基于PCI总线和单片机的汽车试验测试系统

基于PCI总线和单片机的汽车试验测试系统郭庆波，高发廷，王殿辉中国重型汽车集团公司技术中心，山东济南250002摘要针对目前车辆试验数据采集系统存在的问题，提出一套全新的设计方案，解决了数据同步等难题。详细介绍该汽车试验测试系统原理和结构，给出了系统设计方案和具体实施办法。关键词PCI总线；CAN总线；SAKXC164CS；车辆试验测试系统中图分类号U4671文献标识码A文章编号10038639201103005104VEHICLETESTSYSTEMBASEDONPCIBUSANDMCUGU0QINGBOGAOFATINGWANGDIANHUITEEHCENTEROFCHINAHEAVYTRUCKCORPORATION，JINAN250OO2，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHEPROBLEMSINTHEDATAACQUISITIONSYSTEMFORVEHICLETEST，ASETOFTOTALLYNEWDESIGNPROPOSALHASBEENPUTFORWARDTOACHIEVEDATASYNCHRONIZATIONRH。PRINCIPLEANDSTRUCTUREOFTHISVEHICLETESTSYSTEMAREINTRODUCEDINDETAILSANDTHESYSTEMDESIGNPROPOSALANDIMP1EMENTINGMEASURESAYEALSOPRESENTEDHEREKEYWORDSPCIBUSCANBUS；SAK_XC164CS；VEHICLETESTSYSTEM1系统介绍目前使用的整车试验测试系统大都采用在车辆和发动机上安装专用传感器和分离式仪表、人工读数记录的方法。存在安装困难、试验时间长、精度低、试验人员工作量大、数据不同步、记录数据量少等问题。近来我国已经对汽车产品全面实施了国排放标准绝大部分发动机已经采用了电控共轨技术、电控单体泵技术或电喷技术，发动机的工况完全由发动机电控单元ECU控制，与发动机有关的传感器种类和数量都大幅增加，基本可以满足整车试验过程中对发动机参数的采集要求，同时也简化了试验车的改装工作，减少了工作量，降低了成本。但是这些传感器信号都直接送到了发动机ECU，同时还有部分传感器如大气压力等在ECU内部，无法直接测量得到笔者采用了通过CAN总线与ECU通信模拟发动机诊断仪的方法得到了这些实时数据。发动机的提前角、喷油量、喷射压力、故障信息等参数也可以通过CAN总线实时得到。同样对于车辆的自动变速器、车身控制系统、仪表灯光控制系统、排气后处理系统等电子控制系统也都采用了CANBUS通信，我们也可以参照发动机的信号采集方法，在CANBUS上得到这些数据。使用同一套采集系统可以同时记录所有的参数，保证了数据的同步，为后续的数据分析和试验过程的重现提供了保障，也缩短了试验时间降低了劳动强度。所以，开发这样一套试验系统是非常必要的。2总体设计由于试验过程中车辆需要长途跋涉，并且经常处于坏路面、紧急制动、高寒、高温或高海拔等工况，为保证系统的坚固性和可靠性，笔者没有使用笔记本计算机作为测试平台，而是使用了一款研华工控机，如图L所示，配以钢制固定支架和橡胶减震垫，将其固定在驾驶室内，并使用轨迹球代替鼠标，方便在颠簸环境下使用。图1研华工控机内部照片修改稿收稿日期201009一O1作者简介郭庆波1974一，男，大学学历，现任中国重汽技术中心电子电器所所长，主要研究方向为发动机电控系统。须交有道之人，莫结无义之友,2011年第3期图5双口RAM逻辑结构框图一存储单元进行读写操作引起的错误。在电路及软件设计上可以采用BUSY信号或“令牌传递”的方式进行操作，以避免左右端口的冲突。在软件设计时将ID1_7005的不同存储单元预先分配给不同的参数，用于在单片机和PC机之间传递指令和参数。模拟信号调理电路使用程控可变增益放大电路，对各种传感器输出的模拟信号进行不同放大倍率的调理。同时还设计有可选择的低通滤波电路，可以方便地配置为无滤波、一阶滤波或二阶滤波，滤波频率可调。在信号的输入端都设计有瞬态电压抑制电路和信号钳位电路。