嵌入式系統汽車電子水泵測試系統研究

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摘要:針對傳統水泵測試系統對汽車電子水泵測試的局限性，研發一款基于嵌入式系統的汽車電子水泵測試系統，兼容多種汽車電子水泵。分別從硬件組成、軟件設計和控制策略方面介紹該測試系統。設計嵌入式控制器實現系統的參數采集和工況控制。通過輸入和輸出RS-485、PWM、LIN和CAN等信號，模擬ECU對汽車電子水泵的控制信號;采用PID算法控制管路流量;設計了系統的上位機;采用某車企汽車電子水泵產品完成系統驗收。該系統可用于不同控制信號的汽車電子水泵性能測試。

關鍵詞:汽車電子水泵;測試系統;嵌入式系統

隨著汽車工業的發展，電子水泵作為動力系統的重要部件，效率高、能耗低等優點促使它逐漸取代傳統機械水泵［1］。水泵結合了流體力學和熱力學等學科知識，無法使用理論推導進行性能和參數預估，因此水泵測試系統顯得尤為重要［2］。電子水泵應用電氣、計算機和自動化等領域的技術，測試要求比傳統機械水泵更復雜。汽車電子水泵主要由車載ECU通過LIN或CAN總線控制，因此測試系統需要輸出類似車載ECU的控制信號以對汽車電子水泵進行控制，從而使它達到理想的工作狀態。目前，國內外的汽車電子水泵測試系統一般由傳統機械水泵測試系統改裝而成，PLC架構也存在著體積大、成本高、控制策略簡單、水泵測試種類少的問題。本文作者設計一款基于嵌入式系統的小型汽車電子水泵測試系統，模擬車輛ECU輸入輸出LIN、CAN等控制信號。嵌入式系統制作成本低、響應快、精度高、兼容性廣，可執行復雜的水泵控制算法，能更好地完成汽車電子水泵的耐久、性能以及老化測試。

1系統簡介

1.1功能介紹

系統綜合功能如圖1所示，采用直接測試法，采集汽車電子水泵的輸入功率Pin、轉速r、工作流量Q、進出口壓差Δp和介質溫度T，然后進一步計算出水泵的揚程H、輸出功率Pout和效率η等參數，以完成汽車電子水泵的性能、阻力性能、可靠性、密封性和老化等試驗。繪制H－Q、P－Q和η－Q曲線，存儲并生成報告和圖表。嵌入式PCB可輸出PWM、RS-485、LIN和CAN等信號對汽車電子水泵的輸入電壓和轉速進行控制。

1.2性能參數

汽車電子水泵測試系統如圖2所示。該系統可兼容DN20～DN40口徑的水泵，流量測量范圍為6～230L/min，最大采集轉速為7500r/min，水泵進口壓力采集范圍為－100～100kPa，水泵出口壓力采集范圍為0～600kPa，環境溫度測試范圍為－45～125℃，水泵測試溫度范圍為－45～145℃，程控電源可輸出0～36V電壓，工作介質為車用冷卻液(40%水和60%乙二醇混合溶液)，管路符合GB/T3216—2016要求。圖2汽車電子水泵測試系統示意

2硬件設計

2.1結構設計

采用計算機完成測試系統機械結構的3D設計，尺寸為2.5m×0.8m×1.5m、質量為60kg(不含介質)。主體框架結實耐用，采用歐標8040鋁合金型材制作。采用DN20和DN40口徑渦輪流量計測量管路流量，管路水平安裝，為前二十后五比例［3］。流量數值通過RS-485總線進行輸出，利用壓力傳感器測量水泵進出口壓力，壓力值以4～20mA標準電流信號輸出。采用PT100溫度傳感器采集溫度。利用霍爾元件測量水泵轉速，水泵葉輪旋轉時葉片每次經過霍爾傳感器均產生1個相應脈沖，嵌入式PCB接收到連續的脈沖信號，進一步計算出2個連續脈沖的間隔時間，從而計算出水泵轉速［4］。該機械結構中所有器件安裝均符合JB/T8126.2—2010［5］要求。

2.2電氣設計

本文作者設計專用電源箱，配有程控電源、開關電源、空氣開關和電磁繼電器等，可輸出220V交流電和5、12和24V直流電，以對測試系統中的各個傳感器和執行器供電。內置程控電源可輸出0～36V直流電，滿足乘用車電子水泵12V和商用車電子水泵24V供電需求。該電源箱具有過流保護、過壓保護、電流反饋、緊急停止等功能，滿足目前絕大多數汽車電子水泵的測試需求。測試系統電源外殼具有防塵、防水、防振功能。

