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試平臺的設(shè)計

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。

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V字形過程。首先是控制器的上層功能設(shè)計，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)車測試的過程中還需要進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時仿真測試。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試平臺構(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)仿真測試，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試平臺可以模擬出在實(shí)車試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險狀態(tài)，從而對整車控制器進(jìn)行全面的測試?？刂破饔布诃h(huán)仿真測試中，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)集成和測試環(huán)節(jié)，最后實(shí)現(xiàn)初期設(shè)計的各項功能和指標(biāo)。

本文基于Matlab／Simulink RTW和XPC Real-time Target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，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺。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)行測試。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真測試平臺方案設(shè)計

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)際的仿真測試中，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個基于工業(yè)控制計算機(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／SimulinkxPC Target實(shí)時仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的運(yùn)行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機(jī)平臺基于Matlab／Simulink RTW Target實(shí)時仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的操控機(jī)構(gòu)，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當(dāng)兩個計算機(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處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進(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)行仿真測試試驗(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)控仿真測試試驗(yàn)。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真測試平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺的硬件需要完成計算機(jī)模型產(chǎn)生的虛擬信號到真實(shí)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)動程序，可以直接用于實(shí)時仿真。對于部分不支持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。

虛擬平臺產(chǎn)生或接收的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

由于燃料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)行仿真測試。

如圖2所示，虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數(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，母板完成通用的信號連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據(jù)用戶的需要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。

硬件在環(huán)實(shí)時仿真測試平臺軟件設(shè)計

虛擬整車平臺軟件設(shè)計

虛擬整車平臺基于Matlab／Simulink平臺構(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，另一方面必須滿足實(shí)時性的要求。整個模型在Matlab／Simulink xPC Target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)平臺軟件設(shè)計

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測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／Simulink RTW Target實(shí)時仿真環(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)控數(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)時性能分析

Matlab／Simulink為實(shí)時仿真提供了很好的軟件環(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)建虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺。

整車虛擬平臺承擔(dān)再現(xiàn)真實(shí)燃料電池汽車運(yùn)行的任務(wù)，是整個測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制對象較多，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)時性的要求。整車虛擬平臺采用的xPC Target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，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RTW Target實(shí)時內(nèi)核直接運(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RTW Target實(shí)時仿真環(huán)境能夠滿足這一要求。

實(shí)時仿真信號定義

虛擬整車平臺、虛擬司機(jī)平臺的信號定義如表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，并定義了一個數(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。

實(shí)驗(yàn)分析

利用仿真測試平臺可以對燃料電池整車控制器進(jìn)行軟硬件實(shí)時在環(huán)測試。將整車控制器通過信號調(diào)理裝置與仿真測試平臺按照實(shí)時仿真信號定義將相應(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，即可用于測試。

該燃料電池汽車硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺已經(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)整車控制器測試流程，如圖3所示。

基于本仿真測試平臺的試驗(yàn)除了待測整車控制器為實(shí)際車用控制器以外，所有的測試環(huán)境均為仿真測試平臺虛擬真實(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、快速地對整車控制器進(jìn)行各種測試，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試過程，降低了整車控制器進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)的風(fēng)險及成本。該平臺具有通用性，可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的仿真測試，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)過仿真平臺的反復(fù)測試后將進(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，從而使仿真平臺更符合實(shí)際。

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