基于PXI(或是PCI加RTSI BUS)的测试系统可以同步采集CAN数据和模拟信号从而使ECU测试的难度和成本大大降低。NI-CAN API和LabVIEW提供了简单的编程模型使用户可以用少量的高层函数进行同步应用的开发。PXI作为一个开放的,易于扩展的测试平台,具有易用性和复用性。实践经验表明利用基于PXI的测试系统确实可以提高汽车测试的效率,降低测试系统的成本。
在过去的几十年里,汽车工业中激烈的竞争和日益庞大的需求使各大公司不遗余力的扩展功能,提高质量,增加产量,与此同时降低成本,减少产品投放市场的时间。而技术进步是完成这一目标的唯一途经,“低排放高燃效”,“引擎时序”,“防死锁刹车系统(ABS)”等名词随着新技术的引入相继出现。大量电子器件的应用使汽车在环保,安全,操作等方面的设计得到了全方位的革新。
HSPACE=12 ALT="图1:电子控制单元(ECU)">
随着生产系统越来越复杂,工程师们面临的挑战在于如何保证性能和质量的同时控制成本并加快产品投放市场的步伐。深入分析从设计到制造的整个产品周期,我们可以看到测试和验证始终贯穿于生产过程的每个环节,因此选择一个开放可扩展可复用的测试平台可以有效的降低成本提高效率。
复杂的测试系统要求频繁的在各个电子单元之间进行通信。传统的测试系统有专门的线路负责各单元之间的数据交换。这样的测试系统随着传感器数量的增多,连线非常困难,而且需要高速的数据采集和信号调理设备,使整体成本增加。
上个世纪80年代Bosch公司为解决汽车系统中各个电子单元之间的通信问题开发了CAN(Controller Area Network)总线标准。CAN的卓越表现使汽车制造商们纷纷开发并使用基于CAN和数据采集设备的测试系统。
如今基于CAN设备的测试系统越来越复杂,将各个测控元素,如电压和传感器测量,激励源控制,以及分布I/O等集成在一起已成为必须。对于这样的集成系统,将CAN数据传送和其他测控单元同步是至关重要的,如根据模拟测试量来控制CAN数据的发送接收等。这里所谓的同步主要有两个方面:一 时钟同步, 二 触发同步。你可以使用软件循环来同步各个硬件,但在软件同步中,各个硬件时钟的相差,频差较大,触发延迟较长,性能无法满足很多测试验证的应用。
PXI平台与LabVIEW解决方案
对于要求严格的测试应用,硬件同步是唯一选择。而对于硬件同步,由美国国家仪器公司提出的PXI平台无疑是一个明智的选择。美国国家仪器公司制订标准组织PXI联盟并出品了性能卓越的PXI系列产品。PXI机箱的背板上集成了触发总线,利用7根触发线,结合NI(美国国家仪器的缩写)的各种测试模块,如数据采集,图像采集,运动控制以及CAN接口模块可以构建灵活的同步测试系统。系统中一个或多个模块可以在背板的触发总线上获得或输出时序信号,从而与系统中其他模块进行I/O同步。由于时序控制完全由硬件完成,因此同步一旦启动,应用软件就不再需要干预I/O同步。在基于PCI的测试系统中可以利用RTSI总线来完成时序信号的共享和同步。
HSPACE=12 ALT="图2:辅助电机电压">
应用程序通过调用驱动程序NI-CAN的API对CAN接口进行控制和操作。和NI公司其他产品的驱动一样,NI-CAN也是独立于操作系统和开发语言的。例如,你可以在LABVIEW或C环境中调用NI-CAN API,调用NI-CAN的测试应用可以从windows95移植到windowsNT。除此之外,NI-CAN也相当独立于网络协议,这意味着NI-CAN中尽量避免了只适用CAN的术语命名,这样NI-CAN就可以方便的扩展到更高层的网络协议,如DeviceNet,SDS等。
NI-CAN是基于面向对象结构的,引入了类和实例(对象)的概念。如定义网络接口类来封装NI CAN产品上的网络端口,提供属性和方法以备调用,类下的一个实例用CAN0,CAN1等来引用。而CAN对象则封装了桢结构和发送接收机制。
至于测试应用的开发环境,NI 提供多种选择,比如LabVIEW,它是一个高效的图形化开发环境,拥有自己独特而灵活的编程语言,提供了直观而易于使用的配置环境、交互式的Express VI, 强大的应用程序模板、超过500个例子程序和几百个内置的测量分析函数；针对数据采集、仪器控制、图像采集和运动控制提供了可配置的开发助手,能够与上千种数据采集、仪器、PLC和I/O设备紧密集成连接。从小规模的到大型的应用,从桌面的到实时和嵌入式的应用,以及从单一计算机到分布式的系统,都可以使用LabVIEW进行开发并且具有更低的开发成本。
