商用车电性能虚拟综合测试系统研究

高美芹

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用车电性能虚拟综合测试系统研究

高美芹

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于虚拟仪器构建商用车电性能综合测试系统，以满足整车条件下商用车电量平衡测试需要，为电器部件匹配选型提供测试手段。首先对测试系统硬件进行选型，设计以美国NI cRIO-9033控制器为核心的测试系统，实现对发电机和蓄电池端电压和电流、发动机转速及车速、温度等信号的同步采集。然后给出测试系统的虚拟软件设计方案，采用多线程和状态机技术，提高了软件运行实时性和好的人机交互性能，同时占用硬件资源少。最后进行商用车电性能虚拟综合测试系统的场地实车试验，试验验证了本系统工作的可靠性。

商用车；电性能；测试系统；虚拟仪器；试验

随着汽车电子技术的发展，商用车电器件日益增多且功能复杂，在有效提高驾驶舒适性和行车安全性的同时也给电器件选型匹配提出挑战［1-2］。合理的电器件匹配选型可以优化提高商用车动力性和经济性能，如智能发电机、空调压缩机选型、整车电源系统设计等，特别是汽车电气系统的电平衡，对载重情况和运行工况复杂多变的商用车显得尤为重要［3］。当前，对商用车性能测试研究主要集中在电控系统测试技术，如电子稳定性系统、自动变速器系统测试技术、电动助力转向等［4-6］，以及发动机性能研究［7］，且逐步向便携式、虚拟仪器方向发展［1，8］，但对整车电性能测试研究文献较少。

本文研究商用车电性能虚拟测试系统，选用美国NI虚拟仪器硬件和LabVIEW开发环境，实现发电机与蓄电池端的电压和电流，发电机线圈和蓄电池桩头温度，以及发动机转速、车速等物理量的实时同步测试，为商用车电性能综合评估、电器部件选型优化分析等提供有效手段。

1 系统硬件设计

1.1 测试系统硬件结构

构建如图1所示的测试系统硬件结构，实现商用车蓄电池和发电机端电压、电流，蓄电池桩头和发电机线圈温度，以及发动机转速、车速等信息的实时同步采集、数据记录和分析。整个系统包括传感器、数据采集器和上位机便携式计算机3部分。

车载数据采集器选用美国NI公司的嵌入式实时控制器cRIO 9033及C模块（NI 9853、NI 9229、NI 9205、NI 9214）［9］，可靠性均为工业级，工作温度-40～70 ℃。控制器中提供FPGA硬件，通过编程可使得系统工作实时性和可靠性更高。

系统选用日本日置电机株式会社（HIOKI）的CT686X系列钳式电流传感器，体积小巧，非接触感应式测量，现场安装方便。转速和车速信息通过整车的OBDⅡ口获得。对于CAN通信的车辆且有CAN的.dbc文件，可通过NI 9853模块进行采集；对于K线通信或无.dbc文件的CAN通信车辆，使用ELM327和控制器串口同步采集发动机转速及车速信息。

图1 测试系统硬件结构框图

2 系统软件设计

测试软件基于美国NI LabVIEW开发，包括运行在数据采集器中的FPGA软件和实时RT软件，以及运行在上位机中的数据采集与分析软件。FPGA软件和RT软件要求保证数据采集的准确性和实时性；上位机软件要求实现简洁易读，并且界面友好、操作简洁。

2.1 FPGA和RT软件架构

实时控制器cRIO 9033中包括1.33 GHz双核Intel Atom处理器、Xilinx Kintex-7 160T FPGA［10］，可实现高速控制、在线处理和自定义定时和触发，控制器需要通过FPGA访问C模块。系统基于FPGA实现电压和电流、温度、指定发动机OBD CAN信息等3组信号的同步采集，并分别送入对应FIFO供控制器读取。

