作者：楊艷明1、相朋舉 、曹磊 （北京泛華恒興科技有限公司 北京 100192）
摘要：車窗按鈕作為汽車電子部件中使用頻率最多的部件之一，其老化特性是最受關注的。良好的車窗按鈕老化測試系統(tǒng)能夠準確反映出按鈕質量的優(yōu)劣，同時也是汽車整體安全性的保證。本文提出了一種基于柔性測試技術的車窗按鈕老化測試方案，闡述了其基本的測試原理以及具體軟硬件實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)已被用于現(xiàn)場測試，證明其運行穩(wěn)定可靠。
關鍵詞：車窗按鈕；老化測試；柔性測試；
中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A
Car Window Button Aging Test System Based on Flexible Testing Technology
Yang Yan-ming, Xiang Peng-ju, CaoLei
(Beijing Pansino Solutions Technology Co.,Ltd., Beijing 100192, China)
Abstract: The aging test characteristic of the car window has been focus on for a long time for its widely and frequently used in car electrical equipments. The quality of the button related to the whole car safety can be tested by a good aging test system. A new testing scheme is developed based on flexible testing technology. Its testing theory and measurement is introduced including the hardware and software. This testing system has been equipped and running well.
Key word: Car Window Button; Aging test; Flexible Testing
1、引言
車窗按鈕作為最常用的汽車電子部件之一，其可靠性和穩(wěn)定性反映了汽車電子產(chǎn)品的質量優(yōu)劣；另外車窗按鈕如果發(fā)生故障，也有可能導致極為嚴重的事故，因此在實際車窗按鈕的生產(chǎn)中，其使用壽命的測試或者說老化測試成為了一個必不可少的步驟。當然，車窗按鈕的類型也分為很多，最為常見的就是單鍵雙值的按鈕，即一個按鈕擁有彈起和按下兩個鍵值。除此之外，也有其他比較復雜的按鈕，比如一個按鈕擁有上下兩個行程，每個行程除復位外還各有兩個不同的鍵值，這種按鈕共有五個鍵值。所以，車窗按鈕的老化測試既要能夠測試多種不同的按鈕，也能夠監(jiān)控不同按鈕的多個鍵值。
傳統(tǒng)的車窗按鈕老化測試基本都是基于固化的硬件電路和機械結構來實現(xiàn)，其缺點就是一旦硬件電路設計完成，那么其參數(shù)基本都已固定，當被測件變化或者修改測試參數(shù)時，系統(tǒng)很難做出相應的調整，無法實現(xiàn)被測件的多樣性測試和靈活的系統(tǒng)配置。本文在分析已有監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，提出了基于嵌入式硬件和實時軟件相結合的方案，不僅能夠測試多類多個車窗按鈕，而且可以進行實時配置，完成每個按鈕的多個鍵值監(jiān)控，能夠大幅提高車窗按鈕老化測試的效率。
2、車窗按鈕老化測試原理
傳統(tǒng)的車窗按鈕老化測試的原理大多數(shù)都是針對單鍵雙值的按鈕，在指定的一段時間內，如果按鈕被按下，則認為是一次“觸發(fā)”，那么計數(shù)就增加一次。這種測試方式更多關注的是按鈕在失效前的被按下次數(shù)，因此只能從次數(shù)上對按鈕的壽命做粗略測試，而不能對按鈕每個鍵值在老化過程中的產(chǎn)生的漸變做實時監(jiān)測。本文提出的測試方法是可以涵蓋多種類型按鈕，下面以目前最復雜的雙行程五值按鈕為例來說明測試原理。
