張志強，王穎

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130012）

一種應(yīng)用于ECU HIL測試系統(tǒng)的PWM信號自學習模塊設(shè)計

張志強，王穎

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130012）

基于某款在研的動力總成電控系統(tǒng)HIL測試平臺，設(shè)計了PWM信號自學習模塊，節(jié)省了系統(tǒng)硬件資源，擴展了系統(tǒng)功能，滿足ECU實際測試應(yīng)用需求。

PWM自學習；硬件在環(huán)；測試應(yīng)用

1 設(shè)計背景及目的

隨著汽車市場競爭日趨激烈，各主機廠加速應(yīng)用電子控制系統(tǒng)。但是由于控制單元功能的復(fù)雜化，其產(chǎn)生的問題也不斷增加［1］。電子控制單元硬件在環(huán)（ECU HIL）測試在整車電子電器開發(fā)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過合理的設(shè)計和設(shè)備的軟、硬件資源配置，可以構(gòu)建較高性價比的HIL測試系統(tǒng)。ECU HIL廣泛應(yīng)用在整車電子電器開發(fā)V模型的測試階段，對保證ECU產(chǎn)品軟、硬件品質(zhì)發(fā)揮著重要作用。在實際應(yīng)用過程中，設(shè)備硬件資源是有限的，如何利用這些有限資源，更好地服務(wù)于更多的項目，是工程師們所不斷追求的目標。本文以現(xiàn)有ECU HIL測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計PWM信號自學習模塊，擴展設(shè)備功能，滿足實際應(yīng)用需求。

2 設(shè)計方案及實現(xiàn)

ECU HIL測試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照自下向上的設(shè)計模式，主要包括硬件操作系統(tǒng)層、模型層及應(yīng)用層。硬件操作系統(tǒng)層主要包括NI實時處理器、板卡及操作系統(tǒng)等；模型層主要包括IO模型、發(fā)動機模型、自動變速器模型、其它輔助車輛模型等；應(yīng)用層主要包括測試用例設(shè)計、測試腳本實現(xiàn)、測試報告生成等模塊。

圖1 ECU HIL測試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

2.1 資源描述

ECU和實時系統(tǒng)交互使用較多的通道包括DIO（數(shù)字輸入輸出）［2］、AIO（模擬輸入輸出）［3］、特殊信號（如曲軸、凸輪軸、噴油、點火等）［4］。對于DIO通道，NI提供可重配置功能，使用LabVIEW編程，可以將其開發(fā)成為PWM IN／OUT通道。但是，對于固定的DIO板卡，其FPGA資源是有限的（如計數(shù)器、定時器等計算和存儲資源），則將DIO通道配置成PWM IN／OUT通道數(shù)目也是有限的。當PWM資源使用完畢時，如何在當前硬件配置下再解析PWM信號呢？本文使用DI通道對PWM信號進行采集，在模型層使用PWM信號自學習模塊進行解析，將解析后的信號傳遞至發(fā)動機或者變速器模型，完成被控對象仿真功能，實現(xiàn)ECU測試應(yīng)用。

2.2 模塊設(shè)計及實現(xiàn)

本文設(shè)計的PWM信號自學習模塊主要由初始化模塊Initial、頻率自學習模塊f_SelfLearning、占空比自學習模塊DC_SelfLearning、故障處理模塊FaultMode、語義自學習模塊Semantic_SelfLearning 5個子模塊構(gòu)成。PWM信號自學習模塊功能是基于輸入的PWM信號，解析出其頻率和占空比，同時根據(jù)信號的語義解析出其對應(yīng)的等效邏輯值。模塊設(shè)計的主體思路是通過Initial模塊初始化計算資源，然后由f_SelfLearning模塊計算出頻率值，接著由DC_SelfLearning模塊計算出占空比值，最后由Semantic_SelfLearning模塊計算出等效語義值。

2.2.1 Initial模塊設(shè)計

Initial模塊主要在固定時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計數(shù)器的初始化，本文使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是隊列Queue，滿足先進先出的原則。Initial模塊算法設(shè)計如下。

2.2.2 f_SelfLearning模塊設(shè)計

f_SelfLearning模塊基于隊列結(jié)構(gòu)，隊列中每個元素是一個采樣計算點，整個隊列始終保持Q.size個最新的計算點，以求出針對當前隊列元素的PWM信號頻率。f_SelfLearning模塊算法設(shè)計如下。

2.2.3 DC_SelfLearning模塊設(shè)計

DC_SelfLearning模塊通過信號頻率計算出信號周期，在每個周期時間內(nèi)使采樣點進入隊列，遍歷隊列計算出信號不同采樣值的數(shù)目，最后計算出信號的占空比。DC_SelfLearning模塊算法設(shè)計如下。

