基于快速原型的新能源汽車網關控制器開發(fā)平臺設計

郭海宇 張曉光

摘 要： 針對縮短新能源汽車網關控制器開發(fā)周期，并利用網關控制器對汽車全局信息的把控能力開發(fā)控制算法的需求，采用基于模型的嵌入式開發(fā)方法，利用The MathWorks公司的Simulink和Stateflow以及dSPACE公司的快速原型硬件平臺MicroAutoboxII和實時管理軟件Control Desk NG搭建網關控制器開發(fā)平臺，并基于此平臺設計了一款網關控制器軟件。最終通過了臺架測試和整車測試，實驗結果表明，此平臺不僅能夠適應功能需求的頻繁變化，在車輛開發(fā)初期快速響應實驗驗證的需要，同時能夠為后續(xù)算法驗證提供平臺，具有很好的延展性。

關鍵詞： 電動車網關； 基于模型的設計； 快速原型； TargetLink； Simulink； Stateflow

中圖分類號： TN876?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0141?05

Abstract： In order to shorten the development cycle of new energy automobile gateway controller and use the automobile global information control ability of gateway controller to develop the control algorithm， the embedded development method based on model， Simulink and Stateflow made in the MathWorks Company， rapid control prototype hardware platform MicroAutoboxII and real?time management software Control Desk NG made in dSPACE Company are used to establish the development platform of gateway controller. On this basis， a gateway controller software was designed. The bench testing and vehicle testing were accomplished. The experimental results show that the platform can adapt to the frequent change of function requirements， meet the needs of fast response in early development process of vehicle， provide a basis for the subsequent algorithm verification， and has perfect scalability.

Keywords： electric automobile gateway； model?based design； rapid control prototype； Targetlink； Simulink； Stateflow

0 引 言

當今社會普遍面臨著能源枯竭、環(huán)境污染等問題。預計到2020年交通用油占全球石油總消耗的62%以上，因此世界各國都在交通能源轉型上加大了投入力度[1]。新能源汽車具有排放低、綜合能源利用效率高的特點，逐漸成為全球研究的重點方向[2]，電動汽車、混合動力汽車得到了飛速的發(fā)展。開發(fā)新能源汽車控制技術是今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然方向[3]。

隨著電子技術和通信技術的飛速發(fā)展，現如今的汽車電控系統(tǒng)普遍采用現場總線網絡技術。汽車通信方式的改變，解決了由于汽車電控單元不斷增加帶來的線路復雜和線束增加的問題，不僅極大地提高了通信效率，節(jié)約成本，滿足汽車輕量化需求，同時也是汽車通信和控制的一個重要基礎[4]。由于技術不斷創(chuàng)新，汽車網絡具有多協(xié)議并存的發(fā)展趨勢，因此網關將是汽車電子的重要組成部分[5]。

傳統(tǒng)的汽車電子控制單元開發(fā)方式是，汽車廠商向零部件開發(fā)商提出功能需求，然后經過開發(fā)商報價和簽訂開發(fā)協(xié)議，等待開發(fā)商提供樣件，廠商測試，出現問題再向開發(fā)商提出更改需求，如此往復直到產品最終完成。此開發(fā)方式不但開發(fā)周期長、成本高，且汽車廠商對軟件質量把控能力相對較弱。隨著基于模型的軟件開發(fā)技術的不斷成熟，以及快速原型產品的不斷豐富，汽車廠商為了加快產品開發(fā)周期，提高對零部件質量的把控能力，增強自身市場競爭力，越來越多的廠商選擇搭建自己的電子控制單元開發(fā)平臺。

本文選用美國The MathWorks公司的Matlab軟件、德國dSPACE公司的快速原型系統(tǒng)開發(fā)套件、英國Intrepid的Vehicle Spy3和荷蘭NXP公司的MPC5784G進行網關開發(fā)平臺的搭建，并設計一例具有兩路CAN的網關控制器驗證平臺可行性。