圖 1 雙行程五值按鈕測試原理
按鈕每次被按下之前都有一個觸發(fā)信號，觸發(fā)周期T表明在該段時間內，按鈕的所有鍵值都要被監(jiān)測一次。上、下行程的兩個鍵值分為u1,u2,d1,d2，復位鍵值為R。M1，M2，M3，M4，M5表示對應鍵值的位置，t0表示觸發(fā)信號上升沿到來時距離按鈕第一個鍵值出現(xiàn)的時間間隔。
對于同一類型的按鈕，其鍵值數(shù)量是確定的，通過程序先獲取此次安裝到機械臺上按鈕各個鍵值相對于觸發(fā)信號的延時，如u1鍵值距離觸發(fā)上升沿延時為t0，u2鍵值距離觸發(fā)上升沿延時為t0+t(u1)，依次類推，d2鍵值距離觸發(fā)上升沿延時為t0+t(u1)*2+t(u2)*2+t(R)+t(d1)。
為了最大限度的保證采集值的準確，設定的每個鍵值的采集位置最好為該鍵值持續(xù)過程的中點處。這樣系統(tǒng)按照以觸發(fā)信號為基準的時序對按鈕鍵值進行采集和監(jiān)控。下圖是實際系統(tǒng)監(jiān)測的單鍵三值按鈕30000次動作的數(shù)據(jù)。
圖 2 a 單鍵三值按鈕動作示意圖
b單鍵三值按鈕30000次數(shù)據(jù)記錄
圖中，d1,d2和u1分別表示按鈕位置d1、d2和復位時實時鍵值，H和T表示當前測試的濕度和溫度，圖中橫坐標30000表示系統(tǒng)已經(jīng)監(jiān)控了的按鈕動作完成次數(shù)。
3、監(jiān)控系統(tǒng)設計
3.1 基于柔性測試技術的系統(tǒng)概述
柔性測試技術是以測試測量系統(tǒng)的整體功能及性能為關注對象，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法和手段進行研究及開發(fā)的技術[1]。它以虛擬儀器技術為核心，融合了測試測量、機電一體化、網(wǎng)絡通信及軟件等多種技術；以測試系統(tǒng)的精確性、可靠性、適應性、靈活性和拓展性為研究目標；既面向應用，又專注于測試行業(yè)的發(fā)展，推動著現(xiàn)代測試技術在實際應用中的快速發(fā)展。
本監(jiān)控系統(tǒng)除了完成對按鈕多個鍵值連續(xù)不斷的采集監(jiān)控外，還需要能夠根據(jù)按鈕類型的不同靈活地配置不同的參數(shù)。按鈕鍵值數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析的功能是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，但是考慮到要做的是按鈕的老化測試，因此對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性也提出了嚴格的要求。同時由于要對按鈕鍵值做實時監(jiān)控，記錄按鈕老化失效的漸變過程，所以外界環(huán)境的干擾、系統(tǒng)本身的電磁干擾等都將影響鍵值信號，因此監(jiān)控系統(tǒng)良好的電磁干擾處理也是必要的。
另外，考慮到監(jiān)控系統(tǒng)對執(zhí)行機構動作的響應能力，按鈕鍵值的實時采集精度等情況，本系統(tǒng)選擇FPGA作為下位機采集的關鍵硬件，通過下位機實時操作系統(tǒng)[3]（Real-Time Operation System）上程序的控制從而完成按鈕鍵值的采集，并把數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C，做數(shù)據(jù)的實時顯示和分析等。由于采用了網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇�，所以網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡操作的容錯機制也是設計系統(tǒng)時需要重點考慮的問題。下面將分別從硬件和軟件方面對車窗按鈕監(jiān)測系統(tǒng)做詳細闡述。
3.2 硬件設計系統(tǒng)
