摘 要：利用Matlab/Simulink實時仿真" title="實時仿真">實時仿真環境、工業用數據板卡、CAN通訊設備，系統地設計了燃料電池" title="燃料電池">燃料電池汽車整車控制器" title="整車控制器">整車控制器硬件在環實時仿真測試平臺" title="測試平臺">測試平臺。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測試，有效地加快整車控制器的開發進程。
關鍵詞：硬件在環仿真測試? Matlab/Simulink? 整車控制器
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??? 隨著汽車工業的發展和進步，人們對汽車的動力性、經濟性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統的機械式控制系統已經遠遠不能滿足這些需要。電子化控制系統以其高精度、高速度、控制靈活、穩定可靠等特點逐漸取代了機械式控制系統，是汽車控制系統的發展趨勢。
??? 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對控制器的要求越來越高。控制器的開發與設計一般都要經過如圖1所示的步驟，即由上層到底層，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計，詳細確定控制器將要實現的功能；然后生成目標程序代碼；最后是控制器的底層軟、硬件實現。
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??? 從控制器實現到實車測試的過程中還需要進行硬件在環實時仿真測試。這是因為在整車控制器的開發過程中，利用整車控制器硬件在仿真測試平臺構建虛擬的整車現場環境。對控制器進行硬件在環仿真測試，不但可以大大加快整車控制器軟、硬件的開發過程，而且開發成功的控制器具有較高的可靠性。因為仿真測試平臺可以模擬出在實車試驗中難以實現的特殊行駛狀態和危險狀態，從而對整車控制器進行全面的測試。控制器硬件在環仿真測試中，系統用數學模型來代替，控制器使用實物，系統模型和控制器之間的接口要與實際保持一致，在仿真調試完畢后，達到控制器和系統之間的“垂直安裝”或“垂直集成”。控制器在完成硬件在環仿真之后，就可以進入系統集成和測試環節，最后實現初期設計的各項功能和指標。
??? 本文基于Matlab/Simulink RTW 和XPC Real-time Target實時仿真平臺，配合PCI數據采集卡底層軟件的開發和信號調理裝置硬件設計，系統地實現了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺。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測試。
硬件在環實時仿真測試平臺方案設計
??? 硬件在環實時仿真平臺構建了虛擬的整車環境，并基于虛擬的人機交互司機模型，將人作為硬件在環的一個元素引入到實際的仿真測試中，具體結構如圖2所示。兩個基于工業控制計算機的虛擬平臺" title="虛擬平臺">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/Simulink xPC Target實時仿真環境，作用是模擬真實燃料電池客車的運行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機平臺基于Matlab/Simulink RTW Target實時仿真環境，作用是模擬真實燃料電池客車的操控機構，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環境。當兩個計算機虛擬平臺對實際環境進行模擬時，通過數據采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進行處理，從而實現真實的復雜整車環境，直接與整車控制器連接進行仿真測試試驗。并配有基于CAN總線的實時監控裝置，可以全過程實時地監控仿真測試試驗。
硬件在環實時仿真測試平臺硬件設計
虛擬平臺硬件設計
??? 虛擬平臺的硬件需要完成計算機模型產生的虛擬信號到真實信號的轉換，這些信號包括數字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發動機啟動開關信號屬于數字信號，電機轉速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網絡進行傳送。
??? 虛擬平臺的數字信號和模擬信號通過PCI接口的數據采集卡實現與真實世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅動程序，可以直接用于實時仿真。對于部分不支持Matlab實時仿真環境的數據采集卡， 可以采用Matlab/Simulink環境下的S函數編寫，并在Matlab環境下調用動態鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅動程序，因此采用S函數進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入/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。
??? 虛擬平臺產生或接收的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擴展協議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。
信號調理器硬件設計
??? 由于燃料電池客車上的信號比較復雜，數字信號有24V、12V和5V等不同的驅動電平和驅動方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅動功率的不同需求。而從虛擬平臺經過數據采集卡輸出的信號比較單一，故經過信號調理器對信號進行調理后，才能夠完全再現燃料電池客車上的真實控制接口，直接與整車控制器連接進行仿真測試。
??? 如圖2所示，虛擬平臺產生或接收的數字模擬信號通過PCI總線與數據采集卡相連。數據采集卡與可配置的信號調理器之間通過專用的數據線進行數據交換，經過可配置的信號調理器對信號進行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換后，輸出信號完全符合實際整車信號規范，并采用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現對整車控制器的無縫連接。通過調整可配置信號調理器的配置方式，可以實現各種車輛的不同信號規范。信號調理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯合工作，可以根據用戶的需要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。