1 汽車通信網絡CAN總線

車載控制器局域網（Controller Area Network，CAN）是當前主流的汽車網絡，被廣泛應用于國外汽車的電器網絡中。它解決了現代汽車中不同控制單元以及測試設備之間的實時數據交換。相較于其他車載總線，CAN總線具有高實時性、高可靠性、高靈活性、容易實現和低成本等特點[6]。CAN總線可有效地支持分布式控制和實時控制，多主方式工作，網絡上任何一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從；CAN節(jié)點只需要通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據；CAN總線的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[7]。

2 dSPACE快速原型

dSPACE 實時仿真系統(tǒng)是由德國 dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實現了和 Matlab/Simulink 的無縫連接[8]。

快速控制原型系統(tǒng)是一種在真實環(huán)境中無需手動編程就可非常有效且快速地開發(fā)、優(yōu)化和測試控制策略的方法。RCP可用于檢查并立即改進設計缺陷。借助 dSPACE的實施軟件和實時接口（RTI），可以在 dSPACE硬件上自動運行基于Matlab/Simulink設計的模型。通過使用綜合實驗與測試環(huán)境ControlDeskNG，可在運行期間使用圖形控件監(jiān)控程序和調整程序中相關變量。RCP硬件的處理能力和內存空間要比實際產品級電子控制單元（ECU）強大得多，因此幾乎無需考慮任何硬件局限性。dSPACE RCP系統(tǒng)可用作 ECU 的替代品（全通）或擴展（旁路）。dSPACE為控制器開發(fā)和設計提供多種現成的軟件和硬件組件，在汽車ECU開發(fā)中應用來越廣泛[9?11]。因此選用此快速原型產品作為平臺搭建的元素。

3 網關設計

3.1 系統(tǒng)設計

汽車網絡中各種電子控制單元組合成實時控制系統(tǒng)，不同控制器之間通信信息有很強的時效性。除此之外汽車各電子控制單元之間需要進行大量的數據交換，而通信線路信息承載力是有上限的，如若把日益增多的電子控制單元全部掛載在同一條線路上，就很容易出現總線負荷過大，導致系統(tǒng)實時響應速度下降，并產生安全隱患[12]。因此汽車網絡需要根據電子控制單元要求的實時性和數據量進行分析，將不同的控制器進行分組，掛載在不同的線路上，這些線路可以是Flexray，CAN，MOST，LIN等[13]。

本文中網關控制器設計以某車型CAN網絡為例，網絡分為動力CAN和車身CAN。動力CAN上電控單元主要是與電動車動力控制和安全相關的模塊，包括電機控制系統(tǒng)（MCS）、電池管理控制系統(tǒng)（BMS）、整車控制器（VCU）、安全氣囊控制系統(tǒng)（ABAG）、變速箱控制系統(tǒng)（TCU）、電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）、車身動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）、巡航速度控制系統(tǒng)（STE）。車身CAN上電控單元主要有組合儀表控制系統(tǒng)（IPC），車身控制系統(tǒng)（BCM），多媒體控制系統(tǒng)（MMC）。車身動力CAN對于信息時效性有較高的要求，因此設置為高速CAN，而車身CAN則可設置為低速CAN。整車汽車電子系統(tǒng)的通信網絡拓撲結構如圖1所示。

3.2 仿真系統(tǒng)設計

在綜合分析網關DBC文件和功能需求之后，利用 dSPACE的實施軟件和實時接口，結合Matlab/Simulink和Stateflow進行網關模型的搭建。以層次化建模為指導思想，根據內容不同，將網關分為5個模塊：中斷處理模塊，Stateflow信息處理模塊，ECU超時檢測模塊，動力CAN收發(fā)模塊，車身CAN收發(fā)模塊。其中中斷處理模塊主要負責處理各ECU CAN信息的接收中斷和定時器中斷；Stateflow信息處理模塊是信息處理和加工的核心部分，是網關控制器的大腦，決定信息如何在兩條CAN線路上進行交互。同時也是后續(xù)控制算法開發(fā)的關鍵部分；ECU超時檢測模塊是判斷網絡上控制器是否與線路連接；動力CAN收發(fā)模塊負責動力CAN線上信息的接收和發(fā)送；車身CAN收發(fā)模塊負責車身CAN線上信息的接收和發(fā)送。網關模型如圖2所示。

