基于PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車整車控制器仿真測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械式控制系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些需要。電子化控制系統(tǒng)以其高精度、高速度、控制靈活、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)逐漸取代了機(jī)械式控制系統(tǒng)，是汽車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于對(duì)控制性能的要求越來越嚴(yán)格，使得汽車電子控制系統(tǒng)對(duì)控制器的要求越來越高?？刂破鞯拈_發(fā)與設(shè)計(jì)一般都要經(jīng)過如圖1所示的步驟，即由上層到底層，再由底層到上層的一個(gè)V字形過程。首先是控制器的上層功能設(shè)計(jì)，詳細(xì)確定控制器將要實(shí)現(xiàn)的功能；然后生成目標(biāo)程序代碼；最后是控制器的底層軟、硬件實(shí)現(xiàn)。

從控制器實(shí)現(xiàn)到實(shí)車測(cè)試的過程中還需要進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。這是因?yàn)樵谡嚳刂破鞯拈_發(fā)過程中，利用整車控制器硬件在仿真測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建虛擬的整車現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。對(duì)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試，不但可以大大加快整車控制器軟、硬件的開發(fā)過程，而且開發(fā)成功的控制器具有較高的可靠性。因?yàn)榉抡鏈y(cè)試平臺(tái)可以模擬出在實(shí)車試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險(xiǎn)狀態(tài)，從而對(duì)整車控制器進(jìn)行全面的測(cè)試?？刂破饔布诃h(huán)仿真測(cè)試中，系統(tǒng)用數(shù)學(xué)模型來代替，控制器使用實(shí)物，系統(tǒng)模型和控制器之間的接口要與實(shí)際保持一致，在仿真調(diào)試完畢后，達(dá)到控制器和系統(tǒng)之間的“垂直安裝”或“垂直集成”?？刂破髟谕瓿捎布诃h(huán)仿真之后，就可以進(jìn)入系統(tǒng)集成和測(cè)試環(huán)節(jié)，最后實(shí)現(xiàn)初期設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能和指標(biāo)。

本文基于Matlab／Simulink RTW和XPC Real-time Target實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，配合PCI數(shù)據(jù)采集卡底層軟件的開發(fā)和信號(hào)調(diào)理裝置硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車整車控制器仿真測(cè)試平臺(tái)。利用該平臺(tái)可以對(duì)整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺(tái)和控制算法等進(jìn)行測(cè)試。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建了虛擬的整車環(huán)境，并基于虛擬的人機(jī)交互司機(jī)模型，將人作為硬件在環(huán)的一個(gè)元素引入到實(shí)際的仿真測(cè)試中，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的虛擬平臺(tái)分別為虛擬整車平臺(tái)和虛擬司機(jī)平臺(tái)。虛擬整車平臺(tái)基于Matlab／SimulinkxPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的運(yùn)行，為測(cè)試整車控制器提供所需的虛擬控制對(duì)象。虛擬司機(jī)平臺(tái)基于Matlab／Simulink RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的操控機(jī)構(gòu)，配合加速踏板為測(cè)試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當(dāng)兩個(gè)計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號(hào)處理裝置相連，可配置的信號(hào)處理裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的復(fù)雜整車環(huán)境，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測(cè)試試驗(yàn)。并配有基于CAN總線的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，可以全過程實(shí)時(shí)地監(jiān)控仿真測(cè)試試驗(yàn)。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

虛擬平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

虛擬平臺(tái)的硬件需要完成計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的虛擬信號(hào)到真實(shí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這些信號(hào)包括數(shù)字量輸入輸出信號(hào)、模擬量輸入輸出信號(hào)和CAN通訊信號(hào)。例如燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)屬于模擬信號(hào)，而控制器控制命令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。

虛擬平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與真實(shí)世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅(qū)動(dòng)程序，可以直接用于實(shí)時(shí)仿真。對(duì)于部分不支持Matlab實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的數(shù)據(jù)采集卡，可以采用Matlab／Simulink環(huán)境下的S函數(shù)編寫，并在Matlab環(huán)境下調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅(qū)動(dòng)程序，因此采用S函數(shù)進(jìn)行集成。整個(gè)虛擬平臺(tái)共具備32路數(shù)字量輸入接口、32路數(shù)字量輸出接口、32路數(shù)字量輸入／輸出復(fù)用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。

虛擬平臺(tái)產(chǎn)生或接收的CAN信號(hào)通過PCI總線與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過CAN總線與待測(cè)整車控制器進(jìn)行通訊。虛擬平臺(tái)支持CAN2.0A和CAN2.0B擴(kuò)展協(xié)議，能夠同時(shí)輸出2路獨(dú)立的CAN信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理器硬件設(shè)計(jì)

由于燃料電池客車上的信號(hào)比較復(fù)雜，數(shù)字信號(hào)有24V、12V和5V等不同的驅(qū)動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)方式，模擬信號(hào)也有各種電壓范圍和驅(qū)動(dòng)功率的不同需求。而從虛擬平臺(tái)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號(hào)比較單一，故經(jīng)過信號(hào)調(diào)理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，才能夠完全再現(xiàn)燃料電池客車上的真實(shí)控制接口，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測(cè)試。

如圖2所示，虛擬平臺(tái)產(chǎn)生或接收的數(shù)字模擬信號(hào)通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡相連。數(shù)據(jù)采集卡與可配置的信號(hào)調(diào)理器之間通過專用的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過可配置的信號(hào)調(diào)理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)完全符合實(shí)際整車信號(hào)規(guī)范，并采用標(biāo)準(zhǔn)接口與待測(cè)整車控制器相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整車控制器的無縫連接。通過調(diào)整可配置信號(hào)調(diào)理器的配置方式，可以實(shí)現(xiàn)各種車輛的不同信號(hào)規(guī)范。信號(hào)調(diào)理器為靈活的母板子板設(shè)計(jì)，母板完成通用的信號(hào)連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號(hào)處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據(jù)用戶的需要隨時(shí)更換子板電路，以滿足不同仿真測(cè)試的需要。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

