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汽車發動機控制器(ECU)是汽車中最為複雜且功能最為強大的電腦，它包含電源、MPU、通訊鏈路、離散輸入、頻率輸入、類比輸入、開關輸出、PWM輸出和頻率輸出等9大模組，了解這些模組以及待測試的計畫，對於測試工程師參與汽車ECU的測試具有一定的指導意義，同時也有利於設計工程師從測試角度去全盤考慮汽車發動機控制器的設計問題。

發動機電子控制裝置，也稱作發動機控制器(ECU)，於70年代誕生。當時，由於石油危機，人們正尋找一種提高燃油經濟性的方法，他們想要找出一種能夠使發動機在更為清潔和污染更少的條件下執行的方法。當時的工程師運用一種叫做燃料分配器的機械裝置來控制火花定時，使用化油器來控制燃料混合。這種機械系統的調整能力較差。20世紀70年代微處理器誕生了，這種技術可以實現控制火花定時和燃料混合所需的複雜、高速的運算。在80年代早期ECU成為了大多數車輛中的標準元件。ECU是設計用於解決具體問題的電腦。通常ECU是汽車中最為複雜且功能最為強大的電腦。

車輛中通常含有一個以上的電子控制模組(ECM)。ECU是負責發動機控制功能的電子控制模組，其主要用途是對發動機中的燃油和點火系統進行封閉迴路控制，因而提高燃油經濟性並減少發動機產生的氣體污染物。

為何要測試ECU？

測試通常被認為是一項沒有加值的工作。在理想的世界中確實如此，因為在理想的世界中，生產製程從來都不會產生缺陷，系統設計永遠沒有瑕疵，軟體永遠正常執行，從來不會有客戶退貨，產品和原材料品質問題為零，由於不會出現任何故障，測試就顯得毫無必要。但是世界並非完美，因此需透過測試來實現可測量的、可重覆的和可追蹤的最低品質標準。品質確實有價值，儘管它的價值無法直接衡量。

測試的必要性還體現在其它方面。汽車製造商有自己的品質要求和標準(如QS-9000)以及長期追蹤和規章要求。汽車製造商通常都要求元件供應商在將其元件發往B&A(組裝)工廠(元件在此處組裝成整車)之前對元件進行測試。B&A工廠是勞動密集型工廠。由於供應商的元件故障造成汽車返工是不可接受的，它會造成極大的損失。供應商合約中通常都包括由於供應商的原因造成的元件缺陷相關的罰款條款。

ECU生產商需要證明其產品符合客戶的規格，這需要透過DV(設計驗證)測試來實現。生產商還需證明其生產製程可以正確生產出產品，這需要透過PV(生產驗證)來實現。品質標準通常都要求對一定比例的ECU進行品質評估，以確保生產製程沒有缺陷。這種品質評估透過連續一致性(小型設計驗證)測試進行。

測試系統開發人員面臨的挑戰

如前所述，測試常常被認為是一項沒有加值的工作，雖然測試是提高生產流程各階段品質水準的重要方法。這一狀況使測試機構面臨著極大的壓力，它們必須確保測試過程穩固、全面、快捷且性價比較高。

測試系統必須穩固。測試系統必須能夠全天候執行。大多數汽車元件供應商都有高產量生產線，停產會對帶來巨大損失。JIT(準時)生產不允許分批發貨、發貨延遲或數量短缺。根據品質控製程式和流程的要求，出錯會導致停產。由於這些原因，測試設備必須可靠且精準。

測試範圍必須全面。測試系統的測試範圍應盡可能廣而且測試必須精確。測試系統應盡可能防止生產流程的下游出現缺陷。一般而言，越是在下游出現的問題，修復的成本越高。

測試系統必須快速運轉。高產量生產要求生產流程的每一階段都不能比最慢的流程慢。測試過程不應成為一個瓶頸，尤其是在測試被視為不會增值的工作時。測試系統的速度應比最慢的上游流程快。

測試系統必須具有高性價比。測試系統設計人員必須比較性能和成本。一個測試系統的成本不僅僅是其購買價格。測試系統會產生其它明顯的短期成本，如設備、培訓、維護、升級、支援以及連接等。測試系統的長期成本較不明顯，它取決於開發時間、靈活性、可量測性、可再利用性、模組性和可攜性等參數。這些因素與測試系統中使用的軟體和硬體直接相關。

