基于快速原型集成網(wǎng)關(guān)功能的汽車車身控制器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

李洪雷，王梓

（華晨汽車工程研究院電氣部，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

隨著家用轎車在國(guó)內(nèi)的不斷普及，汽車電子集成程度也越來(lái)越高，對(duì)于汽車自身而言，不斷增加的電子控制器模塊之間的通訊已經(jīng)不能通過(guò)簡(jiǎn)單的物理硬線連接實(shí)現(xiàn)，基于此背景，汽車 CAN總線技術(shù)得以深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用。單獨(dú)的汽車網(wǎng)關(guān)控制器，功能單一，但是開(kāi)發(fā)成本并不低，而且網(wǎng)關(guān)的功能必不可少，所以從節(jié)約成本的角度出發(fā)，考慮將此功能集成到其它功能相對(duì)簡(jiǎn)單，控制器利用率不高的控制單元上成為了一種必然的趨勢(shì)。

為了滿足人們對(duì)方便性和舒適性要求的不斷提升，各種電動(dòng)控制功能便應(yīng)運(yùn)而生，如電動(dòng)車窗控制功能、智能雨刮控制功能、電動(dòng)座椅通風(fēng)和加熱功能等[1]。這些功能的控制邏輯并不復(fù)雜，但是卻是直接與乘客和駕駛員的感觀體驗(yàn)相關(guān)，任何不適當(dāng)?shù)牟僮鬟壿嫸伎赡茉斐深櫩蛯?duì)汽車的不良評(píng)價(jià)，長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，可能影響汽車在市場(chǎng)中的地位[2]。與此同時(shí)，不同的車廠的車身控制器的控制邏輯不同，即便是同一廠家，不同平臺(tái)控制邏輯也不盡相同，為了滿足開(kāi)發(fā)需要，車廠只能不斷反復(fù)開(kāi)發(fā)，直接導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，研發(fā)成本高，且存在編程錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，首先將網(wǎng)關(guān)功能和車身控制器功能集成到一個(gè)控制器上，統(tǒng)稱為車身控制器，然后，將基于模型的開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用到車身控制器的開(kāi)發(fā)上，解決反復(fù)開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，同時(shí)利用基于模型開(kāi)發(fā)技術(shù)還可以增加對(duì)軟件質(zhì)量的把控能力，加快開(kāi)發(fā)流程，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 汽車CAN總線介紹

電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)致汽車能力提升的需求不斷加大，這一電氣集成化的必然趨勢(shì)，使原有硬線通訊技術(shù)無(wú)法適應(yīng)汽車技術(shù)發(fā)展的方向，因此20世紀(jì) 80 年代末，德國(guó)博世公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測(cè)試儀器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN，并使其成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)[3]。 CAN總線技術(shù)的出現(xiàn)最終導(dǎo)致了車身控制網(wǎng)絡(luò)的智能化[4]。與傳統(tǒng)硬線不同，CAN總線技術(shù)可靠性高、易于維護(hù)，同時(shí)極大的降低線束的數(shù)量和線束的容積，對(duì)整車輕量化有很大幫助[5]。除此之外，最大的優(yōu)點(diǎn)還在于系統(tǒng)的靈活性，功能的更改不需要通過(guò)硬線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)[6]。

2 dSPACE快速原型產(chǎn)品介紹

快速原型產(chǎn)品選用的是 dSPACE的 MicroAutoBoxII 。此硬件系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于它將強(qiáng)大的性能、全面的汽車I/O 接口、極其緊湊而穩(wěn)健的設(shè)計(jì)（符合 ISO 16750-3：2007極端沖擊與振動(dòng)測(cè)試）以及合理的價(jià)格集于一身[7]。這些特點(diǎn)是選擇此快速原型產(chǎn)品的依據(jù)，同時(shí)快速原型產(chǎn)品在汽車行業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，能夠優(yōu)化開(kāi)發(fā)流程，規(guī)范程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的使用，通過(guò)良好的硬件系統(tǒng)免除硬件開(kāi)發(fā)的時(shí)間成本和風(fēng)險(xiǎn)成本，極大的提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，具有良好的先期驗(yàn)證功能同時(shí)滿足后期頻繁更改的要求。

