整车电气性能测试系统的研究

整车电气性能测试系统的研究*

李苗苗1

杨伟东1

蔡永祥2

郭志刚2

王浩淼1

（1.河北工业大学，天津300000；2.中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津300000）

【摘要】在整车电气系统开发验证过程中，为保证系统性能稳定，降低故障风险，需要对系统性能进行测试验证。利用

NI公司的CompactRIO平台和工业级I/O模块搭建测试平台，采用LabVIEW图形化开发环境和XNET、FPGA等专用工具包，研发了整车电气性能测试系统。系统集“信号采集与控制、信号分析与处理、结果表达与输出”三大功能模块为一体，满足高速、高效、智能化、多功能化的测试需求。

主题词：整车电气系统中图分类号：U467

CompactRIOFPGA文献标识码：A

测试管理测试报告

DOI:10.19620/j.cnki.1000-3703.20160803

ResearchonVehicleElectricalPerformanceTestSystem

（1.HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300000,China;2.ChineseAutomotiveTechnology&ResearchCentre,Tianjin

【Abstract】Inthevehicleelectricalsystemdevelopmentverificationprocess,thesystemperformanceshouldbetestedandverifiedtoensurethesystemperformancestabilityandreducetheriskoffailure.Thetestplatformwasbuiltondevelopvehicleelectricalperformancetestsystem.Thesystemconsistsofthreefunctionalmodules:signalacquisitionandhighefficiency,intelligenceandmulti-function.

CompactRIOandI/OmodulemadebyNICompany,LabVIEW,XNET,FPGAandotherspecialtoolkitswereusedtocontrol,signalanalysisandprocessingandtestreportexpressionandoutput,itcanmeettestrequirementofhighspeed,

300000）

LiMiaomiao1,YangWeidong1,CaiYongxiang2,GuoZhigang2,WangHaomiao1

Keywords:Vehicleelectricalsystem,CompactRIO,FPGA,Testmanagement,;Testreport

1前言

整车电气系统是指由汽车的电源系统、用电设备及全车电路和配电装备3大部分组成的系统总称[1]。在整车电气系统开发验证过程中，为保证在整车环境下，车载电子电气系统能够准确实现各自功能，电气系统运行稳定可靠，降低因整车电路保护系统异常而发生线束烧蚀，甚至车辆自燃的风险，需要进行整车电气系统性能测试验证[2]。

由于汽车电气性能测试涉及多信号、多通道的数据采集，且测试工况多变、工作环境复杂，因此迫切需要开发一种集成度高、可靠稳定的测试系统。本文从整车电气系统性能的定义出发，结合实际测试需求，设计了一套整车电气性能测试系统[3]，该系统体积小、精度高、性

*基金项目：河北省教育厅重点项目（编号：ZD2017215）。

能稳定，可在－40℃~70℃的温度范围下工作，符合现代整车电气系统的测试需求。

2整车电气测试系统总体方案设计

整车电气系统性能测试实施的目的在于获得整车电源及信号分配特性，获得车载用电器的详细电气特性，验证车辆线束系统的设计合理性，验证车辆电路保护系统选型的合理性，验证车辆线束系统、电路保护系统是否具备足够的过流/短路保护能力，为车辆电源网络最小化电压损失及优化成本提供依据，为后续系统改进提供数据基础与支持。

根据汽车整车电气性能测试的国家标准、测试要求和工程要求，本文确定的试验项目及试验流程如图1所示。

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汽车技术

李苗苗，等：整车电气性能测试系统的研究

整车电性能

测试起始

整车线束温度控制器及传感器主

整车接地电流分布场测试

要端口电压测试

及悬浮电压测试接地失效测试

静态电流测试

共享硬线信号匹

配状态测试

短路测试

启动干扰测试

感性负载测试

过流测试

整车电源分配

测试

单负载测试

抛负载测试

整改测试？

是

否

整车电性能测试结束

图1整车电气系统性能测试流程图

根据试验项目和测试流程整理出所需测量的信号主要分为电压信号、电流信号、静态电流信号、CAN总线信号和温度信号。被测试量分布广、数目多且多为动态信号，测试系统应具备一定的自动化水平，能够满足测试对精度和实时性的要求，可以对采集通道参数进行设置，同时还要实现对主要测试参量的实时观测、显示、处理与存储。

