CN1908830A - 一种车载分布式网络控制***的开发方法 - Google Patents

Abstract

一种车载分布式网络控制***的开发方法，包括***分析和初步设计、建模与仿真、快速原型设计、***实现和硬件在环测试五个阶段，首先对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析，提出车载分布式网络控制***的控制要求和网络通讯要求，进行车载控制***的初步设计，制定通讯网络和协议，并把初步设计结果与提出的要求进行理论验证。再对车辆及车载控制***及通讯网络协议建模并仿真验证。然后进行快速原型设计并测试。在快速原型***设计的基础上，开发实际的控制***和通讯网络。最后构建分布式网络硬件在环测试环境，对所开发的实物控制***和通讯网络进行硬件在环仿真测试。本发明尽量把控制和通讯的各种潜在问题暴露在前期，可提高开发工作质量和效率。

Description

一种车载分布式网络控制***的开发方法

技术领域

本发明涉及一种车载分布式网络控制***的开发方法。

背景技术

分布式网络控制***在车载控制***中具有实时性好、可靠性高、易维护等突出的优点，在现代汽车上得到了广泛的应用。现代汽车上一般都有多个电子控制单元进行车辆的控制，各个电控单元直接通过网络通讯进行数据交换，从而构成一种车载分布式网络控制***。车载分布式网络控制***促进了汽车电子控制技术在车辆控制中的应用，但另一方面也带来新的技术问题：既有控制本身的技术问题，也有通讯带来的新问题，以及控制与通讯相互影响的问题。具体表现在：1、各个控制***之间对网络通讯协议有很大的依赖性，即通讯协议直接影响了车辆的控制性能，而通讯协议的制定又依赖于控制***的控制要求与控制算法；2、单个控制***的开发需要其他控制***的配合，如果配合失当，有可能导致开发成本上升、开发周期延长；3、分布式网络控制***的测试难度较大，既需要单个***的测试，也需要分布式网络环境下的综合测试。

目前车载分布式网络控制***的开发方法主要是将开发控制***和制定通讯协议分开进行，即由整车单位制定分布式控制***的网络通讯协议，由零部件单位根据网络通讯协议开发各自的零部件控制***，然后再把开发出的零部件控制***集中在一起联调，解决整个分布式控制***相互之间的控制与通讯等问题。制定通讯协议时，主要是分析各个零部件控制***的通讯要求和网络通讯本身的特点，制定一个兼顾各个控制***的数据通讯协议。但通讯协议是否真正满足控制***的要求需要在分布式***联调时才能够验证，如果不能满足要求，则需要在联调阶段对通讯协议不断修改，而通讯协议的修改又会影响到控制***的修改；反过来，控制***的修改，也可能会影响到通讯协议的修改；这是因为控制算法与通讯协议之间存在相互耦合的关系。开发控制***时，主要是在解决零部件控制算法问题的同时加入数据通讯的功能，当某些控制功能需要通讯功能才能完成时，则需要在后期的分布式***联调时来解决。制定通讯协议方面，出现了一些为了解决通讯协议设计与验证问题而出现的解决方案，比如一些CAN总线的软件分析与设计工具(如CANoe)、中国专利200410009782.1“车载CAN总线实时仿真***”等，前者可以在协议制定早期对通讯协议本身做软件仿真，但难以验证通讯协议的实时性，也很难考虑到分布式控制过程中进行数据通讯的特点；后者在不考虑控制过程的情况下，可以通过网络节点在环仿真验证协议的实时性是否满足要求。开发控制***方面，为了缩短开发周期、提高开发质量，出现了采用建模与仿真、快速原型开发、自动代码实现和硬件在环测试等开发工具与方法，与传统开发方式相比可以大大提高开发质量并缩短开发周期。中国专利200410067082.8“车载分布式控制***的计算机辅助开发方法”主要是建立针对应用的通讯协议数据交换的XML文档，形成统一模型的机读数据格式，从而便于进行计算机辅助分析、设计和测试，可提高控制***中实现通讯协议的开发效率。该方法主要适用于制定完通讯协议以后，在控制***开发时提高通讯协议转换为软件代码的效率。上述将控制***开发和通讯协议制定分开的方法便于不同的开发人员做不同的工作，但没有充分考虑到在分布式控制***实际运行过程中，控制与通讯实际上是相互关联相互耦合的，比如采用网络仿真软件和网络在环仿真***验证过的网络通讯实时性能不一定在实际的分布式控制***中能够达到，也不一定能满足分布式控制的实际要求；如果达不到要求，还是需要在***联调阶段找出其中的问题并对通讯协议进行修改。又比如进行控制***开发时提出的控制算法，如果需要通过网络通讯来传输控制参数时，则控制算法能达到的性能也会受到网络通讯的影响，这也需要到***联调时才能发现问题并修改解决。开发后期对通讯协议和控制算法进行大的修改可能会大大增加开发风险并难以控制进度和质量。控制***的开发方法只解决了控制算法的开发问题，而为解决总线通讯技术而出现的总线仿真软件和网络在环仿真***只关注了总线通讯本身，没有考虑实际的分布式控制***通讯与控制相互耦合的特点，因而对解决车载分布式网络控制***开发和测试中面临的问题还是存在局限性。

