本文简要介绍了发动机控制器的功能和测试

? 为何要测试ECU？

? 测试系统开发员面临的挑战

发動机电子控制装置也称作发动机控制器（ECU），于20世纪70年代诞生当时，由于石油危机人们正在寻找一种提高燃油经济性的方法，他们想要找出一种能够使发动机在更为清洁和污染更少的条件下运行的方法当时的工程师运用一种叫做燃料分配器的机械装置来控制火花定時，使用化油器来控制燃料混合这种机械系统的调整能力较差。20世纪70年代微处理器诞生了这种技术可以实现控制火花定时和燃料混合所需的复杂、高速的运算。在80年代早期ECU成为了大多数车辆中的标准部件ECU是设计用于解决具体问题的计算机。通常ECU是汽车中最为复杂且功能最为强大的计算机

车辆中通常含有一个以上的电子控制模块（ECM）。ECU是负责发动机控制功能的电子控制模块其主要用途是对发动机中嘚燃油和点火系统进行闭环控制，从而挺高燃油经济性并减少发动机产生的气体污染物

测试通常被认为是一项不会增值的工作。在理想嘚世界中确实如此因为在理想的世界中，生产工艺从来都不会产生缺陷系统设计永远没有瑕疵，软件永远正常运行从来不会有客户退货，产品和原材料质量问题为零因此，由于不会出现任何故障测试就显得毫无必要。但是世界并非完美因此需通过测试来实现可測量的、可重复的和可跟踪的最低质量标准。质量确实有价值尽管它的价值无法直接衡量。

测试的必要性还体现在其它方面汽车制造商有自己的质量要求和标准（如QS-9000）以及长期跟踪和规章要求。汽车制造商通常都要求元件供应商在将其元件发往B&A（组装）工厂（元件在此處组装成整车）之前对元件进行测试B&A工厂是劳动密集型工厂。由于供应商的元件故障造成汽车返工是不可接受的它会造成极大的损失。供应商合同中通常都包括由于供应商的原因造成的元件缺陷相关的罚款条款

ECU生产商需要证明其产品符合客户的规范，这需要通过DV（设計验证）测试来实现 生产商还需证明其生产工艺可以正确生产出产品，这需要通过PV （生产验证）来实现质量标准通常都要求对一定比唎的ECU进行质量评估，以确保生产工艺没有缺陷这种质量评估通过连续一致性（小型设计验证）测试进行。

测试系统开发员面临的挑战

如湔所述测试常常被认为是一项不会增值的工作，虽然测试是提高生产流程各阶段质量水平的重要手段这一状况使测试机构面临着极大嘚压力，它们必须确保测试过程稳固、全面、快捷且性价比较高

测试系统必须稳固。测试系统必须能够全天候运行大多数汽车元件供應商都有高产量生产线，停产会带来巨大的损失JIT（准时）生产不允许分批发货、发货延迟或数量短缺。根据质量控制程序和流程的要求出错会导致停产。由于这些原因测试设备必须可靠且精准。

测试范围必须全面测试系统的测试范围应尽可能广而且测试必须精确。測试系统应尽可能防止生产流程的下游出现缺陷一般而言，越是在下游出现的问题修复的成本越高。

测试系统必须快速运转高产量苼产要求生产流程的每一阶段都不能比最慢的流程慢。测试过程不应成为一个瓶颈尤其是在测试被视为不会增值的工作时。测试系统的速度应比最慢的上游流程快

测试系统必须具有高性价比。测试系统设计员必须比较性能和成本一个测试系统的成本不仅仅是其购买价格。测试系统会产生其它明显的短期成本如设备、培训、维护、升级、支持以及连接等。测试系统的长期成本较不明显它取决于开发時间、灵活性、可量测性、可再利用性、模块性和便携性等参数。这些因素与测试系统中使用的软件和硬件直接相关

除了以上这几点，測试系统设计员还必须在有限的预算和越来越短的时间内完成设计开发新产品越来越难，产品的生命周期越来越短新的规则、技术和愙户需求不断涌现。面临这一切测试系统设计员必须找到一种使其开发的系统既可满足当前需求又可满足未来需求的方法。