根据上述需求，确定整车电气测试系统主要由CRIO存储模块、实施控制器、供电模块和上位机数据采集模块、6部分组成网络通讯模块、[4]

。其系统结数据构框图如图2所示。

PC机便携式箱体

数据采集模块

测试管理

以太网

控制器供电模块CAN以太网接口无线网络管

信号采集总线理/ATLFPGA电压采集UI指令中转指令配置总线

PCI电流采集

监控反馈因素自检静态电流数据存储读取采集数采采集报告生成

USB或是串口

数据存储模块

温度采集图2系统结构框图

3硬件系统设计

整车电性能测试系统的硬件集成于一个便携式机箱内，设计紧凑便于携带。3.1

CRIO实时控制器

控制器是整个测试系统的核心，本文选用NI公司的CompactRIO-9068嵌入式系统，由实时控制器和可重配置的FPGA两部分组成[5]。其中实时控制器包含一个

2018年

第2期

667而准确地执行MHz双核ARMLabVIEWCortex-A9实时应用程序，工业级处理器，并可提供多速

能够可靠率控制、进程执行跟踪、板载数据存储及与外部设备通讯等功能；内嵌的8槽LX45FPGA可重置机箱能够直接和每个I/O模块相连，可高速访问I/O电路并灵活实现定时、触发和同步等功能。1GB非易失性存储、512MB口和DDR33个串行端口。内存、2个千兆以太网端口、1个USB高速端3.2

数据采集模块

数据采集模块选用NIC系列I/O板卡，包含隔离、

转换电路、信号调理等功能，并可直接与工业传感器或执行机构相连，大幅度降低了测试空间的需求和现场布线成本。根据测试需求选用NI9853、NI9221、NI9205、NItRIO9227压、电流、平立工作、、NI9213采集板卡，温度和总线信号等物理量的采集工作，互不影响，各模块之间通过能够满足测试中对电Compac⁃且设计

有预留的端口和插槽。表1为测试板卡信息列表。

表1

测试板卡信息列表

板卡型号量程通道数传感器

功能

NI9853采样率：采样率：1Mbit/s40K~2高速CAN电缆监控总线信号NI9221

50KS/s输入范围±10V

8电压测试引线发电机和大型负载端的大电压采样率：50kS/s；22电压测试引线各电气设备的电

NI9205输入范围：

压mV0.1、mA和±1，±200

±10V、V±5V10分流计蓄电池和负载电

流

NI-9227采样率：50kS/s；采样精度：

4CA高精度电

流钳静态电流NI-9213采样率：0.1mA75S/s

16K型热电偶温度

3.3网络通讯模块

桥路Moxa/客户端）AWK-3121安装于箱体内通过网线与（工业IEEE802.11a/b/gCRIO无线机箱通AP/

讯，可创建局域网实现测试设备与PC机之间的信息交互，具备可靠的无线连接和读写性能，可降低测试现场设备的接线难度和布线成本。3.4

数据存储模块

FAT32CompactRIO盘作为存储设备、FAT16的存储设备，机箱上带有1个USB接口，支持格式为

[6]，主要用于系统相关信息存储用此接口外接一个工业硬

（错误记录、系统使用历史信息）和采集数据存储（系统采集来的原始数据）。3.5

供电模块

在测试过程中，若直接选用220V电压供电，虽然

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李苗苗，等：整车电气性能测试系统的研究

可减小开发成本、缩小设备体积，但是会对整个测试系统和汽车产生电磁干扰从而影响测试精度，因此本系统选用电池供电。由于与其他硬件设备相比电池的寿命相对较短，从更换方便角度考虑设计定制了可拆卸式电池。该电池负责给除了PC机以外的整个测试系统供电。