发明内容

为克服现有的车载分布式网络控制***开发和测试中周期长、成本高和质量难以控制等缺点，本发明提出一种分布式网络环境下车载分布式网络控制***的开发方法。本发明在开发过程中将控制算法与网络通讯协议进行综合设计，然后在开发全过程的各个阶段对控制算法与网络通讯协议进行各种层面上的综合测试与验证，把控制与通讯的问题尽早发现并解决。

本发明采用的技术方案是：把车载分布式网络控制***开发过程划分为***分析与初步设计、建模与仿真、快速原型设计、***实现和硬件在环测试等五个阶段，在每个设计阶段都进行控制***与通讯网络的各种综合测试和验证，尽早发现控制与通讯中的问题并及时修改解决，这样就能克服现有开发方法中把控制与通讯的问题留到最后综合联调时才发现所带来的弊端。

本发明的第一步是进行车载分布式网络控制***的***分析与设计。对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析，提出车载分布式网络控制***的控制要求和网络通讯要求，然后进行车载控制***的初步设计，制定通讯网络和协议，最后把初步的设计结果与提出的要求进行理论验证。***分析时，把车辆划分为被控对象——即零部件***、控制***——即零部件的控制***、通讯网络——即拓扑结构和通讯协议等四个部分，对控制算法、通讯网络和通讯协议进行分析，提出控制要求和通讯要求，初步设计控制算法和通讯协议，采用理论计算的方法判断通讯网络与通讯协议是否能够满足控制的要求，如果不满足，则修改后再验证。

第二步是进行建模与仿真设计。对车辆零部件、车载控制***及网络通讯协议进行建模和仿真验证，主要包括车辆被控对象——即零部件建模、车辆控制***建模、通讯网络建模、通讯协议建模和仿真验证等步骤。其中车辆被控对象建模和车辆控制***建模属于控制相关的建模，通讯网络建模和通讯协议建模属于通讯相关的建模，可以并行开展控制相关和通讯相关的建模工作。全部建模工作完成以后进行整个车载分布式网络控制***的仿真验证。建模过程中，对车载被控对象进行数学抽象，基于建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立车载被控对象的数学模型，全部被控对象的数学模型构成虚拟车辆零部件***，能够模拟车辆的各种运行工况；根据各个控制***的控制算法，建立各控制***的数学模型，构成虚拟车载控制***；根据初步设计的通讯网络和通讯协议建立通讯网络和通讯协议的数学模型，构成虚拟通讯网络；虚拟车辆零部件***、虚拟车载控制***、虚拟通讯网络和通讯协议共同构成完整的车载分布式网络控制***模型。在此基础上，对控制算法和通讯协议进行纯软件的仿真测试和验证，找出其中存在的问题并进行修改，直到能够满足车载分布式网络控制仿真环境下的控制要求和通讯要求为止。

第三步是进行快速原型设计。将虚拟车辆零部件***模型运行在一个实时运行环境(比如dSPACE或者LabVIEW RT等)中作为被控对象，将虚拟车载控制***和虚拟车载分布式网络运行在另一个实时运行环境中，按照实际的接口要求设计被控对象与控制***之间的软硬件接口；上述在实时运行环境中运行的被控对象与控制***、通讯网络和通讯协议共同构成了分布式网络控制快速原型***，在此基础上对控制算法和通讯协议进行实时环境下的仿真测试和验证，找出其中存在的问题并进行修改，直到能够满足控制要求和通讯要求为止。

第四步是进行***实现。根据快速原型测试验证后的控制***模型开发出实物控制***，实现其控制功能和通讯功能，具体需要开发控制***的硬件、软件和通讯接口；根据通讯网络模型开发出实际的通讯网络。开发出的实物控制***之间通过实际的通讯网络进行连接，并在实际的通讯网络中运行通讯协议，构成实际的分布式网络控制***。

第五步是进行硬件在环测试。搭建车载分布式网络控制***硬件在环测试环境，将实物控制***、实际的通讯网络和运行于实时运行环境中的虚拟车辆零部件***共同组成分布式网络控制***虚拟测试环境，进行控制算法和通讯协议实时网络环境下的硬件在环测试与验证，找出其中存在的问题并进行修改，直到能够完全满足控制要求和通讯要求为止。

至此，便完成本发明车载分布式网络控制***开发工作。

本发明在开发过程中的各个阶段不断对控制算法和通讯协议进行测试、修改和验证，可以最大限度的在早期发现并解决潜在的控制和通讯问题，从而避免了传统方法分别进行控制***和通讯协议开发带来的弊端，可以有效提高开发效率、降低开发风险和成本。

本发明采用的现有技术包括采用建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)的建模与仿真技术、快速原型设计技术、CAN总线通讯技术和硬件在环测试技术。建模与仿真技术主要用于对车辆***和控制***进行数学分析和数学建模，在此基础上建立虚拟车辆。快速原型设计技术将控制模型在实时运行环境中运行，并与被控对象进行信号连接，进行控制算法的快速设计和验证。CAN总线通讯技术是控制***之间进行数据连接的一种广泛使用的总线通讯技术，用于车载分布式控制***中各控制***之间进行数据通信。硬件在环测试技术是在建模与仿真技术的基础上，用虚拟被控对象对控制***实物进行仿真测试和验证。