控制器中运行的NI Linux 实时系统，主要工作包括硬件（包括C模块）初始化、通过串口对K线信息读取、对FPGA送上来的FIFO信息实时读取与处理、所有测试数据的同步打包、采样数据的UDP上传至上位机、通过UDP实时接收上位机的设置更改等［11-12］。各项工作通过独立的多线程while循环进行，各循环间通过功能性全局变量实现数据传递与共享。FPGA和RT软件架构见图2。

使用DMA在FPGA与实时硬件之间传递高速数据。创建FIFO，并选择target-to-host作为其传递类型，数据将自动从FIFO传递到实时控制器RAM中的数据缓冲区。

图2 FPGA和RT软件架构

图3 上位机软件架构

2.2 基于状态机架构的上位机软件设计

上位机软件主要功能包括与数据采集器进行UDP通信，采样频率、保存路径、传感器标零等配置，数据处理、显示与保存，历史数据查看及简单数据处理，试验报告自动生成等。其中人机交互部分采用状态机架构设计，实现开始试验、结束试验、退出程序及调用参数配置、数据查看、生成报告子VI等功能，保证系统可靠实时运行。软件中采用多线程技术，采用4个独立的while循环，分别实现状态机控制、UDP通信、数据处理显示和数据保存等功能，有效提高了系统运行可靠性。上位机软件架构见图3。

状态机控制循环与其他循环之间的数据及控制信息传递通过功能全局变量实现。功能全局变量作为一个单独的子VI，在while循环中通过未初始化的移位寄存器保存数据，其原理如图4所示。利用这种方法，实现在1个VI中设置多个变量而不会出现混乱。

软件将数据接收和数据处理工作分开进行，避免数据处理占用时间长干扰数据接收，导致数据丢包。队列读写采用先入先出方式，即上位机接收到数据后将数据写入队列尾，数据处理循环从队列开头读取数据进行数据处理。

图4 功能全局变量原理

图5为上位机软件界面示例，界面简洁，通过菜单栏和快捷键方式进行人机交互操作，试验过程控制简便。主界面实时显示各测试参数曲线、数值等，控制试验开始、结束，进入参数配置、数据查看、生成报告等子Ⅵ；参数配置实现文件保存相关参数（文件路径、文件名称等）的配置、测试通道、OBD Ⅱ测试方法选择、电流传感器清零等相关配置；数据查看实现历史数据的查看，简单的数据统计功能；试验报告生成实现根据固定试验报告模板生成试验报告功能。

图5 上位机软件界面

3 实车试验

在江淮技术中心使用图1所示测试系统对江淮某重型商用车进行部分电性能参数测试试验。

试验设备安装实物如图6所示。试验安装2路电流传感器，分别安装在蓄电池和发电机回路中；2路电压探头，分别安装在蓄电池接线桩和发电机接线端；2路K型热电偶，分别安装在发电机线圈和蓄电池接线桩上；ELM 327接在车辆的OBD Ⅱ口，采集整车发动机转速信息。

图6 试验设备安装实物图

共进行3组电性能测试试验。第1组测试长时电平衡试验。发动机起动后，怠速，打开全部电器附件，包括收音机、空调、刮水器、远光灯、近光灯、前后雾灯、位置灯、双闪，试验采集1 200 s左右的数据，如图7、图8、图9所示。

图7 怠速多电器部件打开测试电流曲线

第2组测试单个电器部件用电量。取其中典型的空调、刮水器、前后雾灯、转向灯，其电压电流曲线如图10、图11、图12、图13所示。图10为单独打开空调的电压、电流曲线，时间在85 s左右打开了空调的AC按键，导致电压、电流增大；图11为单独打开刮水器的电压、电流曲线，在35 s左右，将刮水器执行速度调为慢速，导致电压、电流减小；图12为单独打开雾灯的电压、电流曲线，40 s之前打开前雾灯，40 s打开后雾灯，导致电压、电流增大；图13为单独打开转向灯的电压、电流曲线。