4上位机PC程序设计

为缩短系统开发周期，测试系统的软件开发采用LabVIEWFPGA两部分，、NI-RIO2014开发环境，以及LabVIEWReal-Time、即上位驱动、PC程序和XNETCRIO工具包。软件系统开发分为系统的开发。系统设计完全遵循了模块化和结构化的编程思想，系统构架科学合理，具有最大限度实现代码重用、可扩展性强等特点，同时程序具有较高的可读性和可维护性。

上位PC程序是人机交互的接口，故要具有良好的可视化界面，直观、形象、便于操作[7]

。软件系统的逻辑功能框图如图3所示。软件启动后进行功能选择，包括项目管理配置、数据采集、数据回放分析。功能选择后会进入相应的设置界面、测试界面或分析界面。

系统初始化功能选择

项目管理配置数据采集

数据回放与报告

生成测试项创建；

测试选择向导测试项选择向导编辑、通用信息设置；配置等；评价参数设置

测试界面

分析、评价界面

硬件通道CAN配置信息设置确认修改

数据显示数据导入数据分析数据导出

数据存储

测试结果录入、标签信息录入

报告生成

评价分析

继续？

是

否退出

图3软件系统逻辑功能框图

4.1测试项管理功能

测试项管理功能使用树形结构框架。针对某指定

车型可以确定需要进行的测试项（如单负载测试、短路测试、过流测试等）和测试矩阵（如单负载测试矩阵包括发电机、EPS电子助力转向、左前扬声器等待测零部件信息），根据这些信息生成测试项管理模块。在进行整车测试前，对各测试项参数进行配置，用于指导现场测

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试和后续的数据分析及报告生成。4.2

测试、监控界面

基于已有的NI硬件采集模块、无线通讯模块AWK3121软件实现对应模拟量数据和总线传输数据的记录、、离线电源、电子负载等核心硬件，数据采集显

示，同时包括对硬件参数的配置。4.3

数据回放、分析与报告生成

采集来的测试数据是由TDMS格式存储的，可以选取已存储的数据进行回放，支持对显示精度、横坐标、纵坐标进行设置。数据分析时支持最大值、最小值、平均值、方差值、有效值等基本物理量的自动计算，特别是在双游标状态下，通过分析按钮，自动分析两游标之间数据的最大、最小、平均、方差、有效值等信息。根据分析结果，参照对应的评价准则对测试结果进行评价，将分析结果和评价结果存储至报表中。

5CRIO系统开发

者的组合模式共CompactRIO3有扫描接口模式、种开发模式。这里选用FPGA接口模式和两

FPGA接口模式，整个程序分为底层FPGA数据采集驱动、RT控制中

转和TCP/IP数据传输3个层面。5.1

FPGA驱动设计

数据采集驱动模块采用两种方法采集数据，单点轮询采集：FPGA端采集I/O通道数据后设置中断，RT端触

发相应中断后通过读写节点读取I/O通道数据。DMAFIFO端都能访问的一块先进先出的缓存中，方式采集：将I/O通道数据捆绑后存储在主机和终然后在RT端通过DMA方法节点轮询读取缓存中的数据。由于温度变化缓慢且NI-9213采样率低、数据量小，采用轮询中断单点采集。对于NI-9253、NI-9221、NI-9227、NI-9205等电压与电流参量的采集，涉及到高采样与大吞吐量数据，为了减少CPU的负担，选择DMAFIFO形式采集。5.2

RT程序设计

嵌入式实时操作系统，是按抢先式和时间片循环式Rround-robin）执行任务并进行排序，使用抢先式排列，高优先级线程抢先于低优先级线程执行，优化确定性能。基于多线程并行运行的机制在实时系统端（RT）上实现控制器数据采集、消息处理及数据运算、网络传输等操作。图4为在RT系统中对采集来的温度信号进行预处理。5.3