本发明将车载分布式网络控制***的控制算法和网络通讯协议紧密结合，从***分析与初步设计阶段开始，到硬件在环测试阶段结束，在不同阶段不同层次上对分布式网络控制***中的控制要求和网络通讯要求综合起来进行设计、测试、修改和验证，测试和验证的内容包括实时性、总线负载率、控制性能等。控制算法和通讯协议的结合方法具体分解到了开发全过程中的各个阶段，在***分析阶段提出各控制***的控制要求和网络通讯要求并采用数学方法进行初步验证；在建模与仿真阶段各控制***分别用各自的仿真模型来描述各自的控制算法和网络通讯协议，并通过模型仿真进行验证；在快速原型设计阶段通过快速原型试验进一步对控制要求和网络通讯要求进行实时调试和验证；在***实现阶段把快速原型验证后的控制算法和控制***等固化到实物控制***中；最后在硬件在环测试阶段对控制要求和网络通讯要求进行整车分布式控制***网络在环测试环境下的综合测试和验证。综上，在开发和测试全过程中始终为车载分布式网络控制***的开发和测试提供了一种分布式网络仿真测试环境，从而保证了开发的控制***能够满足分布式网络控制的要求，并尽量把控制和通讯的各种潜在问题在前期暴露并解决。

开发人员可利用本发明在虚拟环境下进行分布式网络控制***的开发与测试，提高开发工作的质量和效率，也可以采用该方法搭建各种虚拟车辆并开展车载网络通讯协议等多种研究。

附图说明

图1车载分布式网络控制***开发流程示意图。

图2整车虚拟零部件。

图3虚拟控制***与虚拟零部件。

图4快速原型***的构成图。

图5虚拟零部件与实物控制***构成的车载分布式网络控制***硬件在环仿真测试环境。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明主要包含五个大的阶段：***分析与初步设计阶段、建模与仿真阶段、快速原型设计阶段、***实现阶段和硬件在环测试阶段等；并有四个主要的测试和验证环节：通讯和控制的理论验证环节、仿真验证环节、快速原型测试环节和硬件在环测试环节等。

1、***分析与初步设计阶段。如图1所示，在这个阶段首先对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析，提出车载分布式网络控制***的控制要求和网络通讯要求，然后进行车载控制***的初步设计，制定通讯网络和协议，最后把初步的设计结果与提出的要求进行理论验证。对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析的工作内容是把车辆划分为被控对象——即零部件***、控制***、通讯网络——即拓扑结构和通讯协议等四个部分，其中被控对象与控制***属于控制相关的内容，通讯网络与通讯协议属于通讯相关的内容；分别对车辆零部件及控制***、通讯网络及通讯协议进行分析，提出各个控制***的控制要求和网络通讯要求。控制要求即各个控制***的控制算法要求和控制性能要求，网络通讯要求即各个控制***之间进行数据通讯时对通讯网络——即应组建何种拓扑结构、通讯协议和通讯实时性等方面的要求。在提出控制要求时要考虑网络通讯对控制效果带来的影响：如数据传输延时、总线异常可能对控制性能有影响等，在提出网络通讯要求时考虑控制算法对数据传输实时性、总线负载率和总线可靠性等的要求。根据***分析结果和提出的控制要求与通讯要求，进行控制***控制算法的初步设计并制定出初步的通讯网络与通讯协议。最后对控制算法和通讯协议等进行理论验证，判断是否满足提出的要求，如果不满足则返回到***初步设计步骤中及时进行修改，直到满足理论验证条件下的控制要求和通讯要求为止。

具体操作上，先根据传统零部件控制***提出控制性能要求和控制算法要求，把需要采用数据通讯才能够完成控制功能的控制要求单独列出；然后根据控制要求和现有的总线技术设计通讯网络，初步确定网络拓扑结构，比如把实时性和安全要求非常严格的控制***组成一个高性能通讯网络，把常规的动力***组成一个高速CAN网络，把两个通讯网络用一个网关进行连接组成一个完整的通讯网络；初步确定了网络拓扑结构以后，根据每个子网内控制***的控制要求，分析网络中需要传输的数据量和实时性要求，确定每个节点需要发送的数据和数据的发送方式，比如周期性定时发送或者突发性发送等，以及需要接收的数据，从而初步制定出通讯协议。确定了通讯网络和通讯协议以后，采用数学计算，比如单调速率分析法等，验证网络通讯的实时性是否满足控制要求，假设部分控制参数的实时性要求不大于5％，可通过单调速率分析法等数学方法对通讯协议中该参数的实时性进行计算，判断是否满足该要求；验证总线负载率是否在总线本身限制的范围之内，比如某些环境下要求总线负载率不大于30％，可通过单调速率分析法等数学方法进行计算，判断总线负载率是否满足该要求。为了便于说明，这里通讯网络只含一个子网，而实际车载网络可能含有多个子网。

2、建模与仿真阶段。如图1所示，这个阶段主要分为车辆、车载控制***及通讯网络、通讯协议的建模和仿真验证两个大的步骤，具体包括车辆被控对象建模、车载控制***建模、通讯网络建模、通讯协议建模和仿真验证等步骤。其中车辆被控对象建模和车载控制***建模属于控制相关的建模，通讯网络建模和通讯协议建模属于通讯相关的建模，可以并行开展控制相关和通讯相关的建模工作。全部建模工作完成以后进行整个车载分布式网络控制***的仿真测试，对通讯和控制进行仿真验证。

