文/刘月美，王怀宽，钮铭坤
摘要
随着能源危机和排放法规的日益严格，电控高压共轨系统在汽车工业中的应用越来越广泛，为柴油机和车辆的性能优化提供了发展空间。但与此同时，该技术涉及一体化控制系统的复杂理论，涵盖控制系统、流体力学、电子学、燃烧理论等多个层次，对汽车故障模拟和监控技术提出了更高的要求。针对复杂的故障模拟和监控问题，本文提出了基于软件界面的故障模拟系统，通过与硬件分离和一键故障测试ECU不熟悉控制软件的人可以快速测试，以提高测试效率。
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，汽车电子控制模块的集成和复杂性越来越高，对电子控制系统的开发和测试人员的能力要求越来越高。此外，电子控制系统越来越复杂，故障具有间歇性和隐蔽性的特点，传统的故障模拟系统和模拟方法越来越紧张，研究和开发适应信息化发展的故障模拟系统已成为当前的必要方法和热门话题。
汽车电子智能化的发展趋势使汽车电子智能化的发展趋势ECU模块结构日益复杂，增加了汽车故障诊断的难度。目前，故障代码诊断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技术，涉及数字信号处理和模式识别、现代控制理论、计算机基础、数字和模拟电子技术、人工智能等学科，要求专业人员具有深厚的知识背景，由于一般故障模拟软件操作复杂，对操作人员的技术水平和操作规范提出了更高的要求。
本文提出了基于软件界面的故障模拟系统，针对故障模拟操作复杂，操作人员缺乏技术支持，导致测试效率低下复杂。根据故障原理，系统设计了故障模拟功能和人机界面。根据故障的特点，对于故障ECU故障分类，建立半物理模拟平台，根据实例调试验证功能，实现与硬件分离和软件模拟的故障检测过程，达到故障检测的目的。操作人员可以通过软件界面的一键故障测试或人性化的指导模式模拟故障报告状态或故障治愈状态，快速准确地测试功能逻辑，或消除系统问题，从而实现测试工作的高效、快速和简单的操作。
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组成（ECU）组成。上位机通过USB通过物理连接适配器CAN接口与ECU连接，输入输出信号传输，上位机向适配器发送命令，适配器转换为相应的CAN命令通过ECU或从ECU终端接收指令，通过不同的报纸命令下传或上载数据，实现故障的模拟、检测和调查。可修改下载数据ECU改变控制器内存中的值ECU中间策略，控制不同的逻辑方向，达到故障模拟的目的，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
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，控制车辆的运行，车辆故障存在于ECU控制器中。ECU控制器的外围包括传感器、执行器、硬件连接CAN网络中的通信智能设备或其他节点，ECU控制器将提前记录相应的控制策略代码，以实现车辆或信息传输。上电后，程序开始运行，可根据自己存储的程序处理各种发动机传感器信息，输出控制指令，控制相关执行器动作，或从总线获取相应的信号信息，参与发动机车辆的正常运行。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通信故障。不同状态的故障会影响车辆的运行状态。当车辆处于无故障状态时，是一种安全条件，可以放心运行和驾驶，当车辆处于故障状态时，根据不同故障会影响车辆的安全运行，对人身或车辆有害，因此正确检测故障，确保无误报，否则会严重影响车辆的正常运行。
图２ 基于软件界面的故障模拟系统设计框图
基于上位机软件设计.Net4.0组件，采用Visual Studio在设计过程中，每个层次都被定义为表示层、接口层和数据层。表示层主要显示故障模拟的输入输出参数和功能配置，以及故障或结果信息监控，包括根据ECU设置不同类型的故障信息。界面层定义了硬件和软件的借口，实现了通信界面驱动的功能。数据层包装通信报纸数据、数据分包、故障模拟测试数据接收和发送。完整的功能软件最终通过各级相互工作、相互协调、相互制约实现。