TCP/IP数据传输设计

面，因此必须通过以太网与RT系统部署在CRIO实时系统里，PC之间实现数据通信，不提供操作界

本系

汽

车

技

术

（李苗苗，等：整车电气性能测试系统的研究

统采用TCP/IP与网络流做数据传输。以RT端作为TCP/IP写入或在的服务器，PC端读取都得将数据流转换成字符串形式，

PC端作为TCP/IP的客户端，在RT端并且为了确保数据流的完整性。

9213输出数据

确认IRQIRQ编号

模块6/Autozero模块6/CJCK

N

9213输出数组

模块6/TC0模块6/TC1模块6/TC2Calibrated

模块6/TC3模块6/TC4SendTemptoUI

模块6/TC5模块6/TC6模块6/TC7模块6/TC8模块6/TC9模块6/TC10模块6/TC11t0Y

模块6/TC12模块6/TC13DBL

dt模块6/TC149213dt输入

模块6/TC15

图49213数据预处理

6测试系统应用

6.1

测试系统性能检测

利用精度较高的模拟电子负载来模拟实际电流、电压、温度等信号，用所设计的整车电气测试系统进行采集，通过分析系统的参数变化来检测系统的稳定性、测量精度。

持续向整车电气测试系统发送20mA的电流、5V的电压，同时将热电偶置于100℃环境中；分别记录系统在初始时刻、1h、2h和4h共4个时刻的测量值。观察各参数值的变化情况，记录结果如表2所示。计算得到电流的测量精度为0.14%，电压的测量精度为0.12%，温度的测量精度为0.23%，由测试结果可知，本测试系统稳定性较好，测量精度高。

表2试验结果记录表

记录时间04h电流/mA19.97519.9711h2h电压/V5.00545.0060热电偶/℃

100.285.005619.976100.325.0019.968100.34100.306.2实车试验

该测试系统开发完成后，以东风汽车某款车型为

例，对其进行夏季（38℃）一般市郊工况（CNL）验证。测试要求如表3所示。

测得发电机平均发电电流112.A，蓄电池平均充电电流（蓄电池负极电流）7.12A，发电机平均电压14.1065温度.98V，蓄电池平均电压℃，蓄电池左侧平均温度13.927060.45V，发电机尾部平均℃。

根据测试数据可知，测试过程中蓄电池以较大电流

2018年

第2期

充电（7.12A），发电机能够满足该工况下已开启的车载电器功率消耗。在该工况下车辆发电机、蓄电池及其他已开启电器负载，满足动态平衡。

表3

测试要求

夏季工况

一般市郊(CNL)

运行工况运行时间

7240km/hmin记录后匀速/最高挡位远（近）光灯、背光灯、20min数据后雾灯、双闪、收音机、空调

用电器开启（中等风量、最低制冷）、前（后）雨刮（低速）、冷却风

扇(高速)、室内灯

7结束语

本文基于LabVIEW图形化开发环境和CompactRIO能测试的系统，嵌入式硬件平台开发了一套用于整车电性该系统集数据采集、数据分析处理和报

告生成为一体，具有可靠性高、集成度高、性能稳定和适应复杂特殊工作环境等特点。与传统测试系统相比，该测试系统的自动化和智能化程度大大增加，降低了对测试人员经验、能力和数量的要求，节省了测试时间，降低了测试成本。

参

考文

献

[1]2005郭纪明（6）.:29-31.

汽车供电系统的选型设计方法[J].上海汽车,[2]让松电平衡的影响,陈积先,覃北阶等[J].汽车电器.某车型发动机怠速降低对整车用,2014（7）:68-71.[3]器郑俊,2009,马建清（5）:50-52.

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（责任编辑

帘

青）

修改稿收到日期为2017年12月1日。

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