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硬件在環實時仿真測試平臺軟件設計
虛擬整車平臺軟件設計
虛擬司機平臺軟件設計
??? 虛擬司機平臺實現了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環境。除了駕駛加速信號由測試人員通過踏板輸入外，其余整車啟停開關、燃料電池開關、電機轉速表、車速表、水溫報警等控制開關和儀表均由虛擬司機平臺實現。整個模型基于Matlab/Simulink RTW Target 實時仿真環境實現，并利用Matlab Gauges工具箱實現了整車儀表顯示和控制開關輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監控數據的儀表開發工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發出虛擬車用儀表系統。虛擬司機仿真模型同樣通過PCI數據采集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。
實時性能分析
??? Matlab/Simulink為實時仿真提供了很好的軟件環境。Real-Time Workshop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境，包括Matlab工具箱RTW Target、xPC Target以及第三方軟件，如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來構建虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。
??? 整車虛擬平臺承擔再現真實燃料電池汽車運行的任務，是整個測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車結構復雜、控制對象較多，為了真實再現整車運行情況，系統各部件模型除了需要滿足精度要求外，還必須嚴格滿足實時性的要求。整車虛擬平臺采用的xPC Target實時仿真環境采用目標機和宿主機的結構，由Matlab生成的實時內核通過軟驅或者USB閃存獨立運行在目標機上，直接調用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，能夠實現嚴格的系統實時仿真。
虛擬司機平臺采用的RTW Target實時內核直接運行在Matlab/Simulink環境中，在同一臺PC機上就能夠迅速實現系統的實時仿真。其缺點是由于整個系統在Windows系統下運行，實時內核不能完全占有PC機操作系統資源，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RTW Target實時仿真環境能夠滿足這一要求。
實時仿真信號定義
??? 虛擬整車平臺、虛擬司機平臺的信號定義如表1、表2所示，與目標燃料電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺定義了燃料電池汽車各部件控制器CAN網絡節點協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，并定義了一個數據采集CAN節點。虛擬整車平臺與虛擬司機平臺除了車速信號、CAN網絡信號的聯系，其他所有信號均是與整車控制器交互。
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實驗分析
??? 利用仿真測試平臺可以對燃料電池整車控制器進行軟硬件實時在環測試。將整車控制器通過信號調理裝置與仿真測試平臺按照實時仿真信號定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，即可用于測試。
??? 該燃料電池汽車硬件在環實時仿真平臺已經成功地應用于“十五”燃料電池城市客車電控單元的開發。在控制器上車前即可對整車控制器數字、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。配合快速原型開發工具dSPACE可以完整地實現快速原型開發整車控制器測試流程，如圖3所示。
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??? 基于本仿真測試平臺的試驗除了待測整車控制器為實際車用控制器以外，所有的測試環境均為仿真測試平臺虛擬真實環境得到，并且從控制器角度上看與整車真實環境完全一致，從而實現了低成本地、便捷地、快速地對整車控制器進行各種測試，不但提高了整車控制器的開發效率，也完善了整車控制器上車前的必要測試過程，降低了整車控制器進行實車試驗的風險及成本。該平臺具有通用性，可以根據需要進行不同的仿真測試，并不局限于整車控制器的開發，具有廣泛的應用前景。
??? 整車控制器經過仿真平臺的反復測試后將進行實際的實車試驗，而從試驗中獲得的各部件數據又為仿真模型的進一步精確化匹配標定提供了條件，從而使仿真平臺更符合實際。
參考文獻
[1] 程夕明，徐梁飛，何彬，等.串聯混合電動車輛動力系統的實時仿真[J].系統仿真學報，2004，16(7)：1467-1471.
[2] 何彬，華劍鋒，章健勇，等.燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺研究[J].系統仿真學報，2005，17(7)：1694-1698.
[3] 張勇，殷承良，熊偉威.基于Matlab的車輛動力學控制交互式硬件在環仿真系統研究[J].機械科學與技術，2006，25(7).
[4] 秦大同，楊陽，詹迅，等.ISG混合動力再生制動系統硬件在環仿真[J].重慶大學學報（自然科學版），2006，29(3)
[5] 王永庭，張付軍，李長文.基于dSPACE的柴油機ECU硬件在環仿真平臺[J].系統仿真學報，2006，17(2)：41-44.
[6] Mathworks Inc.Matlab xPC Target?Help.
[7] Mathworks Inc. Matlab RTW Target?Help.
[8] 余志生.汽車理論(第二版)[M].北京：機械工業出版社，1997.