ ​仪表​测试​系统​硬件​功能​框​图 ​
图​2 ​ ​仪表​测试​平台​软件​总体​功能​框​图 ​
图3 ​ ​主​界面​前​面板 ​
图​4 ​ ​主​界面​功能​控制​框​图 ​
图​5 ​ ​模​块​软件​测试​状态​转移​图 ​
图​6 ​ ​车速​测试​模​块​控制​窗口 ​
图​7 ​ ​CAN​通信​测试​前​面板 ​
表1 ​ ​仪表​测试​参数​设定​CAN​协议 ​