汽车电器可靠性试验监控系统的研究开发

技

术创新

《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2010年第26卷第2-2期

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《现场总线技术应用200例》

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汽车电器可靠性试验监控系统的研究开发

Research and Design of the Monitoring System for Automobile Electric System Reliability Test

(合肥工业大学)

雷达陈剑马文明陆兵

LEI Da CHEN Jian MA Wen-ming LU Bing

摘要:论述了一套用于汽车电器系统振动可靠性试验实时监控的电路多参数测试系统。该系统以LXI 总线模块化虚拟仪器为核心,以LabWindows/CVI 为软件开发平台,有效的结合计算机故障诊断技术,形成了一套可以独立完成远程控制、测试、数据处理和实时故障诊断的试验监控系统,为汽车电器产品试验过程的智能化、可溯性奠定了基础。关键词:LXI;LabWindows/CVI;汽车电器;实时监控

中图分类号:TP274

文献标识码:B Abstract:Introduce an electric circuit multi-parameter testing system which is designed to apply to real-time monitoring of the auto -mobile electric system reliability test.Its hardware structure is based on LXI Bus virtual instrument;Software which is designed by LabWindows/CVI integrates computer diagnosis technology.The system can get through long-distance control,measure,data processing,real-time diagnosis independently.It makes foundation for Intelligentization and retrospect of the automobile electric product testing.Key words:LXI;LabWindows/CVI;Automobile electric;Real-time monitoring

文章编号:1008-0570(2010)02-2-0180-03

1引言

由于路面激励和发动机振动这两大激励源的存在,汽车电器与电子系统故障占整车故障的比例极高,且呈逐年增加的趋势。在试验室内对车辆及其零部件进行道路模拟振动试验被认为是加速产品开发、提高产品质量的有效手段。传统的试验过程多采用人工值守,对相关数据进行纪录。这种方式存在以下问题:

1.试验环境恶劣,常伴有噪声、湿热等因素;

2.时间长,值守人员的工作负荷大;

3.人工记录数据,缺乏完整性和一致性;

4.故障现象不具有可溯性,无法为故障分析提供充分的依据;

这些不足之处在很大程度上影响了试验的有效性,无法对

试验结果进行深入的分析。由于汽车电器系统自身控制原理复杂,包含的元器件数量种类繁多,结构形式多样,借助自动化测试设备对整车电器系统进行试验过程的实时监控尚不具备通行的有效方法。本文着重论述了一种应用于“汽车电器系统可靠性试验台”的适用于整车电器系统试验监控及故障诊断的测试系统的构建方法。

2监控系统工作原理

汽车电器可靠性试验台借助辅助试验设备施加电应力和振动应力,使台架上的汽车电器系统模拟汽车道路试验的实际工况进行试验。“汽车电器系统可靠性试验实时监控系统”以电路内的可及节点作为监控点,借助数据采集设备对各用电器回路内电压、电流、频率等信号进行跟踪测量和记录;通过应用软件对单元数据进行实时的处理分析,及时发现故障,实现声光电报警,并对典型故障的类型和位置做出诊断。

2.1系统基本设计构想

由于被试系统自身的复杂性,监控系统在设计上采用了基于“UUT(Unit Under Test)分类”的系统规划方式,如图1所示。针对UUT 类型展开系统的硬件和软件设计。采用这种方法的原因在于:

1.汽车电器系统的常规用电设备采用的是并联方式,以每

一用电器回路作为一个试验单元UUT,则整个被试系统即可作为一个由多个UUT 并行试验的电路网络系统;

2.汽车某些电器设备在其工作模式及故障形式上多具有共性,结合其自身特性及相关标准要求可将全部UUT 单元划分为灯具、电机、仪表等几种典型分类;

3.针对UUT 分类展开设计而非针对单个UUT,可以减小系统复杂度,提高通用性。

图1系统基本设计构想

2.2参数测量的实现

在进行可靠性试验时,要对被试系统各用电器进行全面的监控和准确的故障诊断,其前提是:第一,能够从系统中获得足够多的可及测试节点但不能破坏被试系统完好性;第二,信号I/O 接口必须连接可靠,能够耐受高强度试验应力而不先于被试系统发生故障。

按UUT 类型确定待测信号和采样节点,并以汽车电器实际

雷达:工学硕士

基金项目:基金申请人:陈剑;项目名称:安徽省科技攻关重大项目“整车NVH 性能测试与诊断关键技术”;基金颁发部门:安徽省科技厅(060229E2)

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使用的连接器作为信号输出接口,设计采样连接器接入电路可获取监控所需的信号。图2说明了某一阻性电器单元的采样方法。原状态下汽车用电器单元Rx 直接与汽车电线束连接形成工作回路,其正负极回路电阻分别为r1、r2,阻值未知;试验时将包含图示电路的“采样连接器”接入,便可在不影响原电路工作的情况下获得电路状态参数。