除了以上這幾點，測試系統設計人員還必須在有限的預算和越來越短的時間內完成設計。開發新產品越來越難，產品的生命周期越來越短，新的規則、技術和客戶需求不斷湧現。面臨這一切，測試系統設計人員必須找到一種使其開發的系統既可滿足目前需求又可滿足未來需求的方法。

ECU如何工作？

簡單地說，ECU的工作方法就是根據與發動機相連的感測器的反饋來控制燃油混合(空氣燃油比)和火花定時(點火提前及持續時間)。燃油混合和點火定時的控制相當複雜。ECU需要從多個感測器獲取數據以實現系統的最佳控制。ECU需要了解地速、發動機轉速、曲軸位置、空氣品質(氧氣含量)、發動機溫度、發動機負載(如空調(A/C)打開時)、油門位置、油門的變化率、變速齒輪、廢氣排放，等等。前面我們已經講到，ECU是一種用於解決具體問題的電腦。電腦通常無法直接與類比世界進行交互。因而需要使用一個訊號調理╱數據採集介面，以將來自感測器的類比訊號轉換為電腦可以理解的數位訊號。而為了控制燃油系統和點火系統，必須將數位訊號轉換為類比訊號。

ECU功能模組

ECU包含以下幾個功能模組：

1. 電源－數位和類比(類比感測器的電源)

。
2. MPU－微處理器和記憶體(通常為快閃記憶體和RAM)

。
3. 通訊鏈路－(如CAN匯流排)

。
4. 離散輸入－開╱關型輸入。
5. 頻率輸入－編碼器型訊號(曲軸或車輛速度)。

6

. 類比輸入－來自感測器的反饋訊號。

7. 開關輸出－開╱關型輸出。

8. PWM輸出－變頻和佔空比(如噴射器或點火器)

。
9. 頻率輸出－?琠w的佔空比(如步進電機－怠速控制)。

圖1顯示了ECU的典型輸入╱輸出框圖，各框中列出了NI提供的激勵和測量設備的種類以及與負載物和儀器的連接狀況。

電源

ECU的電源是一個直流－直流轉換器。電池電壓被轉換為適合MPU和其它數位電路的電壓。在某些情況下，ECU提供類比感測器的電壓源。在這種情況下，ECU提供一個或多個類比電源電壓(源於電池電壓)。典型的測試包括：

‧ 開關檢查－檢查電源和接地之間是否短路或開路。

‧ 電源負載測試－如果ECU採用類比電源，則在最大負載條件下驗證電源電壓。

‧ 電源噪音測試－如果ECU採用類比電源，則檢查輸出噪音大小。

‧ 睡眠電流－在點火鍵處於‘關’位置時檢查VBATT上的電流。

‧ 喚醒電流－在點火鍵處於‘開’位置時檢查VBATT上的電流。

處理器

MPU內含有處理器和記憶體組件。在大多數情況下用快閃記憶體儲存應用軟體(有時稱作應用碼)。應用軟體中包括校準查找表。這些表根據輸入的反饋設定最佳燃油混合和點火定時參數。利用快閃記憶體你可以在任何時候對ECU進行重新編程。在某些情況下，應用套裝軟體括用於生產測試的特定測試模式。典型的測試包括：

‧ RAM測試－通常為某種形式的寫和讀。

‧ Flash測試－檢查製造商╱產品編號，校驗總和。

‧ ‘看門狗’計時器測試。

‧ 將應用軟體和╱或嵌入式測試碼下載到快閃記憶體中。

生產測試通常採用以下的一種或多種方法：

‧ 應用碼包括用於ECU的外部控制的內建式測試分支。

‧ 將測試碼下載到快閃記憶體中。測試碼能測試所有的輸入和輸出。

‧ 下載與測試相關的程式碼(如僅下載用於讀取類比輸入的程式碼)。

數據鏈路

ECU具有與外界相連的通訊鏈路。ECU協議和標準的種類很多，而且每隔幾年就會出現新的協議和標準。通訊鏈路具有多項功能。其中最主要的一項功能是滿足板上診斷(OBD)的要求。OBD對車輛排氣系統進行故障探測。ECU對廢氣排放進行監測；當廢氣排放量超出容許標準時，ECU會記錄數據以供技術人員使用。技術人員透過通訊鏈路獲取數據，並可運用其它與通訊鏈路相連的診斷工具找出故障元件。目前的車輛通常都使用一個以上的ECM(ABS，車身控制，遠端資訊處理等)，這些ECM一般都透過通訊鏈路連接在一起。為了能夠正確執行，ECU可能需要與發動機不相關的電子或機械系統的狀態資訊。類似地，其它ECM也需要來自ECU的狀態資訊以確保正常執行。

