CN100347621C - 一种整车控制器仿真测试*** - Google Patents

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Abstract

一种整车控制器仿真测试***，它包括实时监控***，待测整车控制器，可配置的信号处理装置和工控机模拟平台以及数据采集卡、CAN网络；工控机模拟平台通过与数据采集卡、可配置的信号处理装置与待测整车控制器相连；工控机模拟平台还通过CAN网络与待测整车通讯连接；实时监控***通过CAN网络对***进行监控；工业控制计算机中的测试软件为常用测试软件或另编写的应用软件。本仿真测试***除待测整车控制器为实际车用控制器以外，所有的测试环境均为仿真测试平台模拟真实环境得到，并从控制器角度上看与整车真实环境完全一致，实现了低成本、便捷、快速地对整车控制器进行各种测试，提高了整车控制器的开发效率，降低了开发风险和成本。

Description

一种整车控制器仿真测试***
技术领域
整车控制器仿真测试平台涉及车用控制器技术领域，尤其涉及整车控制器开发测试相关领域。
背景技术
随着汽车工业的发展和进步，人们对汽车的动力性、经济性、排放、安全性等方面提出了更高的要求。传统的机械式控制***已经远远不能满足这些需要。电子化控制***以其高精度、高速度、控制灵活、稳定可靠等特点逐渐取代了机械式控制***，是汽车控制***的发展趋势。汽车电子控制***一般具有以下一些特点：
(1)实时性要求高。
(2)控制精度要求高。
(3)可靠性要求高。
由于上述这些越来越严格的要求，使得汽车电子控制***对微控制器的要求和越来越高，以32位嵌入式微控制器为基本技术特征的新一代整车控制器已成为汽车电子发展应用的主流。
然而在应用中，由于32位嵌入式微控制器的开发难度较大，整车控制程序复杂性较高，使得整车控制器在开发中需要反复调试，才能最终实现预期的控制功能。但是在整车控制器的开发过程中，实车试验是很难得的，成本也是非常高的。并且一般情况下，不宜直接将控制器安装在实际的***中进行测试，因为首次实现的控制器会有许多诸如软件、硬件方面的缺陷，如果直接将其集成在***中，一方面不便于对控制器的初期调试，另一方面，控制器的严重缺陷还会导致***的损坏，造成不必要的损失。
对于这些问题，硬件在环仿真是一个很好的解决方案。硬件在环仿真是指将实际的被控对象用高速计算机上实时运行的仿真模型来替代，而控制部件作为实物连接成为一个***，从而达到对控制***供能进行测试和验证。和传统的试验平台相比，硬件在环仿真的优势在于其可重复性好，能够实现对每个参数变化对***性能影响的研究，同时可以方便的研究不同控制策略和控制算法对***品质的影响。硬件在环仿真还为***设计提供了先进的开发平台，有利于缩短控制***的设计开发周期，提高***设计开发水平。
因此，在整车控制器的开发过程中，利用整车控制器仿真测试平台构建模拟的整车现场环境，对控制器进行硬件在环仿真测试，不但可以大大加快整车控制器软、硬件的开发过程，并且开发成功的控制器具有较高的可靠性，因为仿真测试平台可以模拟出在实车试验中难以实现的特殊行驶状态和危险状态，来对整车控制器进行全面的测试。
在控制器硬件在环仿真测试中，***用数学模型来代替，控制器使用实物，***模型和控制器之间的接口要和实际保持一致，在仿真调试完毕后，达到控制器和***之间的“垂直安装”或“垂直集成”。控制器在完成硬件在环仿真之后，就可以进入***集成和测试环节，最后实现初期设计的各项功能和指标。