模数转换ADC采用SAKXC164CS内置的ADC，10BIT的转换精度在汽车应用中已经足够了，多达14个通道也可以满足一般的试验需求。数字及开关信号调理电路主要由信号钳位、光耦隔离、滞回比较等模块组成，对于相位敏感信号可以跨过滞回比较电路，以免影响逻辑同步的判断。数字控制信号输出电路使用光耦隔离，并在系统中外加功率驱动电路。用以驱动指示灯、电磁阀等负载。功率驱动电路主要采用了INFINEON_司的汽车专用驱动模块，例如BTS724、BTS442、TLE6228等。这些功率模块驱动能力强，使用简单，保护措施完善。可以对过压、过流、高温等提供全面保护，并可以实现电流反馈和故障诊断等功能。数模转换DAC和模拟信号输出电路采用MAX559055925594系列12BIT10BIT8BIT数模转换器用户可以根据自己的转换精度需要选择不同的芯片。这3种芯片封装完全兼容，不需要改动PCB就可以直接互换。DAC与SAKXC164CS间的通信采用SPI总线，占用硬件资源少，通信速度高，PCB布线也较简单。需要注意的是尽量采用单独的稳压电源为DAC供电，并做好电源退耦设计和地线的布置，降低电源波动对DAC输出的影响。电源系统分为两部分，单片机及其周边电路采用计算机主板电源供电，直接从PCI总线接口取得；DAC、功率输出、数字信号输出以及外部传感器的供电采用一个独立的开关型DCDC从车辆蓄电池电源转换得到。使用开关电源的原因主要是降低功耗，提高效率；DAC的电源从DCDC后再加一级串联稳压电路得到，以此保证DAC电源的稳定。22系统软件设计采集系统软件包括采集卡单片机程序和上位机程序两部分。单片机程序主要包括以下几个功能模块参数配置和功能选择模块、数据传递模块、模拟信号采集模块、数字信号采集模块和控制输出模块等，其程序流程图如图6所示。图6单片机软件流程框图软件工作过程如下。1系统上电后或系统复位后首先将双口RAM清零，然后初始化PIC总线芯片，WINDOWS自动分配设备地址。2扫描双口RAM中参数设定和功能设定数据下传区域的内容，如果全为零，说明系统没有进行参数设定和功能设定，程序按照默认值进行自动配置；如果不全为零，说明用户进行了特殊配置例先使用后付款。用后说不好可不付款L详贝彩13广告汽车电器2O11年第3期如设置了需要在CAN总线上接收并处理的数据ID，启动了冻结帧的读取等功能，程序按照从双口RAM中读取的数据进行配置。3程序按照配置自动采集ADC、开关信号以及各总线的数据。并将数据写入双口RAM中指定的单元，等待上位机通过PCI总线进行读取。4扫描双口RAM中控制输出数据下传区域的内容，并将这些数据按照硬件配置的不同通过I0、SPI、I2C等不同的路径传输到对应的DAC、功率输出等输出电路模块，实现对被控对象的控制。上位机程序提供操作界面和数据处理功能，主要程序功能模块有参数设置模块、数据采集通信模块、数据显示和曲线绘制模块、数据记录模块等，其程序主界面如图7所示。图7上位机程序主界面3结束语本系统目前可以同步采集发动机、自动变速器、车身控制单元、ABS等各种车辆电控单元的近百种工作参数，例如发动机的转速、水温、进气温度压力、排气温度、喷油量、喷射提前角，并且自动变速器的输入轴转速、输出轴转速、实际档位、目标档位等参数也可以通过软件升级的方式随时添加采集项目。此系统减少了试验用传感器的安装数量将原来在试验前必须临时加装的水温、环境大气温度、大气压力、排气温度、机油压力、机油温度、机油液位、发动机转速、车速、增压压力、进气温度、进气流量等10多个传感器都节省掉了，减少了改装工作量，也更真实地反映了车辆的工作状况。同时，将必须加装的一些传感器，例如起动机电流传感器、驾驶室内各点温度传感器等，以及车辆上一些没有进入ECU的数字及模拟信号一起由本系统的数字和模拟输入通道进行采集，与ECU发出的CANBUS上的数据进行同步记录和分析，在实际使用中节省了超过5O的试验时间和数据分析时间。|54LL2011每溪3经过笔者在车辆标定过程中的实际使用，此系统实现了测试数据的自动同步记录和数据曲线的实时显示，为后续的数据分析带来了很大的方便。图8是试验车辆在昆仑山口海拔47