整個監(jiān)測系統(tǒng)采用的硬件平臺是基于NI CompactRIO[2]系列硬件實現(xiàn)的。該系列產(chǎn)品是一種小巧堅固的工業(yè)化測試和采集系統(tǒng)。系統(tǒng)最大的特點是包含可重新配置的I/O及FPGA芯片，可以通過對FPGA芯片的編程實現(xiàn)基于硬件的可靠系統(tǒng)，CompactRIO還包含支持熱插拔的模塊，根據(jù)不同的測試需求，可以選擇不同的模塊，如數(shù)字輸入、模擬輸入、輸出、動態(tài)信號采集、溫度傳感器信號采集等，而且由于在該平臺上運行的是實時操作系統(tǒng)，因此整個監(jiān)控系統(tǒng)核心部分——下位機的可靠性和穩(wěn)定性都有了極大的提高。
圖 3 車窗按鈕老化測試系統(tǒng)框架
實時控制器是針對實時控制需求而設計的,該控制器運行LabVIEW實時（Real-Time）系統(tǒng)與程序，可以進行確定性控制、數(shù)據(jù)記錄和分析。實時控制器具有普通操作系統(tǒng)諸如（WINDOWS系列）所無法比擬的實時特性，可以精確地結合硬件系統(tǒng)進行定時，可以迅速、確定的對外部事件進行響應。同時實時控制器的系統(tǒng)穩(wěn)定性，平均無故障運行時間（MTBF）等也較普通控制器有大幅提高。NI cRIO-9014嵌入式實時控制器，是高性能NI CompactRIO可編程自動化控制器(PAC)平臺中的一個器件。它既具有400MHz Freescale處理器，2GB非易失性存儲，128MB DDR2 RAM，該控制器設計堅固、可靠且電源能耗低，其9VDC和35VDC兩種電源輸入可用于CompactRIO機箱/模塊的隔離供電，操作溫度范圍較寬，能長時間實現(xiàn)遠程應用。
本系統(tǒng)選擇嵌入式機箱NI cRIO-9112作為系統(tǒng)各個模塊與控制器連接的橋梁。該機箱擁有8個可重配置的I/O模塊，內嵌Xilinx Virtex-5 FPGA芯片，可以方便通過labVIEW編程軟件實現(xiàn)自定義的硬件功能，如定時，觸發(fā)控制以及嵌入式的同步操作。由于FPGA在硬件是是嚴格并行執(zhí)行，因此對于采用觸發(fā)信號作為按鈕鍵值采集方式的系統(tǒng)而言是個有力的實時保證。另外，該機箱擁有-40 to 70 °C溫度工作范圍，可以適合于惡劣的操作環(huán)境。
系統(tǒng)選用NI 9205作為按鈕鍵值的采集模塊，該模塊擁有16路差分模擬信號輸入，250KS/s的總采樣率，16位A/D分辨率，可支持熱插拔操作，通道隔離以及過壓保護。由于現(xiàn)場按鈕動作的執(zhí)行機構每次最多只能操作20個按鈕，因此本系統(tǒng)選用了2塊采集模塊即可。硬件上的模塊化設計使得系統(tǒng)在擴展時極為方便，只需添加對應的模塊即可，而不需要做其他電氣或者機械上的改變。對于現(xiàn)場觸發(fā)信號（高為24V，低為0V）的采集，選用NI 9221來完成，支持±60V的電壓輸入，擁有8個模擬輸入通道。為了最大限度利用模塊資源，實際系統(tǒng)將9221的另外7個模擬輸入通道也作為了按鈕鍵值的采集，作為采集按鈕通道的擴展。另外系統(tǒng)還選用了其他數(shù)字模塊，用來做系統(tǒng)狀態(tài)的顯示等。
3.3 軟件設計
本系統(tǒng)圖形化編程語言LabVIEW[4]作為開發(fā)平臺，它內置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性，在提供強大功能的同時還保證了系統(tǒng)靈活性。根據(jù)系統(tǒng)的硬件架構，軟件部分也由三部分來組成。Windows PC的上位機軟件部分、CompactRIO System的實時操作系統(tǒng)部分和FPGA部分。如圖所示
圖 4 a 測試系統(tǒng)軟件框架設計
b 系統(tǒng)軟件設計功能模塊框圖
數(shù)據(jù)采集硬件模塊將采集到按鈕鍵值被采集模塊轉換成數(shù)字信號之后，進入機箱底板的FPGA芯片，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中對FPGA芯片進行設計和編程，通過編譯器將labVIEW圖形化的代碼轉換成FPGA的二進制比特流文件，并下載固化到FPGA的RAM里，以便程序的自動加載。FPGA上I/O的數(shù)據(jù)與實時控制器上運行的LabVIEW Real-Time程序進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、判斷、存儲等操作，同時還將測得數(shù)據(jù)通過TCP/IP傳輸?shù)缴衔粰C的LabVIEW程序中實現(xiàn)在PC機端顯示，在PC端可對數(shù)據(jù)進行查看、報表生成和打印。
