整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊志軍，楊世文，南金瑞，祝麗（.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 0005；.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 0008；.北京睿日車心科技有限公司，北京 0008）

整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊志軍1，楊世文1，南金瑞2，祝麗3
（1.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.北京睿日車心科技有限公司，北京 100081）

摘 要：在整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試軟件是必不可少的一部分。針對(duì)整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境及要求，采用LabVIEW為開(kāi)發(fā)工具，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一款動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試軟件，討論了軟件的設(shè)計(jì)方案、總體結(jié)構(gòu)、各模塊的設(shè)計(jì)。主要功能包括參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的通信、數(shù)據(jù)的分析與處理、數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)的保存回放及打印。在測(cè)試系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，控制測(cè)試系統(tǒng)并保存數(shù)據(jù)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，驗(yàn)證了測(cè)試軟件精確性及可靠性。

關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；測(cè)試軟件；LabVIEW

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.037

CLC NO.: TP311 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-101-03

引言

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能是電動(dòng)汽車性能的重要因素之一，是電動(dòng)汽車的核心部分。對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的測(cè)試逐漸受到國(guó)內(nèi)各汽車生產(chǎn)商的重視[1]。為了減輕傳統(tǒng)測(cè)試的勞動(dòng)強(qiáng)度以及提高測(cè)試的自動(dòng)化程度和精度，為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款測(cè)試軟件成為必要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試和儀器控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。LabVIEW是圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境語(yǔ)言，又稱G語(yǔ)言，結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，以及專為測(cè)試測(cè)量與自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能模塊及其配置功能，為數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示提供必要的開(kāi)發(fā)工具[2-3]。本文基于CAN總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件。

1、總體方案設(shè)計(jì)

軟件基于美國(guó)NI公司的虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，CAN總線接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，測(cè)試系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡獲取子系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給測(cè)試軟件集中分析與處理。測(cè)試軟件經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的分析，將數(shù)據(jù)顯示在狀態(tài)界面，試驗(yàn)人員獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息并與期望的目標(biāo)狀態(tài)相對(duì)比，校正自己的試驗(yàn)行為，使測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)狀態(tài)下，從而形成實(shí)驗(yàn)人員在環(huán)的閉環(huán)控制，如圖1：

根據(jù)整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳遞速度及精確性的測(cè)試需求，又由于被測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與測(cè)試臺(tái)的硬件不同，CAN通信的波特率不一定相同，所以要用雙CAN分別與兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信。CAN卡采用瑞典Kvaser公司的Kvaser Memorator Professional HS/HS雙通道高速CAN卡，可以高速收發(fā)信息，使信息傳遞更快更精確。通道1作為模擬駕駛控制信號(hào)以及接收被測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)信息的通道；通道2用來(lái)控制負(fù)載加載量以及接收負(fù)載狀態(tài)信息的信息通道。軟件需要設(shè)計(jì)如下幾個(gè)模塊：模擬駕駛模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊、負(fù)載控制模塊、數(shù)據(jù)保存及打印模塊。并能夠用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)通過(guò)USB接口與CAN卡通信。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

經(jīng)過(guò)以上對(duì)軟件結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，軟件操作流程如圖3所示：

2、通信模塊

LabVIEW是一款開(kāi)放式的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供了強(qiáng)大的外部程序接口功能，這些接口包括DLL、C語(yǔ)言、ActiveX、.NET、DDB、MATLAB等[4]。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是一個(gè)可以多方共享的程序模塊，內(nèi)部對(duì)共享的資源進(jìn)行了封裝。軟件中使用了瑞典Kvaser公司提供的適用于Kvaser硬件的多個(gè)子VI，利用這些子VI建立連接模塊，通過(guò)一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)，完成對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)、測(cè)量參數(shù)的設(shè)定以及數(shù)據(jù)的采集。Kvaser公司針對(duì)自己的CAN卡設(shè)備利用VC++編制DLL模塊，并封裝成VI方便用戶的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)LabVIEW 與CAN卡設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。圖4為調(diào)用canlib32.dll的canOpenChannel函數(shù)的程序框圖。

3、負(fù)載控制模塊

負(fù)載的大小是根據(jù)接收到的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)而確定，根據(jù)汽車行駛阻力方程計(jì)算得出需要的轉(zhuǎn)矩，以報(bào)文的形式通過(guò)CAN總線傳輸給負(fù)載電機(jī)，使負(fù)載電機(jī)模擬出汽車行駛阻力。汽車行駛阻力公式為[5]：

式中，f為空氣密度；i為坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；r為車輪半徑；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

