車輛控制系統(tǒng)開發(fā)軟件閉環(huán)模擬方法
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隨著計算機技術的發(fā)展，車輛上的控制系統(tǒng)變得越來越復雜，因而控制算法變得也非常復雜，所以控制系統(tǒng)開發(fā)的主要工作是內部的控制算法的開發(fā)。我們知道近幾年國外先進的開發(fā)過程是呈V 字形，它分為下面幾個階段[1]：
(1) 系統(tǒng)設計建模與離線模擬
在這一階段主要驗證控制算法與概念，驗證系統(tǒng)的可行性，使用MATLAB/Simulink 軟件可以很容易實現控制算法并進行系統(tǒng)建模，這些模型可以同樣應用于實時硬件模擬。
(2) 系統(tǒng)原型實施
這一階段仍是采用PC 計算機或功能較強的計算機，如DSP。將系統(tǒng)的硬件信號加入到模擬系統(tǒng)中，從而實現真實的物理系統(tǒng)?？梢圆捎肕ATLAB 工具箱，例如RTW 和xPC 等。很容易在PC 計算機中實現實時硬件控制。例如可以直接用PC 計算機對車輛進行控制驗證。
(3) 目標代碼產生
目標代碼的產生是最困難的一步，可以采用專用的工具如Targetlink，它可以從Simulink 可視化算法直接轉化為C 代碼，MATLAB/Simulink 中的實時嵌入式代碼生成器工具箱也具有這類功能。但生成可用于大量生產的實用代碼還要作較多的修改，或許要嵌入較多的用戶手工代碼。
(4) 實時硬件模擬
這一步驟是驗證控制器硬件和軟件算法，它的環(huán)境與實車比較類似，其相似程度取決于模擬模型與實際車輛的差別。如果模型比較準確，則經過這一系統(tǒng)驗證后再到實車試驗，其工作量就降低到最少，但一般情況下模型與實車都存在較大差距，所以仍需要較多的工作。
(5) 系統(tǒng)驗證與調試
這一過程是將控制系統(tǒng)在實車上進行驗證并進行系統(tǒng)的標定及參數修改等工作。如果前面的工作比較完善，則這一步的工作量就可以減少，并節(jié)省時間與費用。這一過程是一個一般的過程，但也存在下面幾個方面的不足。
1) 傳統(tǒng)的開發(fā)大多采用模擬的方法，純軟件模擬可以部分地驗證控制算法，但大部分的純模擬控制算法都是運行在PC 計算機上。利用通用的編程工具如VC、VB、MATLAB/SIMULINK，它們都是采用浮點數運算，也不必顧及內存空間的大小。這種模擬當得到理想的結果后再向目標計算機上進行移植，這種目標計算機往往要進行產業(yè)化生產，要求有較高的性能價格比，所以它的內存空間較小，同時采用整形數。模擬驗征很好的代碼一旦移植到這種目標計算機。由于上述差距的存在就會使控制算法的性能大大降低，這往往需要用戶重新進行構造控制算法，這樣就導致開發(fā)效率降低，那么最好是從一開始就使目標計算機參與到系統(tǒng)上來。
2) 實時硬件閉環(huán)模擬是一種非常好的工具，目前在開發(fā)過程被大量的使用。它可以有效地驗證控制器的軟硬件系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)在實際使用中事實上主要是驗證控制算法。硬件的驗證只要沒有故障，則在以后的工作中就不會再有什么作用。
3) 實時硬件模擬驗證只是在實驗室內進行，如果拿到實車上就很不方便，特別是一些混合模擬由于設備龐大，很難拿到車輛上。在實際車輛上調試ECU 控制代碼時要進行很多算法修改及參數的調整，這種修改與調整有些可能對算法的影響是很大的，有些情況可能會使控制失效。這樣就需要再回到試驗室中用實時硬件模擬再去驗證算法，反反復復這樣調試就會耗費比較多的時間。
4) 好的開發(fā)環(huán)境應該將這些過程集成到同一個環(huán)境下，如果系統(tǒng)要在不同的系統(tǒng)中切換，勢必造成移植的困難。
基于在控制器開發(fā)過程中這幾個比較困難的事情，本文提出了實時軟件模擬方法以有效地解決上述系統(tǒng)的缺陷。
2 系統(tǒng)硬件
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
1）系統(tǒng)是單板式結構，所以系統(tǒng)可靠性高。
2）采用PC104 總線，具有抗振性，且體積也比較小。
3）PC 計算機性能高，可以作為模擬用主機，即直接用MATLAB/SIMULINK 建模。
4）用PC 計算機可以利用它采用MATLAB 中的xPC 工具箱生成較小內存的控制器代碼，然后內置于主機板的電子盤中，形成可靠的基于PC 的控制系統(tǒng)。
5）采用嵌入式PC 體積較少，便于形成車載控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)硬件包括下面幾個部分：
(1) PC 主板：嵌入式系統(tǒng)，PⅢ或PIV 主機。
(2) 采集卡：PC104 總線，用于數據采集及系統(tǒng)控制。
(3) 仿真器：單片機仿真器主要用于控制器程序的調試，也可采用PC104 總線，這樣可以使開發(fā)系統(tǒng)一體化，并在一臺計算機上加以實現。
(4) 信號及驅動設備箱：這是一個專用信號調理箱，這種系統(tǒng)要根據車輛上應用確定信號調整的類型及驅動類型，作為一個通用的系統(tǒng)，采集驅動系統(tǒng)有如下功能：
1)A/D 采集 8 路：用于模擬量采集用調理箱，對信號進行放大，并規(guī)整變?yōu)?～5V 電壓。
2)D/A 輸出 2 路：用于模擬量采集用調理箱，對信號進行放大，并規(guī)整變?yōu)?～5V 電壓。
3)數字輸入：16 路，主要采集一些輸入信號，如開關量。
4)數字輸出：16 路，主要是一些驅動信號，如對電磁閥，通過調理箱對信號進行功率放大。
5)脈沖輸入采集，8 路，主要對一些速度信號進行采集，一般的采集卡很難準確進行采集，采用專用的采集卡，可以對脈沖進行準確的計算，信號調理箱則可以完成信號的整形放大等處理。
6)脈沖輸出，8 路，主要對一些速度信號進行模擬，一般的采集卡很難準確輸出脈沖，采用專用的采集卡，可以對脈沖進行準確的計算，信號調理箱則可以完成信號的方波轉換為正弦波等處理。
7) CAN 通信：共有15 個信息幀可以編程使用，CAN 標準為2.0B，CAN 通信參數可以定義。
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