此阶段主要的开发内容如下：

(1)车辆被控对象建模。如图2所示，根据***分析和初步设计结果，使用建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立车辆***各零部件子***的仿真数学模型，构成虚拟零部件***。比如分析发动机的工作原理，选择合适的数学模型，如平均值模型等对发动机工作进行描述，建立发动机的仿真模型，形成虚拟发动机，可以模拟发动机的工作过程；分析变速器的工作原理，选择合适的数学模型，如摩擦模型和动力学模型，对变速器工作进行描述，建立变速器的仿真模型，形成虚拟变速器，可以模拟变速器的工作过程。以此类推，根据不同车型的需要，可以建立不同类型和不同数量的虚拟零部件，如图2所示的虚拟零部件1到虚拟零部件n。根据实际车辆中零部件之间的关系，比如机械连接关系或者电气连接关系，在仿真模型中使用数学模型对这些连接关系进行描述，形成一种虚拟连接，从而把全部虚拟零部件连接构成虚拟车辆***。

(2)车辆控制***建模。如图3所示，根据车辆各零部件控制***的控制原理和***分析阶段提出的控制要求与控制算法，使用建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立控制子***的仿真数学模型，构成虚拟控制***。比如根据发动机管理***的控制原理，选择合适的数学模型对控制过程进行描述，建立发动机管理***的仿真模型，包括传感器模型、执行器模型和控制***模型等，形成虚拟发动机管理***，可以模型发动机的控制过程；分析变速器控制***的控制原理，选择合适的数学模型对控制过程进行描述，建立变速器控制***的仿真模型，也包括传感器模型、执行器模型和控制***模型等，形成虚拟变速器控制***。以此类推，根据不同车型的需要，可以建立不同类型和不同数量的虚拟控制***，如图3所示表示为虚拟控制***1到虚拟控制***n。实际的控制***与零部件之间使用电气信号连接，这里用建模语言对这些电气信号进行描述，构成虚拟电气信号：如图3所示的虚拟连接；虚拟控制***与虚拟零部件之间通过虚拟电气信号进行连接并实现对虚拟零部件的控制。

(3)通讯网络和通讯协议建模。根据***分析阶段提出的网络通讯要求、初步设计的通讯网络和通讯协议等，使用建模与仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立通讯网络和通讯协议的仿真数学模型，构成虚拟通讯网络。虚拟控制***之间的关系表现为网络通讯协议，将步骤1中初步建立的网络拓扑结构和网络通讯协议用建模语言进行描述，构成如图3所示的虚拟CAN总线，连接各个虚拟控制***，并按照网络通讯协议交换数据。

(4)仿真验证。虚拟零部件、虚拟控制***与虚拟网络共同组成完整的虚拟车辆***。利用虚拟车辆***进行综合仿真，可以对控制算法和通讯协议进行仿真测试，如图1中的通讯和控制的仿真验证，发现其中的问题并返回到建模与仿真阶段步骤(1)中及时修改，直到满足仿真条件下的控制要求和通讯要求为止。

3、快速原型设计阶段。如图1所示，这个阶段主要包括快速原型***设计和快速原型测试两个步骤。传统的控制***快速原型***设计是将建模与仿真阶段验证后的控制算法运行在实时运行环境中(如dSPACE或者NI的LabVIEW RT等)，替代实物控制***对实际的车辆零部件***进行控制，这样做的好处是在开发出实际的控制***之前可以很方便地对控制算法进行调试、修改和验证。如图4所示，这里的快速原型***设计与传统方法不完全一致，为了避免直接进行实车调试的诸多不便，将虚拟零部件作为被控对象运行于一套实时运行环境中模拟车辆零部件***运行，将虚拟控制***运行于另一套实时运行环境中，通过软硬件接口对虚拟车辆零部件***进行控制。按照实际车辆控制时控制***与零部件之间的软硬件接口要求，设计两套实时运行环境之间的软硬件接口，即虚拟控制***与虚拟零部件之间通过实时运行环境将步骤3中虚拟的电气信号连接变成实际的电气信号连接，如图4所示的信号连接线、接口板和通讯信号线束，构成零部件控制***的快速原型***。

由上述实时运行环境中的被控对象、控制***和软硬件接口构成了基于虚拟车辆的快速原型测试环境，可进行控制算法和通讯协议的快速原型试验，对控制算法和网络通讯协议进行实时条件下的调试和验证，如图1所示的通讯和控制的快速原型测试，发现其中的问题并返回到快速原型设计步骤中及时修改，直到满足快速原型环境下的控制要求和通讯要求为止。

4、***实现阶段。这个阶段的工作是开发出实际的控制***和通讯网络。以快速原型***设计为基础，根据快速原型试验中调试和验证的控制算法和网络通讯协议，进行实物控制***的硬件电路实现和软件代码实现，开发出各零部件的实物控制***。各实物控制***之间采用真实的CAN总线构成的通讯网络进行连接，虚拟控制***模型中运行的网络通讯协议则转化为真实的CAN总线网络上运行的通讯协议。