现有的硬件在环仿真测试存在测试过程复杂，测试设备灵活性不强，测试平台移植性较弱，测试结果不易观察等缺点。具有图形化的开发软件平台的可配置实时仿真测试***可以很好的解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有整车控制器开发过程中测试难度较大的特点，通过在工业控制计算机上建立模拟的整车特性，利用数据采集卡、车用现场总线CAN通讯卡、可配置的信号处理装置模拟真实整车电气信号，从而构建出可用于整车控制器测试的模拟整车环境。并通过在工业控制计算机上建立具有人机交互界面的模拟司机模型，将人也作为闭环控制***的一个元素引入到仿真测试过程中。可以对整车控制器进行与真实环境完全一致的仿真测试，通过测试尽可能多地发现存在的硬件设计和控制算法问题，减少控制器在实际调试中遇到的问题，提高控制器的开发效率，在一定程度上解决新型整车控制器设计难的问题。
一种整车控制器仿真测试***，  它由实时监控***即监控设备，待测整车控制器，可配置的信号处理装置和工控机(即工业控制计算机)模拟平台以及数据采集卡、车用现场总线CAN网络组成；
工控机模拟平台产生或接收的数字/模拟信号通过计算机的PCI总线与数据采集卡相连。数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号处理装置对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器硬件在环仿真测试。
工控机模拟平台产生或接收的车用现场总线CAN信号通过计算机的PCI总线、车用现场总线CAN通讯卡、车用现场总线CAN总线与待测整车控制器进行通讯。
实时监控***通过车用现场总线CAN网络与工控机模拟平台和待测整车控制器连接，对***进行监控。
其工控机模拟平台中可根据测试目标和目的增加模拟平台工业控制计算机；其中的测试软件为常用测试软件或另编写的应用软件。
所述的实时监控***是带有常用整车控制器开发监控软件的移动式或固定式计算机。
此整车控制器仿真测试***的实现方法，
第1步：完成硬件连接；
第2步：根据测试目的，启动工控机测试平台中模拟平台的工业控制计算机；
第3步：启动待测整车控制器，运行控制程序；
第4步：在工控机模拟平台工控计算机中进行各种操作，观察仿真仪表的变化过程；
第5步：通过实时监控***记录仿真测试过程中产生的各种信号数据。
通过调整可配置信号处理装置的配置方式，可以实现各种车辆的不同信号规范，方便人们根据实际情况实时对整车控制进行多次测试。
本发明的工控机模拟平台一般包含如两个基于工业控制计算机的模拟平台，分别为模拟整车平台和模拟司机平台。当所述的计算机模拟平台对实际环境进行模拟时，通过数据采集卡、车用现场总线CAN通讯卡与可配置的信号处理装置相连，可配置的信号处理装置对信号进行处理，从而实现真实的复杂整车环境，可以直接与整车控制器连接进行仿真测试试验。并配有居于车用现场总线CAN总线的实时监控装置，可以全过程实时地监控仿真测试试验。可配置的信号处理装置对计算机信号进行必要的处理，包括信号放大、电平转换、功率放大等。其特征在于，其为灵活的母板子板设计，母板完成通用的信号连接电源供给等任务，子板完成具体的可配置信号处理功能。母板和子板联合进行工作，可以根据用户的需要随时更换子板电路，以满足不同仿真测试的需要。
可配置的信号处理装置***具有一个电源处理模块和多个信号处理配置模块。电源处理模块将市电转换为仿真测试***需要的各种供给电源对***进行供电，并向外输出模拟实际整车对待测ECU的供电。数据经过不同的信号处理配置模块进行处理以后，将与实际整车信号协议一致。由于可以对各个信号处理配置模块可以进行不同的配置，故使用该装置模拟实际整车信号十分灵活与便利。
模拟整车平台的数学模型由发动机模型、直流变换器模型、车辆动力学模型、电机模型、蓄电池模型和车用现场总线CAN处理模型在相应的仿真软件环境下组成，仿真软件可以采用如Matlab/Simu link等通用的商用软件。各个模型在计算机内建立了与整车特性完全一致的模拟模型，并使用所述的各种接口与实际待测整车控制器构成一个硬件在环仿真测试***。由于该数学模型可以随时根据实际的变化进行相应的修改，或者根据不同的对象建立新的数学模型，或者使用更加优秀的算法改善模型精度，因此整个模拟平台实际上是完全开放的，使用起来十分灵活与便利，并将有十分广泛的利用前景。