軟件系統(tǒng)設計包括底層FPGA程序設計、RT程序設計，Windows程序設計。以上位機的Windows程序為例，設計采用多線程的隊列狀態(tài)機架構，其中有主線程和UI檢測線程。UI檢測線程負責和用戶的人機界面操作進行交互，將用戶操作指令通過隊列發(fā)送到主循環(huán)中，主循環(huán)執(zhí)行主要的功能操作如初始化、數(shù)據(jù)讀取、顯示、刷新、存儲、生成報表等操作。系統(tǒng)上位機分為參數(shù)獲取和數(shù)據(jù)采集兩大功能模塊。下圖為參數(shù)獲取功能程序框圖。
圖 5 參數(shù)獲取功能程序框圖
考慮到現(xiàn)場按鈕每次安裝位置的微小差異、按鈕動作執(zhí)行機構的操作誤差等實際因素，為了最大限度的提高系統(tǒng)采集的精度及穩(wěn)定性，參數(shù)獲取的軟件功能可以在每次按鈕、執(zhí)行機構安裝好之后進行一次觸發(fā)信號和某一通道的數(shù)據(jù)采集，用來獲取觸發(fā)信號與按鈕鍵值之間的延時。這樣的好處就是每次試驗前可以預先獲取一次延時的參數(shù)，以保證系統(tǒng)采集的精度，從而進一步提高系統(tǒng)整體的可靠性。
4、系統(tǒng)開發(fā)難點
4.1 測試精度的保證
車窗升降按鈕老化測試系統(tǒng)首先要實時顯示保存多個按鈕各個鍵的電壓值，選用高精度的采集模塊是必要的，另外測試方式則是關鍵。系統(tǒng)采用通過PLC觸發(fā)信號獲取延時參數(shù)的方法可以使得每次老化試驗系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不會發(fā)生偏差，即不會發(fā)生按鈕鍵值采集混亂的情況。同時，每次試驗前的參數(shù)獲取測試方法能夠更好的校驗試驗參數(shù)是否得當，最大限度的保證采集按鈕鍵值位置的準確。
4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性保證
穩(wěn)定性包括以下幾個方面，首先是硬件的穩(wěn)定性，硬件選擇上選擇穩(wěn)定性和可靠性較高的產(chǎn)品，硬件的平均無故障時間都在10萬小時以上，同時模塊支持熱插拔，在損害后可以方便更換。
軟件運行平臺采用具有較高穩(wěn)定性的實時操作系統(tǒng)作為運行平臺。程序采用LabVIEW RT模塊進行開發(fā)。并結合具有硬件穩(wěn)定性的FPGA程序。在RT軟件上采用針對cRIO系統(tǒng)設計的看門狗，能夠保證在軟件系統(tǒng)運行出現(xiàn)如死機等故障情況下自動重啟系統(tǒng)。另外軟件設計上采用了專門的錯誤記錄程序。將軟件運行過程中的錯誤日志進行保留，方便系統(tǒng)的調試和故障的診斷。
5 結論
本文提出車窗升降按鈕老化測試系統(tǒng)不但能夠同時監(jiān)測多個按鈕狀態(tài)而且具備很強的擴展性，只要在硬件上添加響應的采集模塊，那么軟件上基本無需改動就可以方便的實現(xiàn)按鈕數(shù)量的擴展。另外采用軟件靈活配置延時參數(shù)的方法使得系統(tǒng)能夠在很大程度上消除機械臺架本身的執(zhí)行誤差和按鈕安裝誤差的影響，同時系統(tǒng)針對每個按鈕各個鍵值的監(jiān)控設計也保證了按鈕老化測試的準確性和精確性，數(shù)據(jù)曲線和報警位置的顯示可以更好地給出按鈕的老化特性信息。
本系統(tǒng)目前已通過了某汽車部件生產(chǎn)廠商的最終驗收，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。是按鈕老化測試在汽車電子部件檢測領域的一個成功應用。
參考文獻
[1]關于“柔性“測試技術[J],現(xiàn)代雷達,2012年01期.
[2]National Instruments. cRIO Fundamentals Course Manual [Z]. 2008.
[3]National Instruments.RT Fundamentals Course Manual [Z]. 2008.
[4]陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社,2008