5、硬件在环测试阶段。如图5所示，以运行于实时运行环境中的虚拟车辆零部件作为被控对象，构建分布式网络硬件在环测试环境，对开发的各实物控制***进行硬件在环仿真测试。各实物控制***与各自的被控对象——即虚拟零部件之间采用硬件信号连接，各实物控制***之间采用CAN总线网络连接，组成一个分布式网络控制***的硬件网络在环测试环境，可进行控制算法和通讯协议的硬件在环仿真测试，对控制算法和网络通讯协议进行分布式网络控制环境下的调试和验证，如图1所示的通讯和控制的硬件在环测试，发现其中的问题并返回到***实现阶段及时修改，直到满足硬件在环条件下的控制要求和通讯要求为止。

完成上述全部开发和测试步骤以后，所开发的实物控制***和虚拟车辆零部件共同构成一个完整的车用分布式网络控制***虚拟测试环境。至此，便完成本发明车载分布式网络控制***开发工作。

本发明的积极效果主要为：

1)利用控制***分布式网络在环测试环境，既模拟了网络通讯协议的运行环境，又模拟了各控制***的运行环境，从而可以快速、低成本、高效率地进行车用网络通讯协议的开发、测试和验证。解决了传统开发方式中进行车载分布式网络控制***网络通讯协议开发周期长、费用高、效率低的问题。

2)为单独开发某些子控制***提供了完善的开发测试环境，从***分析、模型仿真、快速原型到硬件在环测试等全过程都能够从整车***的角度进行及时的调试和验证，从而可以加快控制***的开发，提高开发质量，并能减少开发成本。

下面以一个只有发动机和变速器两个零部件***，以及发动机管理***和自动变速控制***两个零部件控制***的、简化的车载分布式网络控制***为例，对本发明实施方式的各个阶段进行实例说明。

1、***分析与初步设计阶段。

发动机管理***的控制要求包括：发动机转速控制：控制精度不大于20r/min，响应时间不大于200ms；负荷控制：负荷变化率不大于50％/s，控制精度不大于1％等。

自动变速控制***控制要求包括：换挡控制：换挡过程时间不大于2s，离合器摩滑功率不大于0.5W，换挡冲击不大于10m/s³；换挡规律：经济型换挡规律比手动驾驶平均值提高燃油经济性5％以上，实际换挡点与理论换挡点之差不大于1km/h等。

通讯网络要求包括：实时性误差不大于5％、网络负载率不大于30％等。

发动机管理***初步设计：负荷控制算法采用PWM脉宽调制信号对喷油量进行精确控制，并使用PID调节算法构成喷油量的闭环控制；转速控制包括恒转速控制和调速控制，其中恒转速控制采用双闭环控制算法，以喷油量PID控制作为内环，转速PID控制作为外环，可以实现恒转速精确控制；调速控制以恒转速控制作为基础，并增加调速控制算法，比如对于全程调速采用逐次逼近法进行调速控制等。

通讯***设计包括：通讯网络设计和通讯协议设计。通讯网络设计即确定网络中的节点和节点之间的连接方式等，由于***简化为发动机管理***和自动变速***两个控制***，则网络节点只有两个，采用屏蔽双绞线进行连接，并按照CAN总线的要求进行终端电阻设计。通讯协议设计即根据两个控制***的控制要求，统计出需要进行总线传输的信号并按照一定的协议进行封装，这里假定按照CAN2.0B扩展格式对通讯数据进行封装。统计出发动机管理***需要发送的参数有：发动机转矩模式、驾驶员需要的发动机转矩、发动机转速、加速踏板位置、当前转速负荷百分比、加速踏板强制降挡开关、加速踏板低怠速开关、动力传动分离请求、换挡禁止请求和请求的目标挡位等；这些参数均为需要周期传输的参数，其中发动机转矩模式、驾驶员需要的发动机转矩和发动机转速需要每10ms传输一次，其他参数需要每50ms传输一次；将上述参数封装到三个协议数据包中，其中刷新周期为10ms的参数封装到1个数据包中，刷新周期为50ms的参数较多，需封装到两个协议包中。统计出自动变速***需要发送的参数有：变速器类型、换挡状态、离合器状态、输出轴转速、离合器行程、禁止强制升挡开关、输入轴转速、目标挡位、当前挡位、当前挡位速比、过载控制模式优先权、过载控制模式、请求转速控制状态、请求的转速、请求的转矩或负荷等；这些参数中，变速器类型、换挡状态、离合器状态、输出轴转速、离合器行程、禁止强制升挡开关和输入轴转速的刷新率应为10ms，目标挡位、当前挡位和当前挡位速比的刷新率为100ms，其他参数为换挡过程中需传输的参数，需要传输时的刷新率也为10ms；这样可将这些参数按不同刷新率要求封装为3个协议数据包。

控制要求验证：由于这里是个简化的分布式网络控制***，前述的控制算法和通讯协议基本按照控制要求进行设计的，因此可以初步认为控制要求可以得到满足。如果分布式网络控制***中子***较多，则在通讯协议设计和控制要求验证方面可能要进行反复调整。