图2是基于软件界面的故障模拟系统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分为上模拟平台和底驱动模块。上层模拟平台由前台可视化模拟界面、监控显示界面、数据库、图形显示等辅助功能组成，实现上层模拟平台与底层通信连接。通信驱动模块包括软件驱动和硬件驱动两个子模块。上模拟平台通过发送和接收模拟数据监控底驱动模块，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的不同部分，最终实现整个软件功能。
XCP协议是ASAP该协议是国际标准协议的重要组成部分，也是当前汽车行业的主要校准和监控协议。本协议主要采用主节点的工作模式，使用数据传输对象和命令传输对象进行主节点间通信。
在该系统中，上位机集成了测量和校准的图形界面XCP命令分析模块，通过上位机要求信息XCP协议模块封装，通过通信控制单元发送至ECU通信接口由集成ECU中的XCP驱动分析模块进行分析，然后调用相应的命令处理模块进行操作，将处理结果打包后送回上位机。实现框架如图3所示。
图３ 上位机XCP协议框架图
基于软件界面的汽车故障模拟系统提供故障模拟、数据监控、数据分析和数据保存。
在故障模拟模块中，本文根据故障模拟的需要进行了测试ECU故障分为传感器类〔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)〕如图4所示。各类故障的实现原理相同，在逻辑上实现不同分类的故障。传感器累故障对应监测电压信号，将电压信号对应的上限值和下限值标定在异常范围内，实现传感器电压超上限故障报告或传感器电压超下限故障报告的逻辑，将电压信号对应的上限值和下限值标定在合理范围内，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。故障防抖状态、故障最终状态的变化趋势和结果，显示给操作人员或用户或测试验收人判断最终故障模拟结果，得出最终结论。
图４ ECU模拟故障分类图
数据监控模块可以以数值、曲线、图形和仪表的形式显示监控数据。同时，系统还可以支持故障模拟后的数据分析功能，通过导出背景数据分析计算、数据比较实现数据透明管理和历史数据备份管理，对数据管理进行权限分级，不同角色的权利不同，通过权限数据保护，防止数据泄露。数据保存功能是保存实验测量数据和其他相关信息。保存的测量数据可以离线分析比较，动态数据可以加载回放到实验环境中。
图５ 基于软件界面的汽车故障模拟系统界面图
汽车故障模拟系统的最终实现如图5所示。在故障模拟过程中，可以在界面中相应的故障分类下选择具体的故障进行操作，并对模拟系统进行统计ECU故障列表、故障报告条件、治愈条件及相关变量值、相关监控参数、界面字符串通过界面输入指令转换为相应的报纸信号XCP通信协议传输命令值，修改和写入变量值，然后单击一键测试按钮进行测试，模拟故障报告。同时，故障模拟系统可以支持多故障联动，同时设置不同类型、不同级别的故障进行故障模拟。同时，故障模拟系统可以支持多故障联动，同时设置不同类型、不同级别的故障进行故障模拟。当需要解除故障状态并恢复故障时，单击故障治愈按钮，修改数据，并在合理范围内设置相应的数据，即实现故障治愈。可实时操作和显示故障报告或故障治愈。
在故障模拟过程中，可以打开数据监控页面监控响应数据，监控和记录本过程的所有操作过程或实时报告，以便进行更高级的问题分析和记录。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友好的界面操作模式，即使对ECU不熟悉控制软件的人也可以使用该软件进行快速测试，降低了功能确认和测试的复杂性。由于不同的控制器控制策略，故障模拟系统逻辑设计的通用性给用户带来了一定的困难。ECU系统的背景需要关闭不同的关键字，不同的控制器可以设置不同的关键字，并在程序中设计不同的路径ECU无论如何在前台向用户展示不同逻辑的兼容性，都需要保持一致的操作模式和信息，方便用户进行通用操作，而不是根据不同的控制器适应不同的操作模式和人机界面。
本文针对故障原理类型复杂性高，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。