对整车控制器仿真测试平台输入输出的信号均采用了光耦器件TLP521对信号进行了隔离，以保持仿真测试平台内信号的不受待测整车控制器的干扰。对输入输出信号均进行了上拉处理，以避免待测整车控制器和仿真测试平台输出较大功率导致损坏。电路设计中内置了不同的跳线配置开关，通过跳线开关J1_0可以配置输入信号为上拉模式、下拉模式及悬空模式；通过跳线开关J2_0可以配置输入信号为+5V有效或+24V有效；通过跳线开关J3_0、J4_0可以配置该路输入输出复用信号为输入或输出模式；通过跳线开关J5_0可以配置输出信号为+5V电平或+24V电平。
本整车控制器测试平台可以按照用户自定义的模拟模型对不同的控制器进行测试，实验证明，本发明能够简化整车控制器的开发过程，降低了硬件成本和软件设计的工作量，使用中具有很高的灵活性，达到了预期的目的。
将本发明应用到实际的整车控制器开发过程中后，有以下显著的优点：
a)降低了整车控制器软硬件开发的难度，缩短了整车控制器软硬件的开发周期，提高了整车控制器软硬件的性能。在一定程度上解决了不能频繁进行实车试验的问题。
b)降低了实车试验的难度，提高了实车试验的效率与安全性，节约了实车试验的成本，降低了实车试验的风险。
c)平台具有通用性，可以根据需要进行不同的仿真测试，并不局限于整车控制器的开发，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本整车控制器仿真测试***结构图；
图2为由两台工控机模拟整车平台和模拟司机平台构成工控机模拟平台的一种整车控制器仿真测试***；
图3为实现模拟整车平台的数学模型图示；
图4为所述可配置的信号处理装置结构示意图；
图5为可配置的信号处理装置中一路输入输出复用信号的可配置电路图示。
具体实施方式
如图1所示，一种整车控制器仿真测试***结构示意图，包括实时监控***即监控设备，待测整车控制器，可配置的信号处理装置和工控机模拟平台。工控机模拟整车平台、工控机模拟司机平台以及工控机其他模拟平台构成工控机模拟平台。工控机模拟平台和可配置的信号处理装置互联，可配置的信号处理装置与待测整车控制器互联，监控***通过车用现场总线CAN网络与待测整车控制器和工控机模拟平台连接。这样模拟构建的工控机模拟整车平台完全模拟真实的整车情况，工控机模拟司机平台模拟的人机交互司机模型与人真实的司机控制情况一样，两个模拟的环境与真实的整车控制器构成一个交互的闭环***，对整车控制器进行全面的测试。实时监控设备与工控机模拟平台，控制器进行连接，始终监控测试的过程。
如图2所示，是工控机模拟平台由两台工业控制计算机分别构成模拟整车平台和模拟司机平台的一种整车控制器仿真测试***。工控机模拟平台产生或接收的车用现场总线CAN信号通过计算机的PCI总线、车用现场总线CAN通讯卡、车用现场总线CAN总线与待测整车控制器进行通讯；工控机模拟平台产生或接收的数字/模拟信号通过计算机的PCI总线与数据采集卡相连。数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号处理装置对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器硬件在环仿真测试。模拟平台产生或接收的车用现场总线CAN信号通过计算机的PCI总线与车用现场总线CAN通讯卡相连，由车用现场总线CAN通讯卡通过车用现场总线CAN总线与待测整车控制器进行通讯。实时监控***也通过车用现场总线CAN网络接入仿真测试***，对整个***进行监控。模拟平台产生或接收的数字模拟信号通过计算机的PCI总线与数据采集卡相连。数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号处理装置对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器硬件在环仿真测试。通过调整可配置信号处理装置的配置方式，可以实现各种车辆的不同信号规范。