图8 怠速多电器部件打开测试电压曲线

图9 怠速多电器部件打开测试温度曲线

图10 单独打开空调测试电压电流曲线

图11 单独打开刮水测试电压电流曲线

图12 单独打开雾灯测试电压电流曲线

图13 单独打开转向灯测试电压电流曲线

第3组测试按收音机、空调、刮水器、近光灯、远光灯、前雾灯、后雾灯、转向灯、双闪的顺序，逐个打开用电器，然后按照相反的顺序逐个关闭用电器的电压电流曲线如图14所示，测试过程的转速变化如图15所示。图14中在24 s左右，发动机转速突然增大至700 r/min左右是因为打开空调所致。

图14 逐个打开用电器电压电流测试曲线

图15 逐个打开用电器转速测试曲线

4 结论

1）基于虚拟仪器搭建电性能综合测试系统，通过实车试验验证了系统整体功能和工作可靠性。

2）本测试系统为虚拟测试系统，可以方便地扩展其他参数测试功能，系统可为商用车电性能综合评估、电器部件选型优化分析提供有效手段。

［1］ 游彬.基于NI-RIO的车载电性能测试系统［D］. 南昌：南昌大学，2016.

［2］ 高锋，单玉梅，张强，等.基于电压的怠速状态电平衡自动控制技术研究［J］.汽车工程学报，2012（4）：308-313.

［3］ Hemandez-Arauzo A，Puente J，Varela R， et al.Electric vehicle charging under power and banlance constraints as dynamic scheduling［J］.Computers and Industrial Engineering，2015，85（C）：306-315.

［4］ 朱红岩，游国平.商用车电子稳定控制系统测试技术［J］.客车技术与研究，2012（6）：48-52.

［5］ 胡建军，伍国强，秦大同，等.重型商用车性能测试系统开发与应用［J］.重庆大学学报，2009，32（6）：614-619.

［6］ 宋旸.汽车电动助力转向虚拟测试平台的研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［7］ 韩建宏，宋孝勇，叶俊彦.中重型商用车发动机进排气系统的测试与匹配性研究［J］.汽车实用技术，2010（1）：41-44.

［8］ 薛雯，徐洋，胡彬，等.虚拟仪器技术在汽车测试中的应用［J］.重庆工学院学报（自然科学版），2009（7）：27-30.

［9］ National Instruments Corporation. NI cRIO-9033 operating instructions and specifications ［M］.2014.

［10］ National Instruments Corporation. Operation Instructions and Specifications IN cRIO-9033［M］.Austin，TX：National Instruments Corpation，2014.

［11］ 叶枫桦，周新聪，白秀琴，等. 基于LabVIEW队列状态机的数据采集系统设计［J］. 现代电子技术，2010（4）：204-210．

［12］ 吴媞，刘鹏飞，张小龙.车辆部件节油虚拟测试系统设计与快速分析［J］.汽车工程，2016，38（4）：515-520.

（编辑 凌 波）

Research on Virtual Test System for Commercial Vehicle Electrical Performance

GAO Mei-qin
（Anhui Jianghuai Automotive Group Co.， Ltd.， Hefei 230601， China）

The test system is developed for the study of commercial vehicle electrical performance based on the virtual test technology， which aims to meet test requirements on the commercial vehicle power balance performance.Firstly， the hardware selection is determined and the NI cRIO-9033 controller based test system is designed， which could achieve synchronous acquisition of the generator and battery terminal voltage and current， engine speed and vehicle velocity， temperature， etc. Then， the virtual software design of the test system is described in detail， in which the multithreading and state machine technologies are employed to improve the system running in real time and to obtain outstanding human-computer interaction performance with lower hardware resource occupation rate. Finally，field tests are conducted which proves the reliability of the system.

commercial vehicle；electrical performance；test system；virtual instrument；test

U467.521

A

1003-8639（2017）07-0007-05

2017-04-21

高美芹（1982-），女，工程师，硕士，主要负责中重型载货汽车电气系统设计开发工作。