嵌入式系统汽车电子水泵测试系统研究

　　摘要:针对传统水泵测试系统对汽车电子水泵测试的局限性，研发一款基于嵌入式系统的汽车电子水泵测试系统，兼容多种汽车电子水泵。分别从硬件组成、软件设计和控制策略方面介绍该测试系统。设计嵌入式控制器实现系统的参数采集和工况控制。通过输入和输出ＲS-485、PWM、LIN和CAN等信号，模拟ECU对汽车电子水泵的控制信号;采用PID算法控制管路流量;设计了系统的上位机;采用某车企汽车电子水泵产品完成系统验收。该系统可用于不同控制信号的汽车电子水泵性能测试。

　　关键词:汽车电子水泵;测试系统;嵌入式系统

　　随着汽车工业的发展，电子水泵作为动力系统的重要部件，效率高、能耗低等优点促使它逐渐取代传统机械水泵［1］。水泵结合了流体力学和热力学等学科知识，无法使用理论推导进行性能和参数预估，因此水泵测试系统显得尤为重要［2］。电子水泵应用电气、计算机和自动化等领域的技术，测试要求比传统机械水泵更复杂。汽车电子水泵主要由车载ECU通过LIN或CAN总线控制，因此测试系统需要输出类似车载ECU的控制信号以对汽车电子水泵进行控制，从而使它达到理想的工作状态。目前，国内外的汽车电子水泵测试系统一般由传统机械水泵测试系统改装而成，PLC架构也存在着体积大、成本高、控制策略简单、水泵测试种类少的问题。本文作者设计一款基于嵌入式系统的小型汽车电子水泵测试系统，模拟车辆ECU输入输出LIN、CAN等控制信号。嵌入式系统制作成本低、响应快、精度高、兼容性广，可执行复杂的水泵控制算法，能更好地完成汽车电子水泵的耐久、性能以及老化测试。

　　1系统简介

　　1.1功能介绍

　　系统综合功能如图1所示，采用直接测试法，采集汽车电子水泵的输入功率Pin、转速r、工作流量Q、进出口压差Δp和介质温度T，然后进一步计算出水泵的扬程H、输出功率Pout和效率η等参数，以完成汽车电子水泵的性能、阻力性能、可靠性、密封性和老化等试验。绘制H－Q、P－Q和η－Q曲线，存储并生成报告和图表。嵌入式PCB可输出PWM、ＲS-485、LIN和CAN等信号对汽车电子水泵的输入电压和转速进行控制。

　　1.2性能参数

　　汽车电子水泵测试系统如图2所示。该系统可兼容DN20～DN40口径的水泵，流量测量范围为6～230L/min，最大采集转速为7500r/min，水泵进口压力采集范围为－100～100kPa，水泵出口压力采集范围为0～600kPa，环境温度测试范围为－45～125℃，水泵测试温度范围为－45～145℃，程控电源可输出0～36V电压，工作介质为车用冷却液(40%水和60%乙二醇混合溶液)，管路符合GB/T3216—2016要求。图2汽车电子水泵测试系统示意

　　2硬件设计

　　2.1结构设计

　　采用计算机完成测试系统机械结构的3D设计，尺寸为2.5m×0.8m×1.5m、质量为60kg(不含介质)。主体框架结实耐用，采用欧标8040铝合金型材制作。采用DN20和DN40口径涡轮流量计测量管路流量，管路水平安装，为前二十后五比例［3］。流量数值通过ＲS-485总线进行输出，利用压力传感器测量水泵进出口压力，压力值以4～20mA标准电流信号输出。采用PT100温度传感器采集温度。利用霍尔元件测量水泵转速，水泵叶轮旋转时叶片每次经过霍尔传感器均产生1个相应脉冲，嵌入式PCB接收到连续的脉冲信号，进一步计算出2个连续脉冲的间隔时间，从而计算出水泵转速［4］。该机械结构中所有器件安装均符合JB/T8126.2—2010［5］要求。

　　2.2电气设计

　　本文作者设计专用电源箱，配有程控电源、开关电源、空气开关和电磁继电器等，可输出220V交流电和5、12和24V直流电，以对测试系统中的各个传感器和执行器供电。内置程控电源可输出0～36V直流电，满足乘用车电子水泵12V和商用车电子水泵24V供电需求。该电源箱具有过流保护、过压保护、电流反馈、紧急停止等功能，满足目前绝大多数汽车电子水泵的测试需求。测试系统电源外壳具有防尘、防水、防振功能。

