一种应用于ECU HIL测试系统的PWM信号自学习模块设计

张志强，王颖

（一汽轿车股份有限公司，吉林 长春 130012）

一种应用于ECU HIL测试系统的PWM信号自学习模块设计

张志强，王颖

（一汽轿车股份有限公司，吉林 长春 130012）

基于某款在研的动力总成电控系统HIL测试平台，设计了PWM信号自学习模块，节省了系统硬件资源，扩展了系统功能，满足ECU实际测试应用需求。

PWM自学习；硬件在环；测试应用

1 设计背景及目的

随着汽车市场竞争日趋激烈，各主机厂加速应用电子控制系统。但是由于控制单元功能的复杂化，其产生的问题也不断增加［1］。电子控制单元硬件在环（ECU HIL）测试在整车电子电器开发过程中发挥着越来越重要的作用。通过合理的设计和设备的软、硬件资源配置，可以构建较高性价比的HIL测试系统。ECU HIL广泛应用在整车电子电器开发V模型的测试阶段，对保证ECU产品软、硬件品质发挥着重要作用。在实际应用过程中，设备硬件资源是有限的，如何利用这些有限资源，更好地服务于更多的项目，是工程师们所不断追求的目标。本文以现有ECU HIL测试系统为基础，设计PWM信号自学习模块，扩展设备功能，满足实际应用需求。

2 设计方案及实现

ECU HIL测试系统主要结构如图1所示。按照自下向上的设计模式，主要包括硬件操作系统层、模型层及应用层。硬件操作系统层主要包括NI实时处理器、板卡及操作系统等；模型层主要包括IO模型、发动机模型、自动变速器模型、其它辅助车辆模型等；应用层主要包括测试用例设计、测试脚本实现、测试报告生成等模块。

图1 ECU HIL测试系统主要结构

2.1 资源描述

ECU和实时系统交互使用较多的通道包括DIO（数字输入输出）［2］、AIO（模拟输入输出）［3］、特殊信号（如曲轴、凸轮轴、喷油、点火等）［4］。对于DIO通道，NI提供可重配置功能，使用LabVIEW编程，可以将其开发成为PWM IN／OUT通道。但是，对于固定的DIO板卡，其FPGA资源是有限的（如计数器、定时器等计算和存储资源），则将DIO通道配置成PWM IN／OUT通道数目也是有限的。当PWM资源使用完毕时，如何在当前硬件配置下再解析PWM信号呢？本文使用DI通道对PWM信号进行采集，在模型层使用PWM信号自学习模块进行解析，将解析后的信号传递至发动机或者变速器模型，完成被控对象仿真功能，实现ECU测试应用。

2.2 模块设计及实现

本文设计的PWM信号自学习模块主要由初始化模块Initial、频率自学习模块f_SelfLearning、占空比自学习模块DC_SelfLearning、故障处理模块FaultMode、语义自学习模块Semantic_SelfLearning 5个子模块构成。PWM信号自学习模块功能是基于输入的PWM信号，解析出其频率和占空比，同时根据信号的语义解析出其对应的等效逻辑值。模块设计的主体思路是通过Initial模块初始化计算资源，然后由f_SelfLearning模块计算出频率值，接着由DC_SelfLearning模块计算出占空比值，最后由Semantic_SelfLearning模块计算出等效语义值。

2.2.1 Initial模块设计

Initial模块主要在固定时间内进行数据结构和计数器的初始化，本文使用的数据结构主要是队列Queue，满足先进先出的原则。Initial模块算法设计如下。

2.2.2 f_SelfLearning模块设计

f_SelfLearning模块基于队列结构，队列中每个元素是一个采样计算点，整个队列始终保持Q.size个最新的计算点，以求出针对当前队列元素的PWM信号频率。f_SelfLearning模块算法设计如下。

2.2.3 DC_SelfLearning模块设计

DC_SelfLearning模块通过信号频率计算出信号周期，在每个周期时间内使采样点进入队列，遍历队列计算出信号不同采样值的数目，最后计算出信号的占空比。DC_SelfLearning模块算法设计如下。