图2阻性电器单元监控原理

构建多通道数据采集系统,对各节点处的电参数进行实时的测量和数据处理,便可实现准确的故障识别和定位。

3系统测试仪器的合成

系统采用基于LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)总线的测量平台。LXI 是一种适用于自动测试系统的新一代基于

LAN 的模块化平台标准。LXI 模块化测试标准融合了GPIB 仪器的高性能、VXI/PXI 卡式仪器的小体积以及LAN 的高速吞吐率,并考虑了定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器要求。同时还具有诸多优势特性,例如:它是开放的工业化标准体系,具有向下兼容性,仪器开发成本低,有很好的协同工作能力,具有可扩展性等。其数据传输摆脱了传统仪器对数据传输距离和带宽的限制,可

以方便的实现仪器远程控制和远距离高带宽的数据传输。在恶劣的试验环境,如振动试验的高噪声环境条件下,因其在远程控制和数据传输网络上的优势,LXI 相对于其他总线平台具有更好的适用性。

3.1主控制器

如图3所示,系统以工控机作为主控制器,通过LAN 网络进行模块控制,并完成系统的数据处理、显示、存储等工作。作为整个试验系统的主控制器,工控机同时担负着可靠性试验应力

加载控制的任务。

3.2LXI 虚拟仪器模块

1)测试主机系统选用Agilent 34980A 开关/测量单元作为硬件平台,通过内置数字多用表对待侧信号进行测量转换和输出。测试主机通过LAN 总线与主控计算机进行通讯和数据

交换。

2)多路转换器由于待测系统内的信号以较为稳定的直流模拟量信号为主,所以采用公共DMM 分时测量方式。通过两个光电隔离ETF 开关模块,实现80个通道的双线测量。

3)抖动测量模块用于瞬断监控,检测电路内电压瞬态跳变

情况。

4)D/A 转换模块D/A 转换器为被试系统工作器件提供驱动信号,如转速表和车速表工作所需的电压脉冲信号,燃油表、水温表工作所需的电流信号。信号由主控计算机控制,由D/A 转换器输出,经过调理后通过模拟量I/O 接口输入被试系统。

5)数字示波器数字示波器通过LAN 总线与主控计算机进

行通讯和数据交换,并通过模拟总线连接测试主机,与内置仪表共用开关模块。实现对80个测量通道的任意一路信号进行高频采样和虚拟示波。

图3系统硬件构成

3.3关键问题

1)频率信号的测量待测信号同时存在100Hz 以上和3Hz 以下的频率信号,由于系统是公共DMM 等时扫描测量的方式,

两种信号需采用不同的采样方式进行测量。对于高频信号将系

统扫描通道设置为频率测量直接输出。对于低于3Hz 低频信号,由于其频率过低频率通道无法直接测量,因此需采用拟合的方式。此种方式对系统扫描频率有较高要求根据Nyquist 定理:

单通道采样率应由待测信号频率上限决定;故有:

若对80个模拟通道进行扫描采样,开关的总切换频率应大于480CH/s 。系统将单次扫描的时钟设计值为160ms,实际扫描频率为500CH/s,实现了低频信号的测量。

2)瞬断监控的实现瞬断作为一种电路瞬态现象,DMM 分时采样方法采样率过低,无法对该类信号实现监控,而多通道并

行的模拟量数据采集会导致大量的数据冗余和过高的系统成本。系统使用了抖动测量模块以32通道并行的数字量采样方式实时监测各通道电压跳变情况,单通道最高采样率为0.1μs,根据汽车电器的试验电压将监控电压阈值设定为10.5V/21V 可选。

4系统应用软件设计

4.1软件开发环境

系统选用LabWindows/CVI 作为软件开发平台。它具有交互式编程方法和丰富的库函数,为开发人员建立数据采集和过程监控系统提供了理想的软件开发环境,是实现虚拟仪器及网

络化仪器的快速途径。

4.2试验监控中的多线程技术

Windows 是弱实时性的操作系统.它通过线程的优先级来实现抢先,通过对测试线程进行适当的优先级设置来满足大部

分测试任务的实时性要求。试验监控要求系统控制、数据采集、数据显示和数据分析各项功能同步完成。利用LabWindows/CVI 多线程中的线程池技术可以很好的实现系统的实时性。

以界面控制作为主线程,通过界面操作向其它线程发出控制指令,使系统能够对用户操作及时响应;数据采集、实时显示、故障诊断作为辅助线程,与主线程同步执行。在辅助线程中,实时显示线程和数据分析线程通过管道消息驱动机制与数据采集线程进行实时的通信,实现线程间的数据共享。

4.3故障诊断方法

按照逻辑识别原理:故障原因函数、故障特征函数和决

策规则

三者满足布尔函数关系,故障诊断过程的实质就是从

已知的、中解出,用逻辑语言表示为:

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