3 車身控制器總體設(shè)計(jì)方案

3.1 車身控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

車身控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)用到的資料、算法開(kāi)發(fā)軟件、集成測(cè)試硬件以及測(cè)試系統(tǒng)之間相互關(guān)系如圖1所示。其中功能規(guī)范的作用是對(duì)控制器所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行定義，是開(kāi)發(fā)的起始點(diǎn)。不同車型功能規(guī)范會(huì)有所不同，但是區(qū)別不會(huì)特別大。算法開(kāi)發(fā)采用的是Simulink和dSPACE的RTI，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，更改程序會(huì)相當(dāng)方便，算法開(kāi)發(fā)完成后，直接下載到快速原型的硬件新產(chǎn)品進(jìn)行臺(tái)架和整車測(cè)試，使用的測(cè)試工具為CANoe。如此一來(lái)，各模塊之間組成了一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，一旦平臺(tái)測(cè)試通過(guò)，后續(xù)再次開(kāi)發(fā)時(shí)，只需按照功能規(guī)范的要求進(jìn)行少量算法調(diào)整即可，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

圖1 車身控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)原理圖

3.2 車身控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是集成網(wǎng)關(guān)功能的車身控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本文中設(shè)計(jì)控制的網(wǎng)關(guān)功能模塊包含高速CAN和低速CAN。其中高速CAN為汽車動(dòng)力CAN，掛載對(duì)事關(guān)安全，對(duì)通訊速度要求高的控制器。主要有發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（EMS）、安全氣囊控制系統(tǒng)（ABAG）、剎車防抱死系統(tǒng)（ABS）、車身動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）、巡航速度控制系統(tǒng)（STE）。低速CAN為汽車車身CAN，掛載對(duì)速度要求不高的，事關(guān)車身舒適性的控制器，電控單元主要有組合儀表控制系統(tǒng)（IPC），空調(diào)控制器（CCU），多媒體控制系統(tǒng)（MHU）。

車身控制功能主要是對(duì)各種輸入信號(hào)（包括數(shù)字開(kāi)關(guān)量、模擬量、脈沖信號(hào)等），以及各種燈具（包括轉(zhuǎn)向燈、位置燈、室內(nèi)燈、遠(yuǎn)近光燈、超車燈、前后霧燈、制動(dòng)燈等）信號(hào)的采集、遙控電動(dòng)門鎖、雨刮器、車窗等控制信號(hào)的采集。在各種信號(hào)采集成功后，通過(guò)功能規(guī)范設(shè)計(jì)的控制邏輯做出判斷后，輸出控制信號(hào)到功率放大模塊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器、蜂鳴器、燈具、電機(jī)等。

圖2 車身控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 控制算法設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，本節(jié)利用Matlab的simulink和stateflow模塊以及dSPACE的RTI模塊進(jìn)行車身控制器的控制算法開(kāi)發(fā)。

圖3為車身控制器算法模型，總體分為兩部分，Message Center部分負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)功能，BodyControlLogic部分負(fù)責(zé)車身控制邏輯算法部分。

圖3 車身控制器算法模型

圖4為車身CAN發(fā)送模塊內(nèi)部部分程序截圖，實(shí)現(xiàn)安全氣囊相關(guān)信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖4 車身CAN發(fā)送模塊部分程序截圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

程序設(shè)計(jì)完成之后，由測(cè)試人員和開(kāi)發(fā)人員共同進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，共分三步進(jìn)行：第一步由程序開(kāi)發(fā)人員利用simulink 的調(diào)試功能進(jìn)行調(diào)試，然后利用 ControlDesk測(cè)試系統(tǒng)基本的通信功能。這一階段是白盒測(cè)試的范疇。第二步為臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試組人員根據(jù)功能規(guī)范編寫測(cè)試用例，然后在臺(tái)架上進(jìn)行整體測(cè)試，其它相關(guān)控制器均為實(shí)際控制器，模擬車輛各種工況進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。此階段測(cè)試屬于黑盒測(cè)試的范疇。測(cè)試臺(tái)架如圖5所示。第三步為實(shí)車測(cè)試，此時(shí)，控制器的功能基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，接入實(shí)車進(jìn)行測(cè)試和修正，最終通過(guò)此測(cè)試的程序便可以下發(fā)給零部件廠商進(jìn)行批量生產(chǎn)。

圖5 測(cè)試臺(tái)架

5 總結(jié)

本文開(kāi)發(fā)的整車控制器集成了網(wǎng)關(guān)功能，同時(shí)利用快速原型產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)，一方面相當(dāng)于兩個(gè)控制器同時(shí)開(kāi)發(fā)，一方面開(kāi)發(fā)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，既節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)又加快了后續(xù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文開(kāi)發(fā)產(chǎn)品最終經(jīng)過(guò)了三重測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了最初功能規(guī)范的相關(guān)要求，驗(yàn)證了程序?qū)嵱眯浴?/p>

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