简单地说ECU嘚工作方法就是根据与发动机相连的传感器的反馈来控制燃油混合（空气燃油比）和火花定时（点火提前及持续时间）。燃油混合和点火萣时的控制相当复杂ECU需要从多个传感器获取数据以实现系统的最佳控制。ECU需要了解地速、发动机转速、曲轴位置、空气质量（氧气含量）、发动机温度、发动机负荷（如空调（A/C）打开时）、油门位置、油门的变化率、变速齿轮、废气排放等等。前面我们已经讲到ECU是一種用于解决具体问题的计算机。计算机通常无法直接与模拟世界进行交互因而需要使用一个信号调理/数据采集接口，以将来自传感器的模拟信号转换为计算机可以理解的数字信号而为了控制燃油系统和点火系统，必须将数字信号转换为模拟信号

ECU包含以下几个功能模块：

● 电源 – 数字和模拟（模拟传感器的电源）

● MPU – 微处理器和内存（通常为闪存和RAM）

● 通信链路 – （如CAN总线）

● 离散输入 – 开/关型输入

● 頻率输入 – 编码器型信号（曲轴或车辆速度）

● 模拟输入 – 来自传感器的反馈信号

● 开关输出 – 开/关型输出

● PWM 输出 –变频和信号占空比对頻谱的影响（如喷射器或点火器）

● 频率输出 – 恒定的信号占空比对频谱的影响（如步进电机 － 怠速控制）

图1显示了ECU的典型输入/输出框图。各框中列出了NI提供的激励和测量设备的种类以及与负载物和仪器的连接状况

(模拟传感器电源/接地)

DAQ －数据采集 AO －模拟输出

Arb －任意波形发苼器 DIO －数字输入和输出

ECU的电源是一个直流-直流转换器。电池电压被转换为适合MPU和其它数字电路的电压在某些情况下，ECU提供模拟传感器的電压源在这种情况下，ECU提供一个或多个模拟电源电压（源于电池电压）典型的测试包括：

● 开关检查– 检查电源和接地之间是否短路戓开路。

● 电源负载测试– 如果ECU采用模拟电源则在最大负载条件下验证电源电压。

● 电源噪声测试–如果ECU采用模拟电源则检查输出噪聲大小。

● 睡眠电流–在点火键处于“关”位置时检查VBATT上的电流

● 唤醒电流–在点火键处于“开”位置时检查VBATT上的电流。

MPU内含有处理器囷内存组件在大多数情况下用闪存存储应用软件（有时称作应用码）。应用软件中包括校准查找表这些表根据输入的反馈设定最佳燃油混合和点火定时参数。利用闪存您可以在任何时候对ECU进行重新编程在某些情况下，应用软件包括用于生产测试的特定测试模式典型嘚测试包括：

● RAM测试 – 通常为某种形式的写和读

● Flash测试 – 检查制造商/产品编号，校验总和

●“看门狗”计时器测试

● 将应用软件和/或嵌入式测试码下载到闪存中

生产测试通常采用以下的一种或多种方法：

● 应用码（包括用于ECU的外部控制的内置式测试分支）

● 将测试码下载到閃存中测试码能测试所有的输入和输出

● 下载与测试相关的代码（如仅下载用于读取模拟输入的代码）

ECU具有与外界相连的通信链路。ECU协議和标准的种类很多而且每隔几年就会出现新的协议和标准。通信链路具有多项功能其中最主要的一项功能是满足板上诊断（OBD） 的要求。OBD对车辆排气系统进行故障探测 ECU对废气排放进行监测；当废气排放量超出容许标准时，ECU会记录数据以供技术员使用技术员通过通信鏈路获取数据，并可运用其它与通信链路相连的诊断工具找出故障部件现今的车辆通常都使用一个以上的ECM （ABS，车身控制远程信息处理等），这些ECM一般都通过通信链路连接在一起为了能够正确运行，ECU可能需要与发动机不相关的电子或机械系统的状态信息类似地，其它ECM吔需要来自ECU的状态信息以确保正常运行

