隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對汽車的動力性、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。

由于對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，即由上層究竟層，再由底層到上層的一個V字形過程。首先是控制器的上層功能設(shè)計(jì)，具體確定控制器將要實(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)車探測的過程中還要進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時仿真探測。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探測平臺構(gòu)建虛擬的整車現(xiàn)場環(huán)境。對控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真探測，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)榉抡嫣綔y平臺可以模擬出在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險狀態(tài)，從而對整車控制器進(jìn)行全面的探測?？刂破饔布诃h(huán)仿真探測中，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)集成和探測環(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/SimulinkRTW和XpCReal-timeTarget實(shí)時仿真平臺，配合pCI數(shù)據(jù)采集卡底層軟件的開發(fā)和信號調(diào)理裝置硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了燃料動力鋰電池汽車整車控制器仿真探測平臺。利用該平臺可以對整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺和控制算法等進(jìn)行探測。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真探測平臺辦法設(shè)計(jì)

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺構(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)的一個元素引入到實(shí)際的仿真探測中，詳盡結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺。虛擬整車平臺基于Matlab/SimulinkxpCTarget實(shí)時仿真環(huán)境，用途是模擬真切燃料動力鋰電池客車的運(yùn)行，為探測整車控制器供應(yīng)所需的虛擬控制對象。虛擬司機(jī)平臺基于Matlab/SimulinkRTWTarget實(shí)時仿真環(huán)境，用途是模擬真切燃料動力鋰電池客車的操控機(jī)構(gòu)，配合加速踏板為探測整車控制器供應(yīng)所需的虛擬駕駛環(huán)境。當(dāng)兩個計(jì)算機(jī)虛擬平臺對實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬時，通過數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號解決裝置相連，可配置的信號解決裝置對信號進(jìn)行解決，從而實(shí)現(xiàn)真切的復(fù)雜整車環(huán)境，筆直與整車控制器連接進(jìn)行仿真探測實(shí)驗(yàn)。并配有基于CAN總線的實(shí)時監(jiān)控裝置，可以全過程實(shí)時地監(jiān)控仿真探測實(shí)驗(yàn)。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真探測平臺硬件設(shè)計(jì)

虛擬平臺硬件設(shè)計(jì)

虛擬平臺的硬件要完成計(jì)算機(jī)模型出現(xiàn)的虛擬信號到真切信號的轉(zhuǎn)換，這些信號包括數(shù)字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)啟動開關(guān)信號屬于數(shù)字信號，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。

虛擬平臺的數(shù)字信號和模擬信號通過pCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與真切世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅(qū)動程序，可以筆直用于實(shí)時仿真。有關(guān)部分不支持Matlab實(shí)時仿真環(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)用動態(tài)鏈接庫。本文采用的pCI1731、pCI1723和pCI1720板卡并不配套Matlab驅(qū)動程序，因此采用S函數(shù)進(jìn)行集成。整個虛擬平臺共具備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。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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虛擬平臺出現(xiàn)或接收的CAN信號通過pCI總線與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過CAN總線與待測整車控制器進(jìn)行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0b擴(kuò)展協(xié)議，能夠同時輸出2路獨(dú)立的CAN信號。

信號調(diào)理器硬件設(shè)計(jì)

由于燃料動力鋰電池客車上的信號比較復(fù)雜，數(shù)字信號有24V、12V和5V等不同的驅(qū)動電平和驅(qū)動方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅(qū)動功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號比較單一，故經(jīng)過信號調(diào)理器對信號進(jìn)行調(diào)理后，才能夠完全再現(xiàn)燃料動力鋰電池客車上的真切控制接口，筆直與整車控制器連接進(jìn)行仿真探測。

如圖2所示，虛擬平臺出現(xiàn)或接收的數(shù)字模擬信號通過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)過可配置的信號調(diào)理器對信號進(jìn)行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號完全符合實(shí)際整車信號規(guī)范，并采用標(biāo)準(zhǔn)接口與待測整車控制器相連，從而實(shí)現(xiàn)對整車控制器的無縫連接。通過調(diào)整可配置信號調(diào)理器的配置方式，可以實(shí)現(xiàn)各種車輛的不同信號規(guī)范。信號調(diào)理器為靈活的母板子板設(shè)計(jì)，母板完成通用的信號連接電源供給等任務(wù)，子板完成詳盡的可配置信號解決功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以依據(jù)用戶的要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真探測的要。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真探測平臺軟件設(shè)計(jì)