網關核心的信息處理模塊采用Stateflow進行搭建。Stateflow是集成于Simulink中的圖形化設計與開發(fā)工具，適用于針對事件響應系統(tǒng)進行建模和仿真。所謂事件響應系統(tǒng)是指那些通常利用一些自然語言或者邏輯表達式進行描述的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的動態(tài)變換系統(tǒng)通常利用Simulink的數學表達式、方程等組成的輸入/輸出關系進行建模，而事件響應系統(tǒng)則需要采用Stateflow進行建模。Stateflow和Simulink可以實現無縫連接，創(chuàng)建確定性監(jiān)管控制系統(tǒng)。利用Stateflow可視化的模型和直觀的仿真能力，以清晰、簡潔地反映出復雜動態(tài)邏輯關系[14]。因此網關關鍵部分采用Stateflow進行建模。

依據功能規(guī)范的要求，在電動車處于點火狀態(tài)時動力CAN才處于激活狀態(tài)。此時網關從動力CAN網絡上接收動力信息并轉發(fā)車身網絡上接收到的相關信息，否則動力CAN處于休眠狀態(tài)。車身CAN在ACC時便處于激活狀態(tài)。在各ECU正常的情況下，網關信息發(fā)送方式為周期觸發(fā)。當存在ECU超時的情況或者存在預先定義的事件發(fā)生時，網關對于相關信息采取的發(fā)送方式為快發(fā)機制。所謂的快發(fā)機制即：相關信息在超時或者特定事件發(fā)生時打破預先定義的周期觸發(fā)方式的轉發(fā)周期，采取短間隔多頻次的信息發(fā)送方式。信息重復發(fā)送的周期和次數是按信息重要程度和總線負載率進行設計的。信息處理模塊控制邏輯如圖3所示。

3.3 程序監(jiān)控和測試

本節(jié)利用ControlDesk對程序進行調試。ControlDesk是dSPACE公司針對快速原型和硬件在環(huán)測試開發(fā)的綜合試驗和測試軟件工具，提供對試驗過程的綜合管理，可實現對實時硬件的可視化管理，變量的可視化管理，參數的可視化管理，試驗過程的自動化等[8]。

首先通過Matlab將電動汽車網關模型編譯生成SFD格式的文件。然后利用ControlDesk把生成的文件下載到快速原型硬件平臺MicroAutoBoxⅡ，進行在線調試。為了實現對程序監(jiān)控和測試，通過ControlDesk搭建網關軟件測試面板。測試面板大體可分為4個部分：超時顯示部分，用來顯示哪個ECU的信息接收超時；參數設置部分，用來在線調整程序中的參數，不再需要頻繁的修改模型、編譯和下載，此模塊對于程序調試優(yōu)勢明顯、效果顯著；自由變量測試部分，此部分是獨立于程序的變量，用來調試程序；示波器顯示部分，可用來顯示CAN信息接收和發(fā)送狀態(tài)，顯示效果直觀明朗。網關程序測試上位機界面如圖4所示。

4 產品級代碼生成和硬件平臺選擇

TargetLink自動代碼生成工具是dSPACE公司配合快速原型產品開發(fā)的套件，它可以方便快捷地將Simulink和Stateflow設計的控制策略生成產品級C代碼。由TargetLink生成的代碼和手工代碼相比，生成速度快、可靠性高、易讀性好、易于理解和維護，能夠適應多種微處理器和編譯器[15]。

利用TargetLink對Matlab模型進行代碼轉化之前，必須先把Simulink模型轉化成TargetLink模型，之后對TargetLink模型進行變量定標和仿真設置。在代碼轉化之前還要對TargetLink模型進行三個層次的仿真：第一階段是Simulink仿真，目的是驗證模型正確性，記錄參考數據，為定標和溢出提供數據依據；第二階段是軟件在環(huán)仿真，實質是在PC上仿真TargetLink生成的代碼，驗證代碼正確性，定量分析生成定點代碼對算法的影響；第三階段是處理器在環(huán)仿真，實質是在目標板上仿真TargetLink生成的代碼，目的是確定執(zhí)行時間，評估RAM＼ROM堆棧利用情況，最終核對代碼[16?17]。