对一种实际的燃料电池混合动力城市客车整车控制器dSPACE所进行的仿真测试实例如下：
1)首先按照实际现场的信号连接方式将dSPACE控制器接入仿真测试平台，具体连接如表1、表2和表3所示。表1  模拟整车平台信号连接
序号 信号名称及单位 信号类型 连接通道
1 CAN信号 输入输出信号 CAN通道1、2
2 制动力矩(Nm) 模拟信号输入 模拟量输入通道0
3 车速(km/h) 模拟信号输出 模拟量输出通道1
            表2  模拟司机及仪表平台信号连接
序号 信号名称及单位 信号类型 连接通道
1 车速(km/h) 模拟信号输入 模拟量输入通道0
2 电机转速(rpm) 模拟信号输入 模拟量输入通道1
3 燃料电池水温(℃) 模拟信号输入 模拟量输入通道2
4 加速踏板信号(％) 模拟信号输出 模拟量输出通道1
5 制动踏板信号(％) 模拟信号输出 模拟量输出通道2
7 水温过温报警 数字信号输入 数字量输入通道0
8 ***准备就绪信号 数字信号输入 数字量输入通道1
9 整车起停开关 数字信号输出 数字量输出通道1
10 燃料电池开关 数字信号输出 数字量输出通道2
11 紧急制动开关 数字信号输出 数字量输出通道3
12 变速箱位置信号 数字信号输出 数字量输出通道4
13 变速箱位置信号 数字信号输出 数字量输出通道5
             表3  dSPACE控制器信号连接
 序号 信号名称及单位 信号方向 连接通道
 1 CAN信号 输入输出信号 CAN1、CAN2
 2 制动力矩(Nm) 模拟信号输出 DA1-1
 3 电机转速(rpm) 模拟信号输出 DA1-2
 4 燃料电池水温(℃) 模拟信号输出 DA1-3
 5 加速踏板信号(％) 模拟信号输入 AD4-2
 6 制动踏板信号(％) 模拟信号输入 AD3-3
 7 整车起停开关 数字信号输入 DI6-7
 8 燃料电池开关 数字信号输入 DI6-1
 9 紧急制动开关 数字信号输入 DI6-2
 10 变速箱位置信号 数字信号输入 DI6-3
 11 变速箱位置信号 数字信号输入 DI6-4
 12 水温过温报警 数字信号输出 D02-2
 13 ***准备就绪信号 数字信号输出 D02-3
2)启动模拟整车平台和模拟司机平台所用工业控制计算机，分别运行满足仿真测试平台条件的XPC仿真模型和RTWin仿真模型。启动可配置的信号处理装置。
3)启动dSPACE，运行控制程序。
4)在模拟司机平台上模拟司机行车时的各种操作，例如踩油门、踩制动踏板、按下紧急停车开关等操作。观察模拟司机平台上仿真仪表的变化过程。
5)通过模拟整车平台观察整车各个部件的运行情况及实际运行参数，例如电机输出扭矩、燃料电池输出功率、水温等。
6)通过实时监控***记录仿真测试过程中产生的各种信号数据。
所述的工业控制计算机为研华工业控制计算机，基于Matlab/Simulink构建模拟装置。如图3所示，包括车辆动力学模拟模型、燃料电池发动机模拟模型、DC-DC变换器模拟模型、电动机模拟模型、蓄电池模拟模型和司机模拟模型，各模型产生或需要的数据通过所述数据采集卡和所述车用现场总线CAN通讯卡与外界进行通讯。
所述数据采集卡的型号分别为PCI-1731、PCI-1723、PCI-1720，其中PCI-1731、PCI-1723各两块，PCI-1720一块，通过计算机的PCI插槽与工业控制计算机相连，共具备32路数字量输入接口、32路数字量输出接口、32路数字量输入/输出复用接口、32路模拟量输入接口、20路模拟量输出接口。通过相应的驱动程序，模拟模型产生或需要的各种信号数据可以直接从各个接口输出或输入，满足仿真测试的需要。
所述车用现场总线CAN通讯卡的型号为CAN-AC2-PCI，通过计算机的PCI插槽与工业控制计算机相连，具有2个车用现场总线CAN节点。通过相应的驱动程序，模拟模型产生或需要的车用现场总线CAN信号数据可以直接从该车用现场总线CAN接口输出或输入。
