基于汽车发动机控制模块的耐久性测试系统研究

1、基于汽车发动机控制模块的耐久性测试系统研究摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte1、引言汽车发动机控制模块（PCM）是汽车的控制神经中枢，直接影响到汽车的动力性和燃油经济性和尾气排放。随着汽车电子工业的

2、发展，PCM已经成为汽车的一个标准配置。由于PCM系统十分复杂，工作环境极为恶劣，其可靠性至关重要，因此，PCM耐久性测试是开发汽车发动机PCM的重要支撑条件。上世纪80年代，几家国际上知名的PCM模块制造公司如博世、西门子、德尔福、伟世通，针对自己的产品相继进行了PCM耐久性测试技术的研究，并研制出了相应设备。由于这类设备仍然沿用的是20多年前的设计体系，已经不能适应日新月异的汽车电喷发动机技术的发展，整体技术平台落后，存在一些不可克服的缺陷，例如不能兼容不同厂商的PCM模块，不能设置自动循环策略，不能现场配置模拟信号类型和参数等。目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段，但是由于

3、我国汽车工业起步较晚,自身技术落后,科研能力不强1,现有的PCM技术来自国外，有关PCM的耐久性测试技术在国内还属于空白，只有少数的高校围绕汽车电喷发动机开展了故障诊断、信号测试、运行机仿真等方面的研究2 -4，没有形成成套技术。本文介绍了汽车PCM耐久性测试系统的整体设计思路和测试规范，重点讨论了关键子系统的设计原理，并通过原型样机对几种PCM模块长久性测试，验证了该系统的可靠性和通用性。2、整体构思2.1 PCM工作原理汽车发动机控制模块（PCM）是汽车控制系统的核心部件，主要由输入电路、模拟信号、数字信号转换器、微机、输出回路等五个部分组成。其作用是接收各种传感器信号，经微机的运算、处理

4、，向执行器发出指令，接通各执行器的接地线，使其通电而工作，以精确控制燃油供给量、点火提前角和怠速空气流量。2.2 PCM耐久性测试系统的设计思路本文以电喷发动机的控制技术为基础，采用多层CAN总线通信技术、虚拟仪器技术和嵌入式计算机系统，设计了一个通用开放的PCM耐久性测试系统。它主要由工业控制计算机（工控机）、信号发生子系统、模拟负载子系统、负载监测子系统、大功率程控电源、环境实验箱、现场总线通信子系统、应用软件和数据库管理系统等组成。其硬件系统与原型样机如图1、2所示。图1 PCM耐久性测试通用平台的硬件系统图2 PCM的耐久性测试系统的原型样机 该测试系统的测试原理：以PCM为测试对象，

5、由工控机根据测试类型和测试项目的不同发送设置指令，控制环境变量和大功率直流电源，快速切换汽车传感器信号和模拟负载连接，并及时向负载监测系统发送读取指令，在线监测PCM运行状态。2.3 PCM耐久性测试规范耐久性测试规范是PCM耐久性测试的依据，关系到PCM整体质量。为了提高PCM正常运行时的可靠性和耐久性，必须建立一套能够最大限度激发PCM失效的测试规范。本系统建立耐久性测试规范的原则：（1）充分考虑引起PCM 失效的多种应力参数；（2）保证足够的测试时间以验证PCM模块在预计的寿命内有足够的可靠性5。根据PCM各种工况下的极限环境，确定了温度、湿度、电源电压等重要参数，建立了一套周期为6小时

6、的测试规范，具体如图3所示，并通过了利用DSPACE快速开发平台和NI虚拟仪器平台建立的耐久性测试实验平台的检验。(a) 温度和湿度参数(b)电源参数图3 相关参数的测试规范3、PCM耐久性测试系统的主要构架本系统采用研华工控机，通过安插调理放大器、A/D、D/A卡，安装Visual C+、LabVIEW等开发应用软件，构成一个虚拟仪器平台，实现了计算机的全数字化的采集测试分析。此外，系统选择了安捷伦6691A型大功率程控电源用于模拟蓄电池和发电机工作，设计了能容纳多个PCM的环境实验箱。3.1 信号发生子系统在相关文献中，信号发生装置均只针对特定的PCM而设计，灵活性较差。该子系统利用虚拟仪

7、器技术，主要结构是一个以ARM单片机和CPLD为硬件框架的嵌入式计算机系统。它只要分配给各个信号发生模块不同的标识(ID),就可通过现场总线进行系统扩展，实现多模块的信号发生子系统网络。采用DDS技术在当前的测试测量行业已是一种主流的做法6，其频率精度可随相位累加器的位数而定。本系统采用单片机+专用DDS芯片的方式产生正弦信号，其原理如图4所示，ARM单片机向CPLD 发出控制命令，CPLD 在时钟下译码后产生DDS的控制信号，产生出相应频率的正弦波信号，该正弦信号经过滤波放大后，输出相应幅值的正弦信号。图4 正弦信号产生原理图曲轴位置信号（CPS）是PCM控制点火系统中最主要的传感器信号，为

8、适应多种PCM的需求，设计采用CPLD和DA的方式产生。CPS信号产生原理如图5所示，在EPROM中存有一个周期的正弦表数据，当需要产生CPS信号时，ARM单片机对CPLD进行设置，CPLD根据接收的控制命令，通过时钟计数，产生读存储器的信号，并向EPROM提供合适的地址信号和控制信号，EPROM输出相应地址的数据，经D/A转换，变成单端CPS模拟信号，然后经滤波电路和单端转差分处理电路，输出CPS差分信号。在实际的电路实现中，对CPS信号的控制可由计算机通过CAN总线向ARM发出控制命令进行设置，因此，即使ARM芯片在运行过程中复位，电路仍能输出正确的CPS信号，以确保测试周期的正常进行。该子系统还针对各类PCM模块的需求,设计了两种VREF/2信号的产生方式：电阻分压方式和运算放大器分压；同时，利用555时基电路和滤波放大电路设计了PWM发生器；此外，该子系统还采用电阻分压加集成运放隔离的方式产生PCM需要的小幅值固定电压信号（比如1.0V）。3.2 模拟负载子系统图5 CPS信号产生原理图该子系统主要模拟PCM连接的点火线圈、喷油、碳罐电磁阀、废气再循环等输出负载。该子系统是一个能模拟各种PCM输出负载的开放式负载系统，并可通过现场总线进行系统扩展。本文综合分析了PCM负载的公共性和特