通讯要求验证：根据通讯网络和通讯协议，采用单调速率分析法等数学方法，假设没有总线冲突，可计算出各个通讯控制参数的实时性和总线的负载率。

2、建模与仿真阶段。

(1)车载被控对象建模。发动机采用平均值模型建立进气模型、燃油模型和动力输出模型。变速器采用摩擦模型建立离合器和同步器的接合与分离的数学模型，采用动力学模型建立变速器正常工作时的数学模型包括挡位模型、同步器模型和离合器模型等。实际的发动机与变速器之间由发动机飞轮与变速器的离合器主动盘进行机械连接，这种机械连接可用动力学模型进行描述，具体表现为发动机接口包括：发动机转矩、发动机转速、发动机的惯性系数和发动机的阻尼系数；变速器接口包括：变速器输入轴转矩、变速器输入轴转速、变速器的惯性系数和变速器的阻尼系数。

(2)车载控制***建模。发动机管理***建模包括传感器模型、执行器模型和控制***模型。传感器模型分为模拟输入与输出模型、数字I/O模型、脉冲信号模型和脉宽调制信号模型等；模拟输入与输出模型包括加速踏板信号、进气温度信号、进气压力信号、节气门开度信号等；数字I/O模型包括加速踏板怠速开关信号、凸轮轴位置信号等；脉冲信号模型包括凸轮轴转速信号和点火驱动脉冲信号；脉宽调制信号模型包括电子节气门驱动脉宽信号和喷油器驱动脉宽信号等。执行器模型包括点火线圈模型、电子节气门驱动电机模型和喷油器模型；点火线圈模型根据点火脉冲产生点火信号送入发动机模型，电子节气门驱动电机模型根据电子节气门驱动脉宽信号输出电子节气门开度信号送入发动机模型，喷油器模型根据喷油器驱动脉宽信号输出喷油量信号送入发动机模型；控制***模型包括点火提前角算法模型、电子节气门控制算法模型、喷油量控制算法模型、怠速控制算法模型、调速控制算法模型等。

自动变速器控制***建模包括传感器模型、执行器模型和控制***模型。传感器模型中，模拟输入与输出信号包括制动踏板位移信号、操纵手柄信号、离合器位移信号、选位电机位移信号和换挡电机位移信号等；数字I/O信号包括制动踏板开关信号、转向开关信号等；脉冲信号包括变速器输入轴转速脉冲信号和变速器输出轴转速脉冲信号等；脉宽调制信号包括离合器电机驱动脉宽信号、选位电机驱动脉宽信号和换挡电机驱动脉宽信号等。执行器模型包括离合器驱动电机模型、选位驱动电机模型和换挡驱动电机模型等，离合器驱动电机根据离合器驱动脉宽输出离合器位移信号，选位驱动电机根据选位电机驱动脉宽输出选位电机位移信号，换挡驱动电机根据换挡电机驱动脉宽输出换挡电机位移信号。控制***模型包括换挡规律算法模型、换挡过程控制算法模型、离合器接合控制算法模型、选位电机控制算法模型、换挡电机控制算法模型和离合器电机控制算法模型等。

(3)通讯网络和通讯协议建模。由于***简化为发动机管理***和自动变速***两个控制***，则通讯网络模型由两个节点模型组成，节点模型之间通过虚拟的通讯介质(比如共享的数据区等)进行连接并传输数据。每个节点发送和接收的数据在通讯协议模型中规定。通讯协议建模方面，根据***分析与初步设计阶段的验证结果，发动机管理***需要发送的数据封装为三个数据包：需要每10ms传输一次的发动机转矩模式、驾驶员需要的发动机转矩和发动机转速等三个参数封装为一个数据包，需要每50ms传输一次的其他参数封装为两个数据包；同样，自动变速器控制***需要发送的数据也封装为三个数据包：其中刷新时间为10ms的数据包两个，刷新时间为100ms的数据包一个。通讯协议模型的主要建模工作就是把每个节点需要发送的每个数据包封装为单个的数据结构，然后把封装好的数据包发送到通讯网络模型中；同时，还要把每个节点接收到的数据包放入相应的数据结构中，然后按照通讯协议进行拆包，还原为各个控制参数，送到控制模型中去使用。

(4)仿真验证。包括仿真环境下的控制要求验证和通讯要求验证。控制要求验证：在仿真环境中运行由虚拟发动机及变速器、虚拟发动机管理***及自动变速控制***，以及虚拟网络共同组成的虚拟车辆***，对各种使用工况进行全面的测试，记录测试数据，分析各种控制算法是否达到了控制要求中规定的控制性能。如果没达到，则找出其中的原因：如果是控制算法的问题，则修改控制算法：如果是通讯协议的问题，则修改通讯协议，直到能够满足控制要求规定的性能要求。

通讯要求验证：在仿真环境中运行由虚拟发动机及变速器、虚拟发动机管理***及自动变速控制***，以及虚拟网络共同组成的虚拟车辆***，并使用总线测试工具如CANoe等的软件接口对虚拟网络的运行情况进行测试，观察网络中的实时性和负载率等，分析通讯网络和通讯协议是否达到了通讯要求中规定的通讯性能。如果没有达到，则找出其中的原因并返回到建模步骤中进行相应的修改，直到能够满足通讯要求规定的性能要求。