ECU的測試通常需透過頻繁的通訊鏈路輸入╱輸出來完成。由於和ECU通訊要佔去實際測試時間的30％至40％，用於通訊鏈路的設備對系統性能具有很大的影響。設備的吞吐時間(如將RS-232轉換成CAN或將CAN轉換成RS-232)會影響測試系統的總體性能。根據協議的不同，選擇範圍會受到限制。但是在進行選擇時，還是應該進行比較，以找出最快的方案。

透過一個簡單的例子可以說明你的選擇帶來的影響。假設你有一個用於將RS-232轉換為CAN的車輛通訊介面(VCI)設備。如果VCI設備的RS-232側在9600bps和每bps為1位元的條件下執行，則RS-232側的傳送速率為9.6kbps。

此處是11位元元組或88位元。在9600kbps的速度下傳送數據需要9.17ms。這一時間看起來似乎並不長，但是要知道在ECU設備的測試過程中通常要傳送200條甚至更多資訊，僅僅單向傳送200條資訊就需耗時1.83秒。當然，資訊通常需遵守命令╱響應協議，因此傳送200條資訊的實際時間為2 ×1.83秒，即3.66秒。這還未包括將數據由RS-232轉換為CAN，由CAN轉換為RS-232以及ECU或測試系統控制器處理數據的其它等待時間。如果選擇RS-232側的執行速度達到18.2kbps的VCI設備，就可將測試時間縮短1.83秒。在必須將測試碼或應用碼下載至ECU的情況下，選擇慢速的設備會造成更大的影響。

離散輸入

離散(或開關)輸入監測汽車中各組件和附件的開關狀態。最重要的離散輸入是點火開關。ECU需要知道點火開關的位置(啟動，執行，關閉，輔助)以確定何時和如何控制燃油和點火系統。其它離散或開關輸入還有停車開關、制動開關和A/C開關。

在ECU測試系統中，通常由通用和╱或矩陣繼電器組成的負載╱激勵模組將一個測試源(VBATT, BATT_GND, DAC, DIO)與ECU上的離散輸入相連接。典型的測試包括：

‧ 行動1/0－對於行動1，先將所有離散輸入置0，然後再將輸入由高切換為低，一次輸入一個。行動0則與此相反。

‧ 模式測試(如0xAA, 0x55)，讀取ECU的狀態。

‧ 將每個輸入與VBATT相連，讀取ECU的狀態。

‧ 將每個輸入與BATT_GND相連，讀取ECU的狀態。

‧ 在開路條件下進行測試。

頻率輸入

頻率輸入通常用於監測測試速度(如車輛速度)或速度和位置(如曲軸)的感測器。對於ECU最為重要的反饋訊號是曲軸訊號。在有些發動機應用中，曲軸和凸輪訊號都被用於向ECU提供速度(轉速)和位置(曲軸角度)資訊。曲軸和凸輪感測器可以採用可變磁阻型(VAR)感測器或紅外感測器(IR)。這兩種類型的感測器都能產生編碼器訊號，ECU透過這些訊號來確定燃油和點火輸出參數。

典型的頻率測試包括：

‧用具有可變振幅和╱或頻率和╱或佔空比的訊號來驅動ECU頻率輸入。

‧ 對輸入進行開路測試。

‧ 在VBATT和╱或BATT_GND與輸入短接的條件下進行測試。

類比輸入

類比輸入監測汽車中數量眾多的感測器。有多種類型的感測器，每一訊號都由ECU調理。溫度(發動機溫度)、壓力(MAP－集流腔絕對壓力)、流量(EGR)和空氣品質(氧氣)等是至ECU反饋迴路的組成部份。