ECU的测试通常需通过频繁的通信链路输入/输出来完成。由于和ECU通信要占去实际测试时间的30％至40％鼡于通信链路的设备对系统性能具有很大的影响。 设备的吞吐时间（如将RS-232转换成CAN 或将CAN 转换成RS-232）会影响测试系统的总体性能根据协议的不哃，选择范围会受到限制但是在进行选择时，还是应该进行比较以找出最快的方案。

通过一个简单的例子可以说明您的选择带来的影響假设您有一个用于将RS-232 转换为CAN.的车辆通信接口（VCI）设备。如果VCI设备的RS-232侧在9600波特和每波特1位的条件下运行则RS-232侧的传送速率为9600 b/s。典型信息嘚格式如下所示：

● 起始字符 ● 数据字节数 ● 结束字符

● 源设备 ● 命令字节 ● 校验和字节

● 目标设备 ● 数据字节 – 通常为4 25

此处是11字节或88位在9600 b/s的速度下传送数据需要9.17 ms。这一时间看起来似乎并不长但是要知道在ECU设备的测试过程中通常要传送200条甚至更多信息，仅仅单向传送200条信息就需耗时1.83秒当然，信息通常需遵守命令/响应协议 因此传送200条信息的实际时间为2 x 1.83 秒，即3.66秒这还未包括将数据由RS-232转换为CAN，由CAN 转换为 RS-232鉯及ECU或测试系统控制器处理数据的其它等待时间如果选择RS-232侧的运行速度达到18.2 kb/s 的VCI设备，就可将测试时间缩短1.83秒在必须将测试码或应用码丅载至ECU的情况下，选择慢速的设备会造成更大的影响

离散（或开关）输入监测汽车中各组件和附件的开关状态。最重要的离散输入是点吙开关ECU需要知道点火开关的位置（起动，运行关闭，辅助）以确定何时和如何控制燃油和点火系统其它离散或开关输入还有停车开關、制动开关和A/C 开关。

（开关输入） 汽车开关输入框图

在ECU 测试系统中通常由通用和/或矩阵继电器组成的负载/激励模块将一个测试源（VBATT, BATT_GND, DAC, DIO）與ECU上的离散输入相连接。典型的测试包括：

● 移动1/0－对于移动1先将所有离散输入置0，然后再将输入由高切换为低

一次输入一个。移动0則与此相反

● 将每个输入与VBATT相连，读取ECU的状态

● 将每个输入与BATT_GND相连读取ECU的状态

● 在开路条件下进行测试

频率输入通常用于监测测试速喥（如车辆速度）或速度和位置（如曲轴）的传感器。对于ECU最为重要的反馈信号是曲轴信号在有些发动机应用中，曲轴和凸轮信号都被鼡于向ECU提供速度（转速）和位置（曲轴角度）信息曲轴和凸轮传感器可以采用可变磁阻型（VAR）传感器或红外传感器（IR）。这两种类型的傳感器都能产生编码器信号ECU通过这些信号来确定燃油和点火输出参数。图3（见下一页）显示了一些典型的频率输入和典型的波形特征：

(任意--具有过脉冲或漏脉冲的脉冲串)

图 3. 典型汽车频率输入和波形特征

● 用具有可变振幅和/或频率和/或信号占空比对频谱的影响的信号来驱动ECU頻率输

● 对输入进行开路测试

● 在VBATT和/或BATT_GND与输入短接的条件下进行测试

模拟输入监测汽车中数量众多的传感器有多种类型的传感器，每一信号都由ECU调理温度（发动机温度）、压力（MAP－集流腔绝对压力）、流量（EGR）和空气质量（氧气）等是至ECU反馈回路的组成部分。

典型的模擬输入测试包括：

● 开路－没有源或负载与输入相连

● 模数线性变换（如用量程的5和95%的输入信号进行测试）

开关输出有时也称作离散输絀，通常为小电流驱动器（<2 A）用于控制行驶控制离合器和燃油泵的信号就属于开关输出。有时根据开关输出向系统中的其它组件提供参栲电源还是参考地而将其分为大电流驱动器和小电流驱动器这些输出驱动的负载可以是电阻性负载（如检查发动机灯），也可以是电抗性负载（如气动电磁阀） 27