負(fù)載功率是由消耗型負(fù)載PTC以熱量的形式消耗掉，每個(gè)PTC的功率為0.5KW，總共80個(gè)PTC。當(dāng)控制負(fù)載電機(jī)的同時(shí)，加載相應(yīng)數(shù)量的PTC，使負(fù)載電機(jī)發(fā)出的功率被PTC消耗，起到模擬汽車行駛阻力的作用。根據(jù)通信協(xié)議將需要加載PTC數(shù)量的報(bào)文傳遞給PTC控制器，PTC控制器接收到報(bào)文后解析并控制PTC的加載數(shù)量。圖5為軟件分析行駛阻力并將PTC控制信息發(fā)出的程序。

4、狀態(tài)顯示模塊

測(cè)試系統(tǒng)中使用的CAN網(wǎng)絡(luò)遵循SAE J1939協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層遵循CAN2.0B規(guī)范，并使用擴(kuò)展幀進(jìn)行通信。擴(kuò)展幀格式里，仲裁場(chǎng)包括29位識(shí)別符、SRR位、IDE位、RTR位。識(shí)別符由ID-28…ID-0。擴(kuò)展幀格式如圖6所示：

軟件根據(jù)擴(kuò)展幀格式識(shí)別報(bào)文中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)解析，然后將解析后的數(shù)據(jù)通過(guò)前面板的顯示控件顯示出來(lái)。LabVIEW中的控件可以自定義，根據(jù)自己的需要將控件設(shè)置成需要的效果，使界面更美觀。圖7為軟件的一部分顯示界面：

5、數(shù)據(jù)的保存

文件操作與管理是測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)輸入、系統(tǒng)管理都離不開(kāi)文件的建立、操作和維護(hù)[6]。通過(guò)軟件將采集到的系統(tǒng)狀態(tài)保存到數(shù)據(jù)文件里，方便以后導(dǎo)入分析。對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)量很大，要求快速控制測(cè)試臺(tái)的同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)保存下來(lái)。而且要求文件不能太大，存儲(chǔ)同樣的數(shù)據(jù)量，文件越小越好。LabVIEW為文件的操作與管理提供了高效的VI集，其中TDMS可以很好的實(shí)現(xiàn)以上功能，并且保存的數(shù)據(jù)是分層的，有組和通道兩層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰，方便查看。圖8為整車控制器VCU數(shù)據(jù)記錄的程序。循環(huán)結(jié)構(gòu)外部是打開(kāi)TDMS文件的程序，循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部為數(shù)據(jù)記錄程序。VCU為組名稱，加速踏板、實(shí)時(shí)車速等為通道名稱。

執(zhí)行數(shù)據(jù)保存程序后，數(shù)據(jù)將保存到后綴為tdms文件中。通過(guò)文件對(duì)話框函數(shù)將數(shù)據(jù)文件打開(kāi)，從TDMS文件查看器中查看保存的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以顯示成圖像，方便查看。而且可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至excel格式，以供實(shí)驗(yàn)人員整理與分析。圖9為TDMS文件查看器：

6、結(jié)論

針對(duì)整車動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，具有良好的人機(jī)交互性，可視化程度高；功能強(qiáng)大，可以模擬駕駛、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集顯示以及保存功能；控制精確，保存數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了軟件的穩(wěn)定性、精度高等特點(diǎn)，減輕了工作強(qiáng)度，節(jié)約了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋強(qiáng),王再宙,王志福等.基于虛擬儀器的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2007.28(11):2019-2023．

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Design and Implementation of Test System Software for Dynamic Simulation of Electric Vehicle

Yang Zhijun1, Yang Shiwen1, Nan Jinrui2, Zhu Li3
( 1.School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shaanxi Taiyuan 030051; 2.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081; 3. Beijing RC Technologies Co., Ltd., Beijing 100081)

Abstract:In the test system for dynamic simulation of electric vehicle, test software is essential component. According to environment and requirements of the test system for dynamic simulation of electric vehicle, a TestSoftware for Dynamic Simulation was designed, using LabVIEW development tool and the modular design concept. The overall design scheme, overall structure and each module of software were discussed. The main functions of software conclude parameters setting, collection of data, data communication, analysis and processing of data, data display, data saving, playback and printing. The software was used in test system, controlling test system and saving data. Automation in test process of test system was improved.Accuracy and reliability of test software were verified.

Keywords:test system; test software; LabVIEW

作者簡(jiǎn)介：楊志軍，碩士研究生，就讀于中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院車輛工程系，研究方向?yàn)檐囕v電子與信息技術(shù)。

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-101-03