基于软件界面的汽车故障模拟系统

文/刘月美，王怀宽，钮铭坤

摘要

随着能源危机日趋严峻、排放法规日趋严格，汽车工业中电控高压共轨系统的应用日益广泛，为柴油机和车辆的性能优化提供了发展空间。但同时该技术涉及机电一体化控制系统的复杂理论，知识范围涵盖控制系统、流体力学、电子学、燃烧理论等诸多层面，使得对汽车故障模拟及监控技术提出了更高的要求。本文针对故障模拟及监控复杂问题提出了基于软件界面的故障模拟系统，通过与硬件分离，一键故障测试的方式，使得对ECU控制软件不熟悉的人员能够进行快速测试，以提高测试效率。

1 引言

随着汽车工业技术的不断迭代和计算机信息技术的不断深入发展，汽车电子控制模块集成化和复杂化程度越来越高，使得对于电控系统的开发和测试人员的能力要求越来越高，再加上电控系统的日益复杂，并且故障有间歇性、隐蔽性等特点，传统的故障模拟系统和模拟方法愈发捉襟见肘，研究开发适应信息化发展的故障模拟系统成为当前的必要方法和热门话题。

2 问题分析

汽车电子化智能化的发展趋势使ECU模块结构日益复杂，加大了汽车故障诊断的难度。目前，通过故障码诊断故障，是现代汽车故障诊断技术的研究现状。由于汽车故障诊断技术是一项综合性较强的技术，涉及数字信号处理与模式识别、现代控制理论、计算机基础、数字和模拟电子技术、人工智能等多种学科，要求专业人员具有深厚的知识背景，并且由于通用的故障模拟软件操作较为复杂，因此对操作人员的技术水平及操作规范提出了更高的要求。

3 基于软件界面的故障模拟系统

本文针对故障模拟操作复杂及操作人员缺乏技术支持，导致的测试工作较为低效与复杂问题提出了基于软件界面的故障模拟系统。该系统根据电控策略逻辑基于故障原理，对故障模拟功能及人机界面进行了设计。根据故障的特性，对于ECU中的故障进行了分类，搭建了半实物仿真平台，根据实例进行功能的调试和验证，实现了通过与硬件分离，使用软件模拟方式进行故障检测过程，达到故障测试的目的。操作人员可通过软件界面的一键故障测试的方式，或者人性化的引导模式模拟故障报出状态或故障治愈状态，从而快捷、准确地测试功能逻辑，或者是排除系统问题，以实现测试工作的高效化、快速化及操作简易化。

3.1 系统架构

基于软件界面的汽车故障模拟系统主要由上位机软件和电控单元（ECU）组成。上位机通过USB连接适配器，适配器通过物理CAN接口与ECU连接，进行输入输出信号的传输，上位机发送命令给适配器，适配器转换为对应的CAN命令通过ECU或从ECU端接收指令，通过不同的报文命令，下传或者上载数据，从而整体实现故障的模拟、检测、排查相关的工作。下载数据可以修改ECU控制器内存中数值，改变ECU中策略，控制不同的逻辑走向，达到故障模拟的目的，并且在此过程可以实时上载ECU中数据，进行参数监控，操作者可以在软件界面上看到系统变化，判断是否达到目标，是否测试完成，结果是成功还是失败等内容。整个故障模拟系统的系统架构如下图１所示。

图１系统架构图

3.2 ECU控制器

ECU控制器是发动机电子控制系统的核心装置，是车辆的大脑，控制着车辆的运行，车辆的故障都存在于ECU控制器中。ECU控制器的外围包括硬件连接的传感器、执行器、CAN通讯的智能设备或者网络中其他节点等，ECU控制器会提前烧录对应的控制策略代码，达到车辆或者信息传递等目的。它上电后程序开始运行，可以根据自身存储的程序对发动机各类传感器信息进行处理，并输出控制指令，控制相关执行器动作，或者从总线获取对应的信号信息，参与控制发动机车辆正常运行。在ECU控制器中有对应的控制逻辑可以检测传感器、执行器、CAN通讯类故障。当故障处于不同状态会影响车辆的运行状态。当车辆处于无故障状态时，是一种安全工况，可以放心的运行和行驶，当车辆在有故障状态时，根据不同故障会影响车辆的安全运行，对于人身或者车辆都存在危害，所以要正确的检测故障，保障不误报也不能不报，否则会严重影响车辆的正常运行。

3.3 上位机设计

图２基于软件界面的故障模拟系统设计框图

上位机软件设计基于.Net4.0组件，采用Visual Studio2019开发，在设计时各个层级分别被定义为表示层、接口层和数据层。表示层主要是展示故障模拟的输入输出参数和功能配置，及故障或者结果信息监控，包括根据ECU中不同种类进行故障信息的设置。接口层定义了硬件和软件的借口，实现了通讯接口驱动相关的功能。数据层封装了通讯报文数据，数据的分包组包，故障模拟的测试数据接收和发送。通过各层相互工作、相互协调、相互制约最终实现了完整的功能软件。