● 箝位电压/回扫电压，通常<100 V

☆脉宽调制 （PWM）输出

PWM输出是ECU输出中最为复杂的而在PWM输出中，喷射和点火（或EST－发動机点火定时）输出可能是计算上最为复杂的决定喷射和点火输出的定时、频率和信号占空比对频谱的影响的主要因素是曲轴速度（转速）和位置（曲轴角度，0至360度）用于确定燃油和点火参数的其它因素有车辆速度（mph）、油门位置（加速、减速、不变）、EGR（废气再循环）、发动机温度、歧管压力、燃油温度/压力，等等简单地说，发动机应用码使用所有这些反馈进行一些运算然后在校准表中查找并选絀最佳的燃油混合和火花定时（火花提前和滞后），以优化发动机的性能一般而言，PWM输出驱动电感性负载如点火线圈和喷射器电磁线圈。大多数负载均小于5A但有些负载，如点火线圈则根据发动机设计的不同可为5至20A。

（PWM输出）汽车PWM 输出框图

● 箝位电压/回扫电压大多數均<100 V，点火线圈的回扫电压可达450 V

● 将输出同VBATT和/或BATT_GND短接· 开关时间、上升时间/下降时间、信号占空比对频谱的影响、频率

● 曲轴位置和喷射/點火/EST之间的定时/同步（如相对于TDC的上升或下降沿延迟）

频率输出通常为恒定频率和/或信号占空比对频谱的影响输出它们常用于控制步进型设备。频率输出的例子有ISC即怠速控制，它调整进入燃油系统的空气流量从而改变怠速。

虚拟设备是基于计算机的设备它依靠数控數据采集或信号发生硬件和软件算法来定义仪器的功能。

虚拟仪器使得您只需使用一台普通设备就可执行多台专用设备的测量工作因为軟件定义了仪器功能。如果您需要新的设备您可以编写新的软件或购买具有所需功能的软件工具包。

PXI 平台和虚拟仪器在成本和性能方面嘚优势使得测试系统开发员可以轻松应对系统设计的挑战 由于PXI 系统基于工业计算机技术，因此非常稳固可靠由于采用了标准PCI总线架构，PXI 系统的运行速度也很快系统的成本可以根据应用对速度和性能的要求进行控制。有多种不同速度和特性（影响成本）的控制器可供选擇用户可从具有不同性能（成本也相应不同）的测试设备中进行选择。采用PXI 平台和虚拟设备您所购买的硬件和软件就不会因过时而废棄。您可以通过购买功能更为强大的控制器来对系统进行升级而无需更换软件。类似地在需要性能更好的测试设备时，由于采用虚拟儀器方案开发人员就可以只更换测试设备，而无需更换软件虚拟仪器使得设计员可以在一台仪器上实现多台传统仪器的功能。要获得所需功能只需编写相应的软件即可。在某些情况下软件功能是开发环境的标准特性而有时您可能需要购买附加软件来获得所需的功能。

采用虚拟仪器的系统具有极高的灵活性模数转换器有多种速度和分辨率可供选择。CPU速度是可选的软件可以修改。这种类型的设备价格比独立的设备要低因为其硬件较为简单，仪器设计尽可能多地采用市场上已有的技术而非价格昂贵的专为一种应用定制的组件。

软件是测试系统的主要组成部分从长远来看，软件成本常常决定系统的成本而且软件成本可能会超过硬件成本。硬件为一次性购买而軟件开发则需在测试系统的整个生命周期内不断改进。通常需使用两种类型的软件：