3、快速原型设计阶段。

将建模与仿真阶段建立的发动机模型和变速器模型放到被控对象的实时运行环境中，二者之间的接口与建模与仿真阶段相同，都是虚拟的机械连接；二者与外部的接口，即与控制***的快速原型***之间的接口为硬件接口，包括：模拟输入与输出接口、数字输入与输出接口以及脉冲输入与输出接口等。

模拟输出包括：加速踏板位移、进气温度、进气压力、节气门开度、制动踏板位移、操纵手柄位置、离合器位移、选位操纵杆位移和换挡操纵杆位移等。

模拟输入包括：电子节气门驱动力、喷油器喷射油量、离合器驱动力、选位电机驱动力和换挡电机驱动力等。

数字输出包括：加速踏板怠速开关、凸轮轴位置、制动踏板开关和转向开关等。

脉冲输出包括：发动机转速脉冲、变速器输入轴转速脉冲和变速器输出轴转速脉冲等。

脉冲输入包括：点火脉冲。

上述硬件接口通过实时运行环境的硬件接口板，包括模拟输入与输出板、数字输入与输出板以及脉冲输入与输出板等，与外部进行硬件电气信号连接。

将发动机管理***和自动变速控制***模型放入控制***的实时运行环境中，二者之间的接口与建模与仿真阶段的接口相同，均为虚拟网络接口；二者与外部的接口，即与运行于实时运行环境中的被控对象组成的虚拟车辆零部件***之间的接口为硬件接口，这个硬件接口与前述的被控对象硬件接口直接相连。

根据快速原型设计结果建立快速原型测试环境，进行快速原型测试并对设计结果进行验证，包括控制要求验证和通讯要求验证。

控制要求验证：在快速原型测试环境中运行包括发动机管理***和自动变速控制***的虚拟车载分布式网络控制***和通讯网络，对各种使用工况进行全面的测试，记录测试数据，分析各种控制算法是否达到了控制要求中规定的控制性能。如果没达到，则找出其中的原因：如果是控制算法的问题，则修改控制算法；如果是通讯协议的问题，则修改通讯协议，直到能够满足控制要求规定的性能要求。

通讯要求验证：在快速原型测试环境中运行包括发动机管理***和自动变速控制***的虚拟车载分布式网络控制***和通讯网络，并使用总线测试工具如CANoe等的软件接口对虚拟网络的运行情况进行测试，观察网络中的实时性和负载率等，分析通讯网络和通讯协议是否达到了通讯要求中规定的通讯性能。如果没有达到，则找出其中的原因并返回到快速原型设计步骤中进行相应的修改，直到能够满足通讯要求规定的性能要求。

4、***实现阶段。

***实现阶段需要开发出实际的发动机管理***和自动变速控制***，以及连接两个控制***的通讯网络。实际的控制***由控制***硬件电路、控制***软件和控制***硬件接口组成，控制***硬件接口包含接插件与电缆等。

硬件实现体现为控制***硬件电路板的设计，其设计依据来自于经过快速原型试验后获得的控制算法对CPU的需求：比如计算能力、代码大小等；硬件接口对***电路的需求：如需要多少路模拟输入、数字I/O、脉冲输入、脉冲输出以及脉宽调制输出等；CPU本身对其最小***的需求：如电源电路、复位电路、时钟电路等，以及网络通讯对通讯控制模块、驱动模块和保护模块等相关电路的需求。

软件实现体现为软件代码的生成，目前控制***软件代码的生成主要有手工代码生成和自动代码生成，二者的设计依据均来自于经过快速原型试验后获得的控制算法与网络通讯协议；二者的不同点在于手工代码生成对编程人员的要求较高，容易出现人为的软件BUG，开发周期也相对较长；而自动代码生成的代码质量取决于代码生成工具，不容易出现人为的软件BUG，但代码较长，需要优化，而且大部分情况下都需要适当的手工修改才能够达到较好的效果。不管是哪种方式，由于控制算法和通讯协议都已经通过了快速原型试验验证，因此只要符合快速原型***模型中的控制算法和通讯协议，则都可以较快完成软件实现。

硬件接口与快速原型设计阶段的硬件接口稍有不同，需要增加网络通讯的硬件接口、电源接口和功率接口等。其中网络通讯硬件接口和通讯介质共同完成快速原型试验验证后的通讯协议中通讯数据的接收和发送，电源接口为控制***硬件电路提供电源电压，功率接口为驱动电路接口：如电机驱动电路接口等。全部硬件接口通过接插件和电缆与被控对象和其他控制***进行连接。

5、硬件在环测试阶段。

将经过快速原型验证后的发动机模型和变速器模型放到被控对象的实时运行环境中构成虚拟车辆零部件***，二者之间的接口为虚拟的机械连接；二者与外部的接口，即与控制***之间的接口为硬件接口，包括：模拟输入与输出接口、数字输入与输出接口以及脉冲输入与输出接口等。

将开发出的实际的发动机管理***和自动变速***与运行于实时运行环境中的虚拟车辆零部件***通过硬件接口直接相连，本实施例此处的虚拟车辆零部件***仅涉及发动机和变速器。而发动机管理***和自动变速***之间通过网络通讯介质，如双绞线，直接相连，这样组成了发动机管理***和自动变速控制***的分布式网络控制***硬件网络在环测试环境。