2.2.4 FaultMode模塊

FaultMode模塊在初始化失敗的情況下運行，為了避免對HIL系統(tǒng)其它模塊產(chǎn)生干擾，其輸出PWM信號頻率和占空比的錯誤值，并且終止DC_SelfLearning模塊的運行，以減少對系統(tǒng)計算資源的消耗。

2.2.5 Semantic_SelfLearning模塊

Semantic_SelfLearning模塊，主要用于ECU以PWM OUT信號的形式來主要表達DO含義的場景，根據(jù)來自ECU的PWM信號的語義（高低有效性、占空比含義特性等），模塊中設(shè)置一個閾值τ，將已經(jīng)求出的占空比值和閾值τ進行比較，同時對頻率值進行取值范圍判定，最終形成一個等效的語義邏輯，以Semantic_High或者Semantic_Low的形式輸出。

2.2.6 模塊算法實現(xiàn)

本文使用Simulink［5］建模實現(xiàn)上述模塊設(shè)計的算法，其中，總體模型如圖2所示，DC_SelfLearning模塊如圖3所示。

本文基于的HIL系統(tǒng)其最終更新頻率為1 000 Hz，所以初始化隊列大小為1000，以容納1s之內(nèi)的所有采樣點。

圖2 PWM信號自學習模塊總體模型

圖3 DC_SelfLearning模塊模型

實際建模過程中，由于通過模型軟件實現(xiàn)，所以本模塊的應(yīng)用范圍是：被解析的PWM信號周期與被解析的PWM信號占空比的乘積是模型仿真步長的整數(shù)倍。同時需要處理模塊間觸發(fā)機制、復(fù)位信號產(chǎn)生、除零溢出等技術(shù)細節(jié)問題。

3 實際應(yīng)用

將搭建的PWM信號自學習模塊加載到HIL系統(tǒng)中，用于對奔騰B50車型項目測試。下面例舉2個應(yīng)用場景：其一是用于怠速起停功能測試；其二是用于ECU繼電器診斷功能測試。

3.1 怠速起停功能測試

對于怠速起停功能測試，當車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣歧管壓力、水溫等條件滿足邏輯約束時，發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS和自動變速器控制單元TCU協(xié)同進行停機處理，TCU IC驅(qū)動Port口輸出PWM信號，PWM自學習模塊對信號進行解析，將解析后的頻率和占空比信息傳遞至自動變速器模型，用于計算油路壓力，示波器顯示如圖4所示。經(jīng)過PWM信號自學習模塊后，學習到的頻率和占空比在Veristand軟件中顯示如圖5所示。

從圖4、圖5可見，TCU發(fā)出PWM信號的頻率為20.00Hz、占空比為74.4%；經(jīng)過PWM信號自學習模塊解析后，頻率為20 Hz、占空比為70%～72%，可以滿足實際ECU測試應(yīng)用需求。對于占空比解析存在的誤差，是多方面因素的疊加結(jié)果，主要包括DI通道采集誤差，信號傳遞至模型后模型仿真計算誤差等。

圖4 TCU輸出的電磁閥控制PWM信號

圖5 經(jīng)過自學習模塊解析出的頻率和占空比

圖6 ECU輸出PWM信號

3.2 ECU繼電器診斷功能測試

對于ECU繼電器診斷功能測試，ECU IC中同一個Port口，在同一個項目不同的階段，其輸出由DO變?yōu)镻WM OUT，用于繼電器粘連診斷。同時ECU還需要使用PWM OUT信號表達DO的含義，以控制繼電器的吸合與斷開。如果不進行信號語義形式轉(zhuǎn)換，則發(fā)動機模型就會異常起動，無法正常測試。示波器顯示的ECU發(fā)出信號如圖6所示。經(jīng)過PWM語義模塊學習之后，輸出信號在Veristand軟件中顯示如圖7所示。根據(jù)語義，主繼電器控制、輔助電子水泵繼電器控制均為低電平有效，在模型中使用1表示有效，使用0表示無效。

從圖6、圖7可見，ECU發(fā)出頻率為50.00Hz、占空比為0.6%以及頻率為24.98Hz、占空比為99.8%的PWM信號，經(jīng)自學習模塊輸出的等效語義和ECU表達的內(nèi)容相符，前者為有效數(shù)值1，后者為無效數(shù)值0，滿足實際測試應(yīng)用需求。

Design of PWM Signal Self-learning Module Applied in ECU HIL Testing System

ZHANG Zhi-qiang，WANG Ying

（FAW Car Co.，Ltd.，ChangChun 130012，China）

Based on a powertrain electronic controlling system HIL testing platform under developing，this article designs a PWM signal self-learning module，which could economize system hardware resources，extend system functions and satisfy Electronic Control Unit（ECU）testing requirements practically.

PWM Self-learning；ECU HIL；testing application

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0056－03

2016-07-07；

2016-07-25

張志強，男，工程師，碩士，主要從事ECU HIL測試設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用工作。