2.2.4 FaultMode模块

FaultMode模块在初始化失败的情况下运行，为了避免对HIL系统其它模块产生干扰，其输出PWM信号频率和占空比的错误值，并且终止DC_SelfLearning模块的运行，以减少对系统计算资源的消耗。

2.2.5 Semantic_SelfLearning模块

Semantic_SelfLearning模块，主要用于ECU以PWM OUT信号的形式来主要表达DO含义的场景，根据来自ECU的PWM信号的语义（高低有效性、占空比含义特性等），模块中设置一个阈值τ，将已经求出的占空比值和阈值τ进行比较，同时对频率值进行取值范围判定，最终形成一个等效的语义逻辑，以Semantic_High或者Semantic_Low的形式输出。

2.2.6 模块算法实现

本文使用Simulink［5］建模实现上述模块设计的算法，其中，总体模型如图2所示，DC_SelfLearning模块如图3所示。

本文基于的HIL系统其最终更新频率为1 000 Hz，所以初始化队列大小为1000，以容纳1s之内的所有采样点。

图2 PWM信号自学习模块总体模型

图3 DC_SelfLearning模块模型

实际建模过程中，由于通过模型软件实现，所以本模块的应用范围是：被解析的PWM信号周期与被解析的PWM信号占空比的乘积是模型仿真步长的整数倍。同时需要处理模块间触发机制、复位信号产生、除零溢出等技术细节问题。

3 实际应用

将搭建的PWM信号自学习模块加载到HIL系统中，用于对奔腾B50车型项目测试。下面例举2个应用场景：其一是用于怠速起停功能测试；其二是用于ECU继电器诊断功能测试。

3.1 怠速起停功能测试

对于怠速起停功能测试，当车速和发动机转速、进气歧管压力、水温等条件满足逻辑约束时，发动机管理系统EMS和自动变速器控制单元TCU协同进行停机处理，TCU IC驱动Port口输出PWM信号，PWM自学习模块对信号进行解析，将解析后的频率和占空比信息传递至自动变速器模型，用于计算油路压力，示波器显示如图4所示。经过PWM信号自学习模块后，学习到的频率和占空比在Veristand软件中显示如图5所示。

从图4、图5可见，TCU发出PWM信号的频率为20.00Hz、占空比为74.4%；经过PWM信号自学习模块解析后，频率为20 Hz、占空比为70%～72%，可以满足实际ECU测试应用需求。对于占空比解析存在的误差，是多方面因素的叠加结果，主要包括DI通道采集误差，信号传递至模型后模型仿真计算误差等。

图4 TCU输出的电磁阀控制PWM信号

图5 经过自学习模块解析出的频率和占空比

图6 ECU输出PWM信号

3.2 ECU继电器诊断功能测试

对于ECU继电器诊断功能测试，ECU IC中同一个Port口，在同一个项目不同的阶段，其输出由DO变为PWM OUT，用于继电器粘连诊断。同时ECU还需要使用PWM OUT信号表达DO的含义，以控制继电器的吸合与断开。如果不进行信号语义形式转换，则发动机模型就会异常起动，无法正常测试。示波器显示的ECU发出信号如图6所示。经过PWM语义模块学习之后，输出信号在Veristand软件中显示如图7所示。根据语义，主继电器控制、辅助电子水泵继电器控制均为低电平有效，在模型中使用1表示有效，使用0表示无效。

从图6、图7可见，ECU发出频率为50.00Hz、占空比为0.6%以及频率为24.98Hz、占空比为99.8%的PWM信号，经自学习模块输出的等效语义和ECU表达的内容相符，前者为有效数值1，后者为无效数值0，满足实际测试应用需求。

Design of PWM Signal Self-learning Module Applied in ECU HIL Testing System

ZHANG Zhi-qiang，WANG Ying

（FAW Car Co.，Ltd.，ChangChun 130012，China）

Based on a powertrain electronic controlling system HIL testing platform under developing，this article designs a PWM signal self-learning module，which could economize system hardware resources，extend system functions and satisfy Electronic Control Unit（ECU）testing requirements practically.

PWM Self-learning；ECU HIL；testing application

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0056－03

2016-07-07；

2016-07-25

张志强，男，工程师，硕士，主要从事ECU HIL测试设备开发及应用工作。