如图4所示，所述的可配置的信号处理装置包含了可配置的信号处理单元、电源供给单元和信号接口，通过工业标准接口与数据采集卡连接。如图5所示，所述的可配置的信号处理单元采用了光耦器件TLP521、运放LM124、逻辑器件74HC04等，实现信号处理方式是：通过光耦器件TLP521、逻辑器件74HC04对数字信号进行隔离、电压变换处理，通过运放LM124对模拟信号进行放大处理，可通过跳线插针对处理电路进行不同的配置，实现各种测试的不同需要。所述的电源供给单元采用了400瓦功率的24伏交流直流变换电源供给模块、40瓦功率的正负15伏直流变换器、40瓦功率的12伏直流变换器、15瓦功率的5伏直流变换器模块，对市电进行变换处理，以满足仿真测试平台的供电需要，实现信号处理方式是：接入220伏市电通过400瓦功率的24伏交流直流变换电源处理后得到24伏直流供电，然后通过40瓦功率的正负15伏直流变换器和40瓦功率的12伏直流变换器从24伏供电得到正负15伏和12伏直流供电，通过15瓦功率的5伏直流变换器从12伏供电得到5伏供电。所述的信号接口采用定制的标准同轴电缆，有较强的抗电磁干扰能力，可以方便的与整车控制器进行连接。
从以上所述的测试实例中可以看到，基于本仿真测试平台的试验除了待测整车控制器为实际车用控制器以外，所有的测试环境均为仿真测试平台模拟真实环境得到，并且从控制器角度上看与整车真实环境完全一致。从而实现了低成本地、便捷地、快速地对整车控制器进行各种测试，不但提高了整车控制器得开发效率，降低开发成本，也完善了整车控制器上车前的必要测试过程，降低了整车控制器进行实车试验的风险及成本。

Claims (4)

1、一种整车控制器仿真测试***，其特征在于，它由实时监控***，待测整车控制器，可配置的信号处理装置和工控机模拟平台以及数据采集卡、车用现场总线CAN网络组成；
工控机模拟平台通过计算机的PCI总线与数据采集卡相连；数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，并采用标准接口与待测整车控制器相连；
工控机模拟平台产生或接收的车用现场总线CAN信号通过计算机的PCI总线、车用现场总线CAN通讯卡、车用现场总线CAN总线与待测整车通讯连接；
实时监控***通过车用现场总线CAN网络与工控机模拟平台和待测整车控制器连接。
2、根据权利要求1所述的一种整车控制器仿真测试***，其特征在于，所述工控机模拟平台是工业控制计算机。
3、根据权利要求1所述的一种整车控制器仿真测试***，其特征在于，可配置的信号处理装置具有一个电源处理模块和多个信号处理配置模块；电源处理模块将市电转换为仿真测试***需要的各种供给电源对***进行供电，并向外输出模拟实际整车对待测汽车电子控制单元的供电；该整车控制器仿真测试***内部结构为母板子板设计，母板完成通用的信号连接电源供给任务，子板完成具体的可配置信号处理功能。
4、根据权利要求3所述的一种整车控制器仿真测试***，其特征在于，所述的可配置的信号处理装置包含可配置的信号处理单元、电源供给单元和信号接口；
所述的可配置的信号处理装置通过工业标准接口与数据采集卡连接；
所述的可配置的信号处理单元采用光耦器件TLP521、运放LM124、逻辑期间74HC04；实现信号处理方式是：通过光耦器件TLP521、逻辑器件74HC04对数字信号进行隔离、电压变换处理，通过运放LM124对模拟信号进行放大处理，通过跳线插针对处理电路进行不同的配置，实现各种测试的不同需要；
所述的电源供给单元采用了400瓦功率的24伏交流直流变换电源供给模块、40瓦功率功率的正负15伏直流变换器、40瓦功率的12伏直流变换器、15瓦功率的5伏直流变换器模块；
所述的信号接口采用标准同轴电缆。
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