应用实例
传统的液压动力转向系统用一条引擎皮带驱动回旋叶片式泵。泵用加压过的液体操控转向系统中的一个活塞或是方向盘助力传动器。这个系统始终带给引擎一个小负载,即便是转向系统不在使用之中。电子技术的引入使之诞生了电子助力转向(EPAS)。
图1:电子助力转向系统。
EPAS(图1)使用电动机通过齿轮传动连接转向杆。这个结构不再需要泵,软管,传动液,驱动皮带以及传统液压动力转向系统中的滑轮。电动机产生的扭转力使驾驶者输入的扭转放大。ECU采集各种信号,如方向盘扭矩,车速,电动机位置等,然后利用特定的控制算法控制电动机的助力扭转水平。电子助力系统比传统的液压助力系统轻,而且与引擎转速无关。助力系统只在提供助力时才消耗能量,因此提高了系统的整体燃效。
以下是一个同步波形输入的例子。从CAN和DAQ的两个通道以特定的采样率采集模拟波形。
图2这个系统中,数据采集卡NI-6070E采集扭矩,电压和车速,同时这些信号馈给ECU。NI PXI-846X CAN模块采集ECU输出的电动机驱动电压。
在EPAS测试系统中,ECU采集扭矩,PWM电压和车速,将这些数据输入控制算法并调整CAN消息的输出以控制电动机。为了能验证EPAS的控制算法,汽车测试工程师可以同步录入CAN和DAQ数据,通过分析确定所需的电动机输出是否产生。
在用LabVIEW编程时,使用NI-CAN2.0 进行CAN/DAQ同步的编程,编程模型类似于一般的NI-DAQ API(数据采集卡的API)。基本的编程模型包括配置-〉读写-〉清除。使用这个编程模型,CAN和DAQ的数据同步可以方便的用6个LabVIEW VI完成。在LabVIEW中使用CAN通道之前,这些通道必须在MAX(NI提供的一个硬件调试窗口)中创建或是从矢量数据库文件导入。
HSPACE=12 ALT="图3:信号对照,当模拟信号超过某个阈值时,CAN发送新的消息。">
一旦CAN通道配置完成并导入,测试应用在LabVIEW中的实现非常简单。首先使用通道API初始化CAN和DAQ通道。这些API有NI-CAN Init, NI-DAQ Config, NI-CAN Sync Start with NI-DAQ。
第二步是读写,有三种方式读,两种方式写。分别是 1事件驱动(只应用于读)；2单点模试(采样率等于零)；3连续采集(采样率大于零)。多种读写方式为客户定制提供了方便。利用单点测量,你可以快速访问最近的CAN消息。在单点模式下,只有在调用read/write API时,CAN消息才会被发送/接收。事件驱动可以用于CAN/DAQ的同步但不需要后续处理的情况。在事件驱动模式下,CAN消息带有时间纪录。如果CAN模块与DAQ模块同步(使用resync pulse),CAN数据则直接与来自DAQ的带有时间纪录的模拟和数字量联系。如果你需要在录入DAQ模拟信号或数字信号的同时记录CAN数据,你可以使用连续模式,在连续模式下,CAN数据在每个时钟沿都被重复采样,直到有新的消息接收。虽然CAN网络是基于事件触发的,但很多时候你还是需要连续的CAN数据。使用连续模式CAN数据在每个时钟沿被发送或接收。这种情况下,如果采样时基比CAN消息的传输速率快,CAN消息会被拷贝(重复采样)一直到新消息到达。这种特性在录入与DAQ数据相关的数据时很有用,而这样的相关在汽车测试中是很常见的。在这种应用中CAN和DAQ共用相同的时基。连续模式下采集的数据可以转化成LabVIEW的波形数据类型。有关读写的API有NI-CAN Read,AI Read,NI-CAN Write, AI Write。
最后是清除,可以使用NI-CAN Clear和NI-DAQ Clear来清除CAN和DAQ任务。在这个EPAS测试系统中,方向盘扭矩被DAQ作为模拟量来采集,当扭矩达到一定的阈值时,ECU通过CAN发出一个新的RPM值,RPM值用一个CAN消息来表示。为了验证系统的功能,你需要确定在模拟信号达到一定阈值时,正确的CAN消息是否发送。这个过程需要准确的同步采集。下图是同步采集到的信号比较。
作者:陈彦丰
NI中国应用工程师
朱君
NI中国市场技术经理
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