图２为基于软件界面的故障模拟系统的上位机设计的详细设计框图。基于软件界面的故障模拟系统可划分为上层模拟平台和底层驱动模块两部分。上层模拟平台由前台可视化的模拟界面、监控和显示界面、后台实现管理和存储的数据库、图形化显示等辅助功能和实现上层模拟平台与底层通信连接的驱动模块等构成。通信驱动模块包括软件驱动和硬件驱动两个子模块。上层模拟平台通过发送和接收模拟数据监测底层驱动模块，设计不同的业务接口，实现基于软件界面的汽车故障模拟软件功能中的不同部分，最终实现整个软件功能。

3.4 XCP接口驱动

XCP协议是ASAP标准的重要部分，该协议为国际标准协议，也是当前汽车行业内主要的标定和监控协议。本协议主要采用主从节点的工作方式，使用数据传输对象和命令传输对象两类数据包进行主从节点间通信的区分。

在本系统中，上位机集成了进行测量和标定的图形界面以及XCP命令解析模块，请求信息经由上位机XCP协议模块封装，通过通信控制单元发送至ECU通信接口，再由集成在ECU中的XCP驱动解析模块解析，之后调用对应的命令处理模块进行操作，将处理结果打包后发送回上位机。其实现框架如图３所示。

图３上位机XCP协议框架图

3.5 系统功能实现

基于软件界面的汽车故障模拟系统提供了故障模拟、数据监控、数据分析及数据保存等功能。

在故障模拟模块中，本文根据故障模拟需求对ECU中的故障进行分类，将其划分为传感器类〔电压超上限（Ｈ）、电压超下限（Ｌ）〕、执行器类〔信号对电源短路（Ｂ）、信号对地短路（Ｇ）、信号开路（Ｏ）、信号温度过高（Ｔ）〕、报文类〔报文字节错误（Ｄ）、报文接收超时（Ｅ）〕等故障，如图４所示。每一类故障的实现原理相同，将不同分类的故障放在一个逻辑中实现。传感器累故障对应监控电压信号，将电压信号对应的上限值和下限值标定到异常范围内，即可实现传感器电压超上限故障报出或者传感器电压超下限故障报出的逻辑，将电压信号对应的上限值和下限值标定到合理的范围内，即可实现传感器电压超上限故障治愈和传感器电压超下限故障治愈的逻辑，在此过程中可以实时监控传感器电压值，故障防抖状态，故障最终状态的变化趋势和结果，展示给操作者或者用户或者测试验收者判断最终的故障模拟结果，得出最终的结论。

图４ ECU故障模拟分类图

数据监控模块可将监控的数据以数值、曲线、图形和仪表等多种形式进行显示。同时，该系统还可以支持在故障模拟后进行数据分析的功能，通过导出后台数据分析计算、数据对比等实现数据的透明管理和历史数据的备份管理，并且对于数据管理进行权限分级，不同的角色的权利不同，通过权限进行数据保护，防止数据泄露。数据保存功能是将实验的测量数据和其他相关信息进行保存，保存的测量数据可进行离线分析对比，并可通过加载回放至实验环境中进行动态数据。

图５基于软件界面的汽车故障模拟系统界面图

基于软件界面的汽车故障模拟系统的最终实现后的界面如图５所示。在故障模拟时，可在界面中相应的故障分类下选择具体的故障进行操作，该模拟系统统计了ECU中的故障列表，故障报出条件和治愈条件及相关变量的数值，相关监控参数，通过界面输入指令，界面字符串转换成对应的报文信号，使用XCP通讯协议将命令数值进行传输，实现变量数值的修改和写入，之后点击“一键测试”按钮进行测试，模拟故障报出。同时，该故障模拟系统可以支持多故障的联动，即可同时设置不同故障类型不同级别的故障进行故障的模拟。当需要解除故障状态恢复故障时，点击“故障治愈”按钮，可实现数据的修正，将对应的数据设置在合理的范围内，即实现故障治愈。故障报出或者故障治愈可以实时操作和显示。

在进行故障模拟过程中，可打开数据监控页面对响应数据进行监控，并且对于此过程的所有操作过程或者实时报文进行监控记录，便于进行比较高阶的问题分析和记录。在故障模拟结束后，可打开数据分析与数据保存页面对故障模拟过程中生成的数据进行分析与保存。该系统为操作人员提供了界面友好的操作方式，即使是对ECU控制软件不熟悉的人员也可使用该软件进行快速测试，降低了功能确认和测试的复杂度。由于不同的控制器控制策略的不同，对于故障模拟系统的逻辑设计的通用性带来了一定的难度，为了方便用户，由于不同ECU导致的不同需要封闭在本系统的后台，针对不同的控制器可以设置不同的关键词，通过此关键词在程序中设计不同的路径实现多ECU不同逻辑的兼容，无论如何在前台展示给用户的操作方式和信息需要保持一致，便于用户简单方便进行通用的操作，而不是根据不同的控制器去适应不同的操作方式和不同的人机界面。

4 总结

本文针对故障原理类型多复杂度高，故障策略分类多，故障模拟操作复杂问题提出了基于软件界面的汽车故障模拟系统。该系统提供了简洁的汽车常见的故障的测试模拟的界面交互方式，操作人员可通过软件界面的一键故障测试的方式模拟故障状态或故障治愈，实现了测试的高效化及操作的便捷化。

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