虛擬整車平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

虛擬整車平臺(tái)基于Matlab／Simulink平臺(tái)構(gòu)建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車輛負(fù)載。系統(tǒng)各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿足實(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)模型在Matlab／Simulink xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境上運(yùn)行。整車仿真模型通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實(shí)現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機(jī)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

虛擬司機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號(hào)由測(cè)試人員通過踏板輸入外，其余整車肩停開關(guān)、燃料電池開關(guān)、電機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫報(bào)警等控制開關(guān)和儀表均由虛擬司機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)模型基于Matlab／Simulink RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)，并利用Matlab Gauges工具箱實(shí)現(xiàn)了整車儀表顯示和控制開關(guān)輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的儀表開發(fā)工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發(fā)出虛擬車用儀表系統(tǒng)。虛擬司機(jī)仿真模型同樣通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實(shí)現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

實(shí)時(shí)性能分析

Matlab／Simulink為實(shí)時(shí)仿真提供了很好的軟件環(huán)境。Real-TimeWorkshop代碼自動(dòng)生成工具可以將仿真模型編譯生成實(shí)時(shí)C代碼，并支持多種實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)環(huán)境，包括Matlab 工具箱RTW Target、xPC Tar-get以及第三方軟件，如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來構(gòu)建虛擬整車平臺(tái)和虛擬司機(jī)平臺(tái)。

整車虛擬平臺(tái)承擔(dān)再現(xiàn)真實(shí)燃料電池汽車運(yùn)行的任務(wù)，是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的核心部件。由于燃料電池汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制對(duì)象較多，為了真實(shí)再現(xiàn)整車運(yùn)行情況，系統(tǒng)各部件模型除了需要滿足精度要求外，還必須嚴(yán)格滿足實(shí)時(shí)性的要求。整車虛擬平臺(tái)采用的xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境采用目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)的結(jié)構(gòu)，由Matlab生成的實(shí)時(shí)內(nèi)核通過軟驅(qū)或者USB閃存獨(dú)立運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上，直接調(diào)用CPU資源。仿真模型通過宿主機(jī)編譯生成實(shí)時(shí)代碼后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真。

虛擬司機(jī)平臺(tái)采用的RTW Target實(shí)時(shí)內(nèi)核直接運(yùn)行在Matlab／Simulink環(huán)境中，在同一臺(tái)PC機(jī)上就能夠迅速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。其缺點(diǎn)是由于整個(gè)系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，實(shí)時(shí)內(nèi)核不能完全占有PC機(jī)操作系統(tǒng)資源，實(shí)時(shí)性受其他運(yùn)行程序的影響。由于駕駛員模擬操作對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，因此選擇RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境能夠滿足這一要求。

實(shí)時(shí)仿真信號(hào)定義

虛擬整車平臺(tái)、虛擬司機(jī)平臺(tái)的信號(hào)定義如表1、表2所示，與目標(biāo)燃料電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺(tái)定義了燃料電池汽車各部件控制器CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議以及整車控制器制動(dòng)信號(hào)輸入和整車車速輸出。虛擬司機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)信號(hào)包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入，并定義了一個(gè)數(shù)據(jù)采集CAN節(jié)點(diǎn)。虛擬整車平臺(tái)與虛擬司機(jī)平臺(tái)除了車速信號(hào)、CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的聯(lián)系，其他所有信號(hào)均是與整車控制器交互。

實(shí)驗(yàn)分析

利用仿真測(cè)試平臺(tái)可以對(duì)燃料電池整車控制器進(jìn)行軟硬件實(shí)時(shí)在環(huán)測(cè)試。將整車控制器通過信號(hào)調(diào)理裝置與仿真測(cè)試平臺(tái)按照實(shí)時(shí)仿真信號(hào)定義將相應(yīng)接口信號(hào)連接起來，再分別運(yùn)行虛擬整車平臺(tái)和虛擬司機(jī)平臺(tái)，即可用于測(cè)試。

該燃料電池汽車硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)已經(jīng)成功地應(yīng)用于“十五”燃料電池城市客車電控單元的開發(fā)。在控制器上車前即可對(duì)整車控制器數(shù)字、模擬信號(hào)的電氣特性、控制邏輯和算法、故障診斷功能等進(jìn)行檢驗(yàn)。配合快速原型開發(fā)工具dSPACE可以完整地實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)整車控制器測(cè)試流程，如圖3所示。

基于本仿真測(cè)試平臺(tái)的試驗(yàn)除了待測(cè)整車控制器為實(shí)際車用控制器以外，所有的測(cè)試環(huán)境均為仿真測(cè)試平臺(tái)虛擬真實(shí)環(huán)境得到，并且從控制器角度上看與整車真實(shí)環(huán)境完全一致，從而實(shí)現(xiàn)了低成本地、便捷地、快速地對(duì)整車控制器進(jìn)行各種測(cè)試，不但提高了整車控制器的開發(fā)效率，也完善了整車控制器上車前的必要測(cè)試過程，降低了整車控制器進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)及成本。該平臺(tái)具有通用性，可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的仿真測(cè)試，并不局限于整車控制器的開發(fā)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

整車控制器經(jīng)過仿真平臺(tái)的反復(fù)測(cè)試后將進(jìn)行實(shí)際的實(shí)車試驗(yàn)，而從試驗(yàn)中獲得各部件數(shù)據(jù)又為仿真模型的進(jìn)一步精確化匹配標(biāo)定提供了條件，從而使仿真平臺(tái)更符合實(shí)際。

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