3軟件設計

3.1上位機系統開發

上位機系統包括2個控制界面和1個顯示界面。整體系統設計采用模塊化、分層次設計理念，界面簡潔、易于操作?？刂平缑婀δ荦R全，留有備用空間便于系統的功能擴展和開發，實現了汽車電子水泵測試的全面性、便捷性和準確性。其功能主要有以下4點:(1)與嵌入式PCB進行串口通信，接收控制板所采集汽車電子水泵的性能參數，并進行分析、處理、計算后存儲。(2)界面實時顯示水泵測試各項數據信息，系統可繪制H－Q、P－Q和η－Q曲線并顯示在界面上。(3)輸入水泵和臺架其他設備的控制參數，對水泵轉速、電源電壓、管路壓力、介質溫度等參數進行設定。(4)存儲測試水泵各項測試數據和圖像，并以Excel等格式文件輸出或打印。電源控制界面如圖3所示，可設置電源箱輸出電壓和電流限值，具有電源箱啟動停止功能，也可實時顯示電源箱反饋回的工作狀況;具有急停按鈕，能強制停止電源箱工作，防止意外發生;運行時可根據故障指示燈亮滅情況判斷電源箱是否正常工作，出現故障情況下可判斷故障種類。系統控制界面如圖4所示。該系統具備手動和自動測試2種測試模式，可實時設置待測電子水泵的轉速和管路電動比例閥開度;實時顯示測試狀態下電子水泵轉速、管路內介質溫度、電子水泵入口電壓、電流、電子水泵進出口壓差和效率、管路的瞬時流量和累計流量;具有故障面板，可根據故障燈的亮滅顯示故障;能夠進行串口設置，兼容不同型號設備，為后續嵌入式控制板的開發與設計提供便利;擁有壓力校準功能，可適應不同測試環境;能夠保存數據，并以圖表或文字格式輸出;可選擇電子水泵控制信號種類，如:LIN、CAN等。圖4系統控制界面圖5所示為某車企450W汽車電子水泵H－Q、P－Q和η－Q曲線顯示界面，測試結果符合試驗標準，可保存曲線圖像或生成測試報告并保存。該系統具有數據整理、查詢和管理功能，大幅度提升了測試效率。

3.2嵌入式PCB設計

采用專業軟件進行嵌入式PCB的設計，嵌入式控制板結構如圖6所示。STM32F103為意法半導體公司設計與制作的32位ARM微處理器，以STM32F103為控制核心、Cortex-M3為內核架構，具有集成定時器Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種外設功能，滿足測試系統對汽車電子水泵工況控制、數據采集和處理等需求［6］。采用GM485E模塊作為RS-485半雙工通信收發器，包含驅動電路和接收器，具有失效保護電路，性能良好。將TJA1020模塊作為LIN總線信號收發器，TJA1050模塊作為CAN總線信號收發器，兩者均采用了先進的絕緣硅SOI技術處理以及最新的EMC技術，因此其EMC特性優良，滿足車載電器EMC標準要求。嵌入式PCB內置轉換電路，可將4～20mA標準電流信號轉換為0～5V標準電壓信號，消除傳輸過程中的壓降誤差。測試系統嵌入式控制器PCB尺寸為10cm×10cm，結構小巧、布局清晰，所用器件均為汽車級，滿足針對汽車電子水泵測試需求;采用12V供電，降低了操作人員的使用風險。

4測試原理

4.1理論基礎

水泵運行特性無法用完整的數學模型來描述，因此水泵性能主要依靠試驗的方法獲?。?］。測試系統實時測量汽車電子水泵的流量Q、壓差Δp、溫度T和轉速ω等，控制板將模擬信號轉換成數字信號，通過串口傳至上位機，上位機進行處理和計算后得到水泵其他性能參數。

4.2流量控制策略

管路內流量變化受到諸多因素影響，直接因素為水泵轉速和電磁流量計截面積大小，間接因素為管路內介質中氣體含量和管路內壓力變化。流量測量采用DN40和DN20渦輪流量計，安裝符合GB/T3216—2016要求。測量中渦輪流量計與嵌入式PCB采用RS-485總線進行通信，具有自我校驗、傳輸速率快和受外界影響小的特點。汽車電子水泵測試時，一般要求在測試規定轉速下，分別選取連續等差流量點記錄對應量程，繪制流量－揚程曲線［9］。測試開始前向系統輸入待測水泵設計最大流量值，加壓泵工作，待測水泵入水口壓力一直維持在正壓范圍，防止待測水泵入口負壓造成介質內氣體逸出產生氣蝕影響流量穩定，選擇DN40和DN20管道相應開度。測試開始后，通過嵌入式控制板控制主副管路電磁比例閥全開，設置水泵達到規定轉速，然后按照試驗流量點要求控制電磁比例閥開度，進行試驗?？刂瓢瀹a生0～5V信號，經轉換電路輸出4～20mA標準電流信號給電磁比例閥，閥門接收4～20mA電流信號后會打開對應開度，機械式開度表顯示電磁比例閥當前開度。在水泵轉速、管內壓力恒為正的情況下，比例閥為控制流量的唯一因素，比例閥采用PID控制，如圖7所示。經過試驗，某車企最大功率680W汽車電子水泵最大流量波動為5%，滿足氣蝕試驗最大流量波動要求。

5結論

(1)采用某車企提供的汽車電子水泵對該系統進行性能和耐久測試，結果表明該系統滿足測試需求，通過驗收。在測試過程中未出現結構、電氣和測試性能方面的異常，其測試的便捷性、高度自動化和測試完整性的優勢得以完整體現，后續將對更多公司不同型號不同功率汽車電子水泵進行各項測試。(2)區別于傳統PLC架構水泵測試系統，該系統采用嵌入式設計，在結構上更加小巧，便于測試人員排查故障與整修維護。嵌入式PCB的專用性降低了測試系統的制作與開發成本;可兼容更多電子水泵的控制信號，增加了可測試電子水泵的種類;硬件結構更加開放，便于功能升級與拓展;支持更多的外設接口，可兼容更多的測試設備與執行器;控制功能強大，可執行更復雜的控制算法。(3)該汽車電子水泵測試系統結合了嵌入式技術、傳感器技術、信號與系統和控制理論，在機械結構、硬件設計和軟件編程等方面均滿足測試需求。該系統測試的精準度較高，操作簡單、人機界面簡潔、自動化程度高，有利于功能設計與拓展。

作者：王巍 馮晨 王敏 唐寧 單位：天津工業大學電氣與電子工程學院 大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心 天津工業大學控制科學與工程學院 天津工業大學生命科學學院 泛亞汽車技術中心有限公司