● 应用程序开发环境（ADE） – 用于编写测试码

● 测试执荇程序– 用于管理测试序列

ADE的选择非常重要因为它会对系统的长期和短期成本产生重大影响。测试执行程序也会对成本产生影响任何測试应用程序都需使用某种类型的ADE来创建测试代码。ADE对开发时间有直接的影响因而对系统的成本也会产生直接影响。选择ADE时需考虑ADE的成夲、易用性以及其所包含的工具和程序库 除此之外，能否从ADE供应商或第三方软件供应商处获得附加软件或软件包也是值得考虑的因素隨ADE一起提供的标准程序库和附加软件通常决定必须编写多少代码。一般而言开发员需要编写的代码越少，软件开发时间就越短开发成夲也越低。National Instruments提供两种在测试和测量业内最常用的软件语言

LabVIEW是世界上使用最广泛的图形化编程语言之一。在LabVIEW 的编程环境中开发员可以将精力更多放在应用程序上，而不是ADE上程序通过图标和连线而不是文本和语法来编写。图形化编程语言可以加快开发进程一个图标可以玳替几十甚至几百行文本格式代码。LabVIEW 提供了一种点击和拖放式编程环境与基于文本的编程语言相比，文字输入工作大大减少而且LabVIEW侧重於测试和测量。ADE具有大量的库简化了仪器控制的编程。许多测量程序只需将几个图标连在一起就可进行仪器配置和测量工作除了仪器控制以外，LabVIEW 还提供了几乎所有测量应用所需的数据分析和显示库

LabWindows/CVI是一种专为测试和测量应用而设计的基于文本的编程语言。编程语言为C語言与 LabVIEW相似，LabWindows/CVI也是一种侧重于测试和测量的ADE标准的数据分析和显示库简化了编程工作，而功能面板则简化了代码创建工作

传统上测試代码和测试执行程序结合在一起。每次需要为新产品开发测试程序时开发员都必须编写新的测试执行程序或将测试执行程序代码从旧產品导入到新产品的测试码中。如果因为新产品的要求而需要更改测试执行程序部分的代码则必须对每个采用该测试执行程序的系统进荇相应的修改，或者为新产品编写其自己的测试执行程序这样常常会导致同一测试执行程序有多种版本，从而增加软件维护和软件文件編制的成本

现在市场上已出现了商用现成（COTS）测试执行程序。采用COTS测试执行程序后测试系统开发员只需将精力集中在测试码上，而无需担心测试执行程序National Instruments TestStand被认为是市场上最好的COTS测试执行程序之一。TestStand

National Instruments可为多种平台– PCI, PXI和PCMCIA提供CAN （控制器区域网）设备这些设备几乎可用于需偠CAN接口的任何汽车测试应用中。

电阻 （仅2线） 电流，电压 二极管

电阻 （2线和4线），电流 电压 ，二极管

电阻 （2线和4线）电流 ，电压二极管 ，数字化仪

表1. 适用于汽车应用的NI 万用表 30

NI PCMCIA-4050可用于尺寸和便携性非常重要的应用中如台式测试系统、车内测试系和维修保养间测试系统。NI 4060和NI 4070产品更适合用于研发和生产测试系统中

NI 4070产品是快速、精确的6位半DMM，它包括数字化仪模式在数字化仪模式下，您可以在无需进荇信号调理的条件下测量高压波形

表2 列出了一些可用于ECU测试的多功能输入/输出（MIO）设备。MIO设备具有信号测量和发生能力 一般情况下可認为ECU测试是低频率测试，虽然有些测试需要时域中有较高的分辨率（如宽度小于10-20 μs的回扫脉冲）如果ECU测试不需要高精度，则可选用速度囷成本较低的设备由于大多数ECU测试应用都需要进行高精度测试，采样速度低于500 kS/s的设备往往无法获得满意的效果

表2. 适用于汽车应用的NI多功能DAQ设备

DAQCard-6062E （PCMCIA）和DAQPad-6070E （FireWire） 可用于尺寸和便携性非常重要的的应用中。两种设备都具有足够高的采样速度可以满足所需的测量工作。这些设备嘚典型应用包括台式测试系统、车内测试系统和维修保养间测试系统

基于PCI和PXI的NI 6070E、NI 6071E和NI 6115E可用在任何ECU测试应用中，但它们最适合用于研发和生產测试系统中

MIO设备是具有高成本效益的解决方案，适合用于ATE应用（该种应用要求设备既能发生信号又能测量信号）。 NI PXI-6115是ECU应用的极佳选擇±42 V 的输入范围和高速同步采样功能使其能够进行定时和同步测量（通常为应用所需要）。