　　3软件设计

　　3.1上位机系统开发

　　上位机系统包括2个控制界面和1个显示界面。整体系统设计采用模块化、分层次设计理念，界面简洁、易于操作。控制界面功能齐全，留有备用空间便于系统的功能扩展和开发，实现了汽车电子水泵测试的全面性、便捷性和准确性。其功能主要有以下4点:(1)与嵌入式PCB进行串口通信，接收控制板所采集汽车电子水泵的性能参数，并进行分析、处理、计算后存储。(2)界面实时显示水泵测试各项数据信息，系统可绘制H－Q、P－Q和η－Q曲线并显示在界面上。(3)输入水泵和台架其他设备的控制参数，对水泵转速、电源电压、管路压力、介质温度等参数进行设定。(4)存储测试水泵各项测试数据和图像，并以Excel等格式文件输出或打印。电源控制界面如图3所示，可设置电源箱输出电压和电流限值，具有电源箱启动停止功能，也可实时显示电源箱反馈回的工作状况;具有急停按钮，能强制停止电源箱工作，防止意外发生;运行时可根据故障指示灯亮灭情况判断电源箱是否正常工作，出现故障情况下可判断故障种类。系统控制界面如图4所示。该系统具备手动和自动测试2种测试模式，可实时设置待测电子水泵的转速和管路电动比例阀开度;实时显示测试状态下电子水泵转速、管路内介质温度、电子水泵入口电压、电流、电子水泵进出口压差和效率、管路的瞬时流量和累计流量;具有故障面板，可根据故障灯的亮灭显示故障;能够进行串口设置，兼容不同型号设备，为后续嵌入式控制板的开发与设计提供便利;拥有压力校准功能，可适应不同测试环境;能够保存数据，并以图表或文字格式输出;可选择电子水泵控制信号种类，如:LIN、CAN等。图4系统控制界面图5所示为某车企450W汽车电子水泵H－Q、P－Q和η－Q曲线显示界面，测试结果符合试验标准，可保存曲线图像或生成测试报告并保存。该系统具有数据整理、查询和管理功能，大幅度提升了测试效率。

　　3.2嵌入式PCB设计

　　采用专业软件进行嵌入式PCB的设计，嵌入式控制板结构如图6所示。STM32F103为意法半导体公司设计与制作的32位AＲM微处理器，以STM32F103为控制核心、Cortex-M3为内核架构，具有集成定时器Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UAＲT等多种外设功能，满足测试系统对汽车电子水泵工况控制、数据采集和处理等需求［6］。采用GM485E模块作为ＲS-485半双工通信收发器，包含驱动电路和接收器，具有失效保护电路，性能良好。将TJA1020模块作为LIN总线信号收发器，TJA1050模块作为CAN总线信号收发器，两者均采用了先进的绝缘硅SOI技术处理以及最新的EMC技术，因此其EMC特性优良，满足车载电器EMC标准要求。嵌入式PCB内置转换电路，可将4～20mA标准电流信号转换为0～5V标准电压信号，消除传输过程中的压降误差。测试系统嵌入式控制器PCB尺寸为10cm×10cm，结构小巧、布局清晰，所用器件均为汽车级，满足针对汽车电子水泵测试需求;采用12V供电，降低了操作人员的使用风险。

　　4测试原理

　　4.1理论基础

　　水泵运行特性无法用完整的数学模型来描述，因此水泵性能主要依靠试验的方法获取［7］。测试系统实时测量汽车电子水泵的流量Q、压差Δp、温度T和转速ω等，控制板将模拟信号转换成数字信号，通过串口传至上位机，上位机进行处理和计算后得到水泵其他性能参数。

　　4.2流量控制策略

　　管路内流量变化受到诸多因素影响，直接因素为水泵转速和电磁流量计截面积大小，间接因素为管路内介质中气体含量和管路内压力变化。流量测量采用DN40和DN20涡轮流量计，安装符合GB/T3216—2016要求。测量中涡轮流量计与嵌入式PCB采用ＲS-485总线进行通信，具有自我校验、传输速率快和受外界影响小的特点。汽车电子水泵测试时，一般要求在测试规定转速下，分别选取连续等差流量点记录对应量程，绘制流量－扬程曲线［9］。测试开始前向系统输入待测水泵设计最大流量值，加压泵工作，待测水泵入水口压力一直维持在正压范围，防止待测水泵入口负压造成介质内气体逸出产生气蚀影响流量稳定，选择DN40和DN20管道相应开度。测试开始后，通过嵌入式控制板控制主副管路电磁比例阀全开，设置水泵达到规定转速，然后按照试验流量点要求控制电磁比例阀开度，进行试验。控制板产生0～5V信号，经转换电路输出4～20mA标准电流信号给电磁比例阀，阀门接收4～20mA电流信号后会打开对应开度，机械式开度表显示电磁比例阀当前开度。在水泵转速、管内压力恒为正的情况下，比例阀为控制流量的唯一因素，比例阀采用PID控制，如图7所示。经过试验，某车企最大功率680W汽车电子水泵最大流量波动为5%，满足气蚀试验最大流量波动要求。

　　5结论

　　(1)采用某车企提供的汽车电子水泵对该系统进行性能和耐久测试，结果表明该系统满足测试需求，通过验收。在测试过程中未出现结构、电气和测试性能方面的异常，其测试的便捷性、高度自动化和测试完整性的优势得以完整体现，后续将对更多公司不同型号不同功率汽车电子水泵进行各项测试。(2)区别于传统PLC架构水泵测试系统，该系统采用嵌入式设计，在结构上更加小巧，便于测试人员排查故障与整修维护。嵌入式PCB的专用性降低了测试系统的制作与开发成本;可兼容更多电子水泵的控制信号，增加了可测试电子水泵的种类;硬件结构更加开放，便于功能升级与拓展;支持更多的外设接口，可兼容更多的测试设备与执行器;控制功能强大，可执行更复杂的控制算法。(3)该汽车电子水泵测试系统结合了嵌入式技术、传感器技术、信号与系统和控制理论，在机械结构、硬件设计和软件编程等方面均满足测试需求。该系统测试的精准度较高，操作简单、人机界面简洁、自动化程度高，有利于功能设计与拓展。

　　作者：王巍 冯晨 王敏 唐宁 单位：天津工业大学电气与电子工程学院 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心 天津工业大学控制科学与工程学院 天津工业大学生命科学学院 泛亚汽车技术中心有限公司