車輛控制系統(tǒng)開發(fā)軟件閉環(huán)模擬方法
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另一種系統(tǒng)配置是采用筆記本電腦。PC 計算機固有的外設有串口、并口、USB 和網(wǎng)絡接口，串口由于通信速度慢，顯然不適于作采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡接口由于與單片機的接口比較復雜，也不太適于作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與通信。USB和并口通信速度比較高，并且與單片機的接口也比較簡單，這樣可以外掛兩個獨立的外設。一般在我們的系統(tǒng)中一個作為單片機的仿真器用，一個作為采集卡構成實時模擬系統(tǒng)，這樣采用筆記本就增加了移動性，方便靈活。圖2 為這一系統(tǒng)的框圖。
圖2 筆記本PC 構成的開發(fā)系統(tǒng)框圖
1)純模擬系統(tǒng)：采用MATLAB 建模，進行控制系統(tǒng)的模擬。
2)集成單片機開發(fā)系統(tǒng)：采用PC104 總線結構，控制算法直接生成C 代碼，并直接下載到單片機仿真器中運行，這樣可以實時修改控制算法，即可以在試驗室條件下進行，也可以在實車上進行調(diào)試。
3)集成測試系統(tǒng)：利用PC104 采集卡可以對車輛非控制器參數(shù)進行采集，如壓力、速度等，用這些數(shù)據(jù)可以有效地對控制效果進行評估。
4)集成實時硬件模擬系統(tǒng)：利用采集卡可以發(fā)出各種模擬的傳感器信號，如模擬量通過D/A 發(fā)出，脈沖信號通過PWM 信號發(fā)出。
5)集成的車載系統(tǒng)：采用專用的計算機抗振機箱，整套系統(tǒng)可以直接放到車輛上進行ECU 的調(diào)試，調(diào)試過程中可以采集各種物理量，同時此系統(tǒng)可以進行各個階段的模擬。這種系統(tǒng)將軟件及硬件一體化，同時應用于車輛控制系統(tǒng)各個開發(fā)階段，最有效地提高了設備的利用率，避免了開發(fā)環(huán)境的切換，從而可以縮短開發(fā)時間。圖3 為這一系統(tǒng)的外形圖。這一系統(tǒng)首先硬件實現(xiàn)了從模擬到系統(tǒng)的集成化，硬件是同一設備完成各個階段的開發(fā)，下面要介紹的軟件也是一體化的。
圖3 開發(fā)系統(tǒng)外形圖
系統(tǒng)軟件采用MATLAB 系統(tǒng)建立控制對象模型，即車輛模型?；旌峡刂破鞯哪Ｐ途涂梢孕纬杉兡M系統(tǒng)，但這種純模擬系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一的MATLAB 環(huán)境控制器模型，也采用SIMULINK 可視化模型，這是最初的模型。如果要使用MATLAB 中的工具箱，這類模型有一定的限制，如不能采用連續(xù)性模塊，采用嵌入式代碼生成器工具箱，可以將控制器子系統(tǒng)生成C 代碼，也可以采用專用的單片機代碼生成器生成C 代碼，如目前MATLAB 中已有Motorola MPC555、TI TMS320C6000、Infineon C167 系統(tǒng)單片機專用工具箱控制C 代碼的生成并可以控制C 代碼的編譯、連接，最后生成可執(zhí)行代碼。生成可執(zhí)行代碼后，可以將系統(tǒng)直接下載到目標單片機上，這時就可以用目標單片機直接對應用對象即實際車輛進行控制了。但單片機代碼不能直接對模擬模型進行控制了，這樣就造成了開發(fā)過程的脫節(jié)。因為由SIMULINK生成代碼的過程，有可能改變了系統(tǒng)算法的特性。不同廠商的編譯器也會存在一些問題，所以直接用生成的單片機代碼對模擬對象進行控制是最便利的，當然這時可以利用實時硬件閉環(huán)系統(tǒng)進行模擬與驗證。但由于控制器硬件的過早介入要花費很大的精力去調(diào)整信號，而往往硬件連接會帶來很多麻煩，如信號連接等。再者在算法調(diào)整階段并不需要硬件的介入，在這種情況下，就需要有一種連接單片機與計算機之間的數(shù)據(jù)交換界面，從而形成一種快速實時交換數(shù)據(jù)方式，使車輛模型系統(tǒng)與控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速通信，從而實現(xiàn)軟件實時模擬，基于此在本系統(tǒng)中采用兩種數(shù)據(jù)交換方式。
(1) CAN 通信方式
(2) 雙口RAM 通信方式
其結構方式見圖4。
圖4 數(shù)據(jù)交換方式
采用CAN 總線通信比較方便，這是因為目前許多單片機已內(nèi)置了CAN 控制器，一般CAN 控制器具有15 個信息體，新出現(xiàn)的單片機則可以帶更多的CAN 控制器，每個信息體有8 個字節(jié)，這樣就可以有120個字節(jié)用于實時數(shù)據(jù)交換，同時CAN 的最高通信速度為1MHz 波特率，足以滿足實時模擬的要求。在PC計算機方面一般沒有CAN 接口，但CAN 的接口卡是比較多的。本系統(tǒng)采用自制的CAN 采集卡，該采集卡可以采用USB接口轉(zhuǎn)換，也有并口、ISA、PCI 幾種接口，只用兩根CAN 通信線就可以將單片機與PC計算機進行通信連接。當然串口與單片機的連接也很方便，除非是一些低速簡單的控制系統(tǒng)，但串口通信一是速度慢，二是它的數(shù)據(jù)傳遞不像CAN 是數(shù)據(jù)包的形式，所以容易產(chǎn)生錯誤。
CAN 通信只能傳送字節(jié)型數(shù)據(jù)，對不同的數(shù)據(jù)類型要進行變換，例如要傳送浮點數(shù)據(jù)，先把它變換為字節(jié)型變量，接收后要進行解碼，把它還原為浮點數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)的原理見圖5。
圖5 CAN 數(shù)據(jù)交換原理
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