典型的類比輸入測試包括：

‧ 開路－沒主動或負載與輸入相連。

‧ 與VBATT和╱或BATT_GND短接。

‧ 類比數位線性變換(如用量程的5和95%的輸入訊號進行測試)。

開關輸出

開關輸出，有時也稱作離散輸出，通常為小電流驅動器(<2A)。用於控制行駛控制離合器和燃油泵的訊號就屬於開關輸出。有時根據開關輸出向系統中的其它組件提供參考電源還是參考地而將其分為大電流驅動器和小電流驅動器。這些輸出驅動的負載可以是電阻性負載(如檢查發動機燈)，也可以是電抗性負載(如氣動電磁閥)。

脈寬調變(PWM)輸出

PWM輸出是ECU輸出中最為複雜的。而在PWM輸出中，噴射和點火(或EST－發動機點火定時)輸出可能是運算上最為複雜的。決定噴射和點火輸出的定時、頻率和佔空比的主要因素是曲軸速度(轉速)和位置(曲軸角度，0至360度)。用於確定燃油和點火參數的其它因素有車輛速度(mph)、油門位置(加速、減速、不變)、EGR(廢氣再循環)、發動機溫度、歧管壓力、燃油溫度╱壓力，等等。簡單地說，發動機應用碼使用所有這些反饋進行一些運算，然後在校準表中查找並選出最佳的燃油混合和火花定時(火花提前和滯後)，以最佳化發動機的性能。一般而言，PWM輸出驅動電感性負載，如點火線圈和噴射器電磁線圈。大多數負載均小於5A，但有些負載，如點火線圈，則根據發動機設計不同可為5至20A。

典型測試包括：

‧ Voh=VBATT ±0.5 VDC, Vol=BATT_GND ±0.5 VDC。

‧箝位電壓╱回掃電壓，大多數均<100V，點火線圈的回掃電壓可達450V。

‧ 輸出漏電流。

‧ 診斷。

‧ 將輸出同VBATT和╱或BATT_GND短接‧開關時間、上升時間╱下降時間、佔空比、頻率。

‧ 曲軸位置和噴射╱點火╱EST之間的定時╱同步(如相對於TDC的上升或下降沿延遲)。

‧ 電流與電壓比(如在I=500mA時的Vsat－電壓)。

頻率輸出

頻率輸出通常為?琠w頻率和╱或佔空比輸出。它們常用於控制步進型設備。頻率輸出的例子有ISC，即怠速控制，它調整進入燃油系統的空氣流量，因而改變怠速。

ECU測試軟體

軟體是測試系統的主要組成部份。通常需使用兩種類型的軟體：

‧ 應用程式開發環境(ADE)－用於編寫測試碼。

‧ 測試執行程式－用於管理測試序列。

ADE的選擇非常重要，因為它會對系統的長期和短期成本產生重大影響。測試執行程式也會對成本產生影響。任何測試應用程式都需使用某種類型的ADE來製作測試程式碼。ADE對開發時間有直接的影響，因而對系統的成本也會產生直接影響。選擇ADE時需考慮ADE的成本、易用性以及其所包含的工具和程式庫。除此之外，能否從ADE供應商或第三方軟體供應商處獲得附加軟體或套裝軟體也是值得考慮的因素。隨ADE一起提供的標準程式庫和附加軟體通常決定必須編寫多少程式碼。一般而言，開發人員需要編寫的程式碼越少，軟體開發時間就越短，開發成本也越低。

傳統上測試程式碼和測試執行程式要結合在一起。每次需要為新產品開發測試程式時，開發人員都必須編寫新的測試執行程式或將測試執行程式程式碼從舊產品導入到新產品的測試碼中。如果因為新產品的要求而需要更改測試執行程式部份的程式碼，則必須對每個採用該測試執行程式的系統進行相應的修改，或者為新產品編寫其自己的測試執行程式。這樣常常會導致同一測試執行程式有多種版本，因而增加軟體維護和軟體文件編制的成本。

現在市場上已出現了商用現成(COTS)測試執行程式。採用COTS測試執行程式後，測試系統開發人員只需將精力集中在測試碼上，而無需擔心測試執行程式。TestStand是市場上最好的COTS測試執行程式之一，它可以與幾乎所有ADE中的測試碼相連接，並可以與運用LabVIEW和LabWindows/CVI產生的程式碼無縫整合。

此外，NI為多種平台，如PCI、PXI和PCMCIA提供CAN(控制器區域網)設備，這些設備幾乎適用於需要CAN介面的任何汽車測試應用中。