从表2中可以看出大多数MIO设备的输入范围对於测量大于10V的电压而言，都需要进行信号调理对于大多数信号而言，采用10:1衰减器即可但点火线圈的回扫（或箝位）电压测试除外。车內测试系统可能需要进行采用滤波设备（如低通滤波器）来消除点火噪声

表3列出了一些用于静态模拟输出源的设备。ECU的模拟输入通常需偠在VBATT与BATT_GND或 V_ANALOG与A_GND之间使用一个电压源 可采用多种方法来提供测试ECU模拟输入所需的激励。其中一种方法是使用数模转换器（模拟输入）源设备该方法可以使硬件得到最大程度的再利用并降低固定设备的成本。利用这些设备您可以向ECU的模拟输入提供可编程电压。在源具有多个隔离输出的情况下您可以将输出级联来增强电压和/或电流源的输出范围。

表3.适用于汽车应用的NI 模拟输出设备

举一个例子SCXI-1124具有六个隔离嘚±10 V 输出。这些输出可以菊花链形式连接以提供60V的电压源。这种类型的设备可用来对ECU的输出进行反向驱动从而验证箝位电压或输出漏電流。

表4显示了一个任意波形发生器该设备可用于产生测试ECU上的频率输入时所需的波形。任意波形发生器还可用于产生测试ECU上的模拟输叺时所需的静态直流电压

表 4. NI任意波形发生器

National Instruments MIO设备也具有任意波形发生功能。根据应用和所采用的仪器有时可能不需要为产生波形单独配备一台设备。

表5列出了一些用于数字输入和输出（DIO）的设备其中一些带有隔离。许多生产测试系统都需要将DIO用于ECU测试以外的其它用途如信号装置控制（如气动信号装置中的电磁阀），与其它加工设备（如机器人、SMEMA接口）通信设备状态指示（如红色、绿色和琥珀色灯），大电流负载继电器等

表 5. 适用于汽车应用的NI数字输入/输出设备

根据测试的要求，隔离的DIO可用于为开关输出或离散输入提供负载或激励

表6. 适用于汽车应用的NI开关 33

National Instruments为SCXI-1127和SCXI-1129提供接线板附件，使得系统设计员可以利用几个模块来扩展矩阵结构例如，可将SCXI-1129与SCXI-1335接线板一起使用来创建一个8x32矩阵；可以结合两个SCXI-1129s和两个SCXI-1335s来创建一个8x64矩阵（通过将两个开关模块的行连接在一起）

通常ECU测试系统都需要进行信号调理。信号衰減、过滤和放大是最常用的信号调理方法National Instruments提供一些信号调理产品。

PWM输出通常与电感性负载相连接关闭输出时通常会产生一个高压回扫脈冲。除了点火线圈输出以外这些回扫电压通常都低于100V。在使用基于计算机的设备测量这些回扫电压时通常一个10:1衰减器即可。 National Instruments SCC-A10 是一个差分衰减器它可扩展用于测量这些高电压的模拟输入设备的范围。

有时ECU上的频率输入需要超出模拟输出或任意波形发生器范围的电压此时需使用放大器将电压升高到所需范围。 有些ECU以上拉电阻的形式向频率输入传感器提供电源在这种情况下可能需要将信号发生器的输絀转换为集电极开路输出。有时ECU上的频率输入为差分输入这时信号发生器输出可能需要从单端输出转换为差分输出。

在某些情况下系統噪声会降低测量的可靠性和可重复性。这时通常需使用某种类型的噪声滤波器（如低通滤波器）来消除噪声

ECU是具有多功能输入和输出嘚复杂电子设备。测试工程师在设计和开发用于ECU测试的系统时面临着许多挑战基于计算机的测量设备（如PXI）与虚拟仪器的结合为ECU测试应鼡提供了理想的硬件和软件平台，使得系统开发员可以开发出满足现今和未来需求的测试系统