隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進步，人們對汽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的機械式控制系統(tǒng)已經(jīng)遠遠不能滿足這些要。電子化控制系統(tǒng)以其高精度、高速度、控制靈活、穩(wěn)定可靠等特點逐漸取代了機械式控制系統(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格，使得汽車電子控制系統(tǒng)對控制器的要求越來越高。控制器的開發(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，具體確定控制器將要實現(xiàn)的功能;然后生成目標程序代碼;最后是控制器的底層軟、硬件實現(xiàn)。

從控制器實現(xiàn)到實車探測的過程中還要進行硬件在環(huán)實時仿真探測。這是因為在整車控制器的開發(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。因為仿真探測平臺可以模擬出在實車實驗中難以實現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險狀態(tài)，從而對整車控制器進行全面的探測。控制器硬件在環(huán)仿真探測中，系統(tǒng)用數(shù)學模型來代替，控制器使用實物，系統(tǒng)模型和控制器之間的接口要與實際保持一致，在仿真調(diào)試完畢后，達到控制器和系統(tǒng)之間的“垂直安裝”或“垂直集成”。控制器在完成硬件在環(huán)仿真之后，就可以進入系統(tǒng)集成和探測環(huán)節(jié)，最后實現(xiàn)初期設(shè)計的各項功能和指標。

本文基于Matlab/SimulinkRTW和XpCReal-timeTarget實時仿真平臺，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行探測。

硬件在環(huán)實時仿真探測平臺辦法設(shè)計

硬件在環(huán)實時仿真平臺構(gòu)建了虛擬的整車環(huán)境，并基于虛擬的人機交互司機模型，將人作為硬件在環(huán)的一個元素引入到實際的仿真探測中，詳盡結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個基于工業(yè)控制計算機的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。虛擬整車平臺基于Matlab/SimulinkxpCTarget實時仿真環(huán)境，用途是模擬真切燃料動力鋰電池客車的運行，為探測整車控制器供應所需的虛擬控制對象。虛擬司機平臺基于Matlab/SimulinkRTWTarget實時仿真環(huán)境，用途是模擬真切燃料動力鋰電池客車的操控機構(gòu)，配合加速踏板為探測整車控制器供應所需的虛擬駕駛環(huán)境。當兩個計算機虛擬平臺對實際環(huán)境進行模擬時，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行解決，從而實現(xiàn)真切的復雜整車環(huán)境，筆直與整車控制器連接進行仿真探測實驗。并配有基于CAN總線的實時監(jiān)控裝置，可以全過程實時地監(jiān)控仿真探測實驗。

硬件在環(huán)實時仿真探測平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺的硬件要完成計算機模型出現(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)動機啟動開關(guān)信號屬于數(shù)字信號，電機轉(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)絡進行傳送。

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，可以筆直用于實時仿真。有關(guān)部分不支持Matlab實時仿真環(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行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0b擴展協(xié)議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。

信號調(diào)理器硬件設(shè)計

由于燃料動力鋰電池客車上的信號比較復雜，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)線進行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過可配置的信號調(diào)理器對信號進行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號完全符合實際整車信號規(guī)范，并采用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現(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，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)實時仿真探測平臺軟件設(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、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動電機及車輛負載。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時性的要求。整個模型在Matlab/SimulinkxpCTarget實時仿真環(huán)境上運行。整車仿真模型通過pCI數(shù)據(jù)采集卡和pCICAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機平臺軟件設(shè)計

虛擬司機平臺實現(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平臺實現(xiàn)。整個模型基于Matlab/SimulinkRTWTarget實時仿真環(huán)境實現(xiàn)，并利用MatlabGauges工具箱實現(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)。虛擬司機仿真模型同樣通過pCI數(shù)據(jù)采集卡和pCICAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

實時性能分解

Matlab/Simulink為實時仿真供應了很好的軟件環(huán)境。Real-TimeWorkshop代碼自動生成工具可以將仿真模型編譯生成實時C代碼，并支持多種實時仿真目標環(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平臺。

整車虛擬平臺承擔再現(xiàn)真切燃料動力鋰電池汽車運行的任務，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)復雜、控制對象較多，為了真切再現(xiàn)整車運行情況，系統(tǒng)各部件模型除了要滿足精度要求外，還非得嚴格滿足實時性的要求。整車虛擬平臺采用的xpCTarget實時仿真環(huán)境采用目標機和宿主機的結(jié)構(gòu)，由Matlab生成的實時內(nèi)核通過軟驅(qū)或者USb閃存獨立運行在目標機上，筆直調(diào)用CpU資源。仿真模型通過宿主機編譯生成實時代碼后下載到目標機上運行，能夠?qū)崿F(xiàn)嚴格的系統(tǒng)實時仿真。

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

實時仿真信號含義

虛擬整車平臺、虛擬司機平臺的信號含義如表1、表2所示，與目標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)絡節(jié)點協(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。虛擬整車平臺與虛擬司機平臺除了車速信號、CAN網(wǎng)絡信號的聯(lián)系，其他所有信號均是與整車控制器交互。

試驗分解

利用仿真探測平臺可以對燃料動力鋰電池整車控制器進行軟硬件實時在環(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時仿真信號含義將相應接口信號連接起來，再分別運行虛擬整車平臺和虛擬司機平臺，即可用于探測。

該燃料動力鋰電池汽車硬件在環(huán)實時仿真平臺已經(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、故障診斷功能等進行檢驗。配合快速原型開發(fā)工具dSpACE可以完整地實現(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驗除了待測整車控制器為實際車用控制器以外，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，從而實現(xiàn)了低成本地、便捷地、快速地對整車控制器進行各種探測，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行實車實驗的風險及成本。該平臺具有通用性，可以依據(jù)要進行不同的仿真探測，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)過仿真平臺的反復探測后將進行實際的實車實驗，而從實驗中獲得各部件數(shù)據(jù)又為仿真模型的進一步精確化匹配標定供應了條件，從而使仿真平臺更符合實際。