在此环境下对实物控制***的控制算法和实物控制***之间的网络通讯协议进行调试和验证，如图1中的通讯和控制的硬件在环测试环节，找出其中的控制问题和通讯问题并返回到***实现阶段对控制算法和通讯协议进行修改，直到满足分布式网络硬件在环环境下的控制要求和通讯要求为止。

控制要求验证：在硬件在环测试环境中运行实际的车载分布式网络控制***和通讯网络，对各种使用工况进行全面的测试，记录测试数据，分析各种控制算法是否达到了控制要求中规定的控制性能。如果没达到，则找出其中的原因：如果是控制算法的问题，则修改控制算法；如果是通讯协议的问题，则修改通讯协议，直到能够满足控制要求规定的性能要求。

通讯要求验证：在硬件在环测试环境中运行实际的车载分布式网络控制***和通讯网络，并使用总线测试工具如CANoe等的硬件接口对实际网络的运行情况进行测试，观察网络中的实时性和负载率等，分析通讯网络和通讯协议是否达到了通讯要求中规定的通讯性能。如果没有达到，则找出其中的原因并进行修改，直到能够满足通讯要求规定的性能要求。

Claims (5)

1、一种车载分布式网络控制***的开发方法，其特征在于将车载分布式网络控制***的开发过程划分为***分析与初步设计、建模与仿真、快速原型设计、***实现和硬件在环测试五个阶段，在各个阶段都对控制***与通讯网络进行各种层面上的综合测试和验证，尽早发现控制与通讯中的问题并及时修改解决，***分析与初步设计阶段首先对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析，提出车载分布式网络控制***的控制要求和网络通讯要求，然后进行车载控制***的初步设计，制定通讯网络和协议，再把初步的设计结果与提出的要求进行理论验证；建模与仿真阶段是对车辆零部件、车载控制***及通讯网络与协议建模并仿真验证；在快速原型设计阶段进行快速原型设计和快速原型测试验证；***实现阶段是以快速原型***设计为基础，开发出实际的控制***和通讯网络；然后在硬件在环测试阶段构建分布式网络硬件在环测试环境，对所开发的实物控制***进行硬件在环仿真测试验证。

2、根据权利要求1所述的车载分布式网络控制***的开发方法，其特征在于所述的***分析与初步设计阶段中，对车辆零部件、车载通讯网络和协议进行***分析的内容是把车辆划分为被控对象——即零部件***、控制***、通讯网络——即拓扑结构和通讯协议等四个部分，分别对车辆零部件及控制***、通讯网络及通讯协议进行分析，提出各个控制***的控制要求和网络通讯要求；控制要求即各个控制***的控制算法要求和控制性能要求，网络通讯要求即各个控制***之间进行数据通讯时对通讯网络的要求；根据***分析结果和提出的控制要求与通讯要求，进行控制算法的初步设计并制定出初步的通讯网络与通讯协议，并对控制算法和通讯协议等进行理论验证，判断是否满足提出的要求，若不满足则返回到***初步设计步骤中及时进行修改，直到满足理论验证条件下的控制要求和通讯要求为止。

3、根据权利要求1所述的车载分布式网络控制***的开发方法，其特征在于所述的建模与仿真阶段主要的开发内容如下：

(1)根据***分析和初步设计结果，使用建模与仿真工具建立车辆***各零部件子***的仿真数学模型，构成虚拟零部件***；

(2)根据车辆各零部件控制***的控制原理和***分析阶段提出的控制要求与控制算法，使用建模与仿真工具建立各零部件控制***的仿真数学模型，构成虚拟控制***；

(3)根据***分析阶段提出的网络通讯要求、通讯网络和通讯协议，使用建模与仿真工具建立通讯网络和通讯协议的仿真数学模型，构成虚拟通讯网络；

(4)虚拟零部件、虚拟控制***与虚拟网络共同组成完整的虚拟车辆***，并进行综合仿真，对控制算法和通讯协议进行仿真测试，若发现问题则返回建模与仿真阶段的步骤(1)中及时修改，直到满足仿真条件下的控制要求和通讯要求为止。

4、根据权利要求1所述的车载分布式网络控制***的开发方法，其特征在于在所述的快速原型设计阶段中，将虚拟零部件作为被控对象运行于一套实时运行环境中模拟车辆零部件***运行，将虚拟控制***运行于另一套实时运行环境中；按照实际车辆控制时控制***与零部件之间的软硬件接口要求，设计两套实时运行环境之间的软硬件接口，即虚拟控制***与虚拟零部件之间通过实时运行环境将虚拟的电气信号连接转变成实际的电气信号连接，构成零部件控制***的快速原型***。

5、根据权利要求1所述的车载分布式网络控制***的开发方法，其特征在于在所述的在硬件在环测试阶段是以运行于实时运行环境中的虚拟车辆零部件作为被控对象，与实际的控制***和通讯网络共同构建分布式网络硬件在环测试环境，模拟网络通讯协议的运行环境及控制***的运行环境，对开发的实物控制***进行硬件在环仿真测试；各实物控制***与各自的被控对象——即虚拟零部件之间采用硬件信号连接，各实物控制***之间采用CAN总线网络连接，组成一个分布式网络控制***的硬件网络在环测试环境。

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