虛擬整車平臺軟件設(shè)計(jì)

虛擬整車平臺基于Matlab/Simulink平臺構(gòu)建了燃料動力鋰電池汽車仿真模型，該模型包括燃料動力鋰電池發(fā)動機(jī)、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動電機(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，另一方面非得滿足實(shí)時性的要求。整個模型在Matlab/SimulinkxpCTarget實(shí)時仿真環(huán)境上運(yùn)行。整車仿真模型通過pCI數(shù)據(jù)采集卡和pCICAN卡實(shí)現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機(jī)平臺軟件設(shè)計(jì)

虛擬司機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號由探測人員通過踏板輸入外，其余整車肩停開關(guān)、燃料動力鋰電池開關(guān)、電機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫報警等控制開關(guān)和儀表均由虛擬司機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)。整個模型基于Matlab/SimulinkRTWTarget實(shí)時仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)，并利用MatlabGauges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中供應(yīng)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pCICAN卡實(shí)現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

實(shí)時性能分解

Matlab/Simulink為實(shí)時仿真供應(yīng)了很好的軟件環(huán)境。Real-TimeWorkshop代碼自動生成工具可以將仿真模型編譯生成實(shí)時C代碼，并支持多種實(shí)時仿真目標(biāo)環(huán)境，包括Matlab工具箱RTWTarget、xpCTar-get以及第三方軟件，如dSpACE等。本文選擇了xpCTarget和RTWTarget來構(gòu)建虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺。

整車虛擬平臺承擔(dān)再現(xiàn)真切燃料動力鋰電池汽車運(yùn)行的任務(wù)，是整個探測平臺的核心部件。由于燃料動力鋰電池汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制對象較多，為了真切再現(xiàn)整車運(yùn)行情況，系統(tǒng)各部件模型除了要滿足精度要求外，還非得嚴(yán)格滿足實(shí)時性的要求。整車虛擬平臺采用的xpCTarget實(shí)時仿真環(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，筆直調(diào)用CpU資源。仿真模型通過宿主機(jī)編譯生成實(shí)時代碼后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的系統(tǒng)實(shí)時仿真。

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

實(shí)時仿真信號含義

虛擬整車平臺、虛擬司機(jī)平臺的信號含義如表1、表2所示，與目標(biāo)燃料動力鋰電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺含義了燃料動力鋰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信號輸入和整車車速輸出。虛擬司機(jī)平臺系統(tǒng)信號包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入，并含義了一個數(shù)據(jù)采集CAN節(jié)點(diǎn)。虛擬整車平臺與虛擬司機(jī)平臺除了車速信號、CAN網(wǎng)絡(luò)信號的聯(lián)系，其他所有信號均是與整車控制器交互。

試驗(yàn)分解

利用仿真探測平臺可以對燃料動力鋰電池整車控制器進(jìn)行軟硬件實(shí)時在環(huán)探測。將整車控制器通過信號調(diào)理裝置與仿真探測平臺按照實(shí)時仿真信號含義將相應(yīng)接口信號連接起來，再分別運(yùn)行虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺，即可用于探測。

該燃料動力鋰電池汽車硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺已經(jīng)成功地使用于“十五”燃料動力鋰電池城市客車電控單元的開發(fā)。在控制器上車前即可對整車控制器數(shù)字、模擬信號的電氣特性、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)整車控制器探測流程，如圖3所示。

基于本仿真探測平臺的實(shí)驗(yàn)除了待測整車控制器為實(shí)際車用控制器以外，所有的探測環(huán)境均為仿真探測平臺虛擬真切環(huán)境得到，并且從控制器角度上看與整車真切環(huán)境完全一致，從而實(shí)現(xiàn)了低成本地、便捷地、快速地對整車控制器進(jìn)行各種探測，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探測過程，降低了整車控制器進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險及成本。該平臺具有通用性，可以依據(jù)要進(jìn)行不同的仿真探測，并不局限于整車控制器的開發(fā)，具有廣泛的使用前景。

整車控制器經(jīng)過仿真平臺的反復(fù)探測后將進(jìn)行實(shí)際的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，而從實(shí)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)定供應(yīng)了條件，從而使仿真平臺更符合實(shí)際。