恩智浦（NXP）的MPC57xx采用Power Architecture?技術，是面向汽車和工業(yè)應用的超高可靠性32位MCU。該系列芯片可實現低端到高端產品的軟件和硬件均兼容，采用高密度浮柵技術實現的嵌入式閃存，輕松達到功能安全標準，如ISO 26262 ASIL?D級安全完整性的要求。多種片上冗余和安全選項，例如延遲鎖步內核、DMA控制器、存儲器保護單元、故障采集和控制單元，同時具有Power Architecture?工具和軟件生態(tài)合作體系的完美支持。

本平臺主芯片選用MPC5748G，主頻高達160 MHz，支持單精度浮點運算，8 KB指令緩存和4 KB數據緩存，支持可變長度編碼（VLE）提高代碼密度，內存高達6 MB FLASH，768 KB RAM，外設資源豐富，支持Ethernet，FlexRay，MOST，CAN，LIN。 硬件選用恩智浦（NXP）的TMPC574XG?MB評估板用于網關模塊。該評估系統(tǒng)支持用戶對CPU進行完全訪問，包括CPU的所有I/O信號和主板外設。

5 實驗驗證

TargetLink 生成的代碼不是一個完整的控制程序，還需將ECU的驅動程序、中斷程序等進行整合、編譯和調試，然后才能下載到MPC5748G評估板中。利用NXP的開發(fā)環(huán)境S32 Design Studio IDE和P&E;的Cyclone Universal完成ECU控制程序的生成與調試。

實驗驗證分為三個階段。第一階段為離線測試，利用ControlDesk編寫的上位機程序和Vehicle Spy對模型生成的SDF格式的軟件進行在線測試和調整，確保能夠實現功能規(guī)范中的要求，并根據實驗結果對模型進行修正和完善。此階段測試主要由程序開發(fā)人員進行，屬于白盒測試的范疇。圖5為網關測試圖。第二階段為臺架測試，由測試組專業(yè)人員根據功能規(guī)范生成測試用例，然后根據測試用例進行逐條測試。臺架上控制系統(tǒng)接收和轉發(fā)的信息為真實ECU產生的信息。由于測試人員對程序不了解，此階段測試屬于黑盒測試的范疇。第三階段為實車測試，將生成的產品接入到實車中進行測試和驗證，通過此測試的程序便可以下發(fā)給零部件廠商進行批量生產。

6 結 語

本文將Matlab，dSPACE RCP，TargetLink，ControlDesk，Vehicle Spy和MPC5748G有機結合成一個高效的電動汽車網關開發(fā)平臺，并利用平臺高效快速地開發(fā)了一款可實際應用的網關程序，最終通過三個階段測試，驗證了程序實用性。實際操作證明，開發(fā)平臺具有如下優(yōu)勢：

1） 開發(fā)人員可以將工作重心轉移到控制策略的開發(fā)，減少手工代碼編寫所需的時間，提高了工作效率。

2） 控制系統(tǒng)的設計基于模型，相較于代碼，模型更直觀，易于理解，設計和擴展更方便，同時由模型生成的代碼具有更高的可讀性，適合團隊開發(fā)。

3） 汽車生產廠商內部開發(fā)控制程序，具有完善的測試環(huán)境，開發(fā)人員和測試人員無縫對接，高效的信息溝通，問題反饋及時，極大地縮短產品開發(fā)周期，同時這種量身定做的程序可以更好地滿足自身的需求，使產品具有延續(xù)性，加快開發(fā)速度同時極大地節(jié)約開發(fā)成本。

4） 利用網關對汽車總體信息的把控能力，可以用于開發(fā)控制策略，滿足汽車廠商對于第三方零部件功能的驗證需求。

參考文獻

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