基于MATLAB的AMT換擋手柄控制軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*

蘭海龍，李 萍，彭一濤，李 澤

(中國(guó)重汽集團(tuán) 大同齒輪有限公司,山西 大同 037305)

0 引言

機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automatic Mechanical Transmission, AMT)作為一種自動(dòng)變速器，能夠顯著降低司機(jī)的駕駛疲勞強(qiáng)度，且具有高可靠性和燃油經(jīng)濟(jì)性，在重卡市場(chǎng)的占有率越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的機(jī)械式換擋手柄由于其采用的是硬線直連方式，已經(jīng)無(wú)法適用于搭載AMT變速器的重卡，因此需要開(kāi)發(fā)一款搭載電子控制單元(ECU)的帶擋桿的可替代換擋手柄，同時(shí)兼顧司機(jī)的駕駛習(xí)慣[1,2]。

AMT換擋手柄的驅(qū)動(dòng)核心是控制軟件[3]。傳統(tǒng)的控制軟件開(kāi)發(fā)采用手寫代碼的形式，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；MATLAB的Simulink是基于方塊圖的模型化的軟件代碼開(kāi)發(fā)工具[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制邏輯的開(kāi)發(fā)，而利用MATLAB平臺(tái)自動(dòng)生成代碼能極大地縮短代碼開(kāi)發(fā)周期，且自動(dòng)生成代碼的運(yùn)行效率不低于手工代碼的10%，內(nèi)存占用率不超過(guò)手工代碼的10%[5]，MATLAB平臺(tái)使得AMT換擋手柄的控制軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單易行，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

1 AMT換擋手柄控制系統(tǒng)

換擋手柄軟件系統(tǒng)的主要功能是：實(shí)時(shí)接收按鍵硬件信號(hào)和整車CAN通信信息，綜合分析各輸入信息，判斷出司機(jī)的真實(shí)駕駛意圖并發(fā)出換擋請(qǐng)求指令，通過(guò)CAN通信模塊通知TCU進(jìn)行換擋操作；實(shí)時(shí)對(duì)手柄按鍵硬件和CAN收發(fā)器硬件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，如果發(fā)現(xiàn)硬件功能異常，則通過(guò)蜂鳴器、顯示燈或儀表信息提示，通知駕駛員手柄硬件功能異常，同時(shí)手柄軟件自動(dòng)進(jìn)入安全保護(hù)模式[6]。按照功能定義將換擋手柄軟件系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樾盘?hào)處理模塊、駕駛意圖識(shí)別模塊、故障診斷模塊和CAN通信模塊，換擋手柄應(yīng)用軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 換擋手柄應(yīng)用軟件架構(gòu)

2 換擋手柄應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

在MATLAB環(huán)境中搭建換擋手柄軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，按照系統(tǒng)定義的功能模塊劃分對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的軟件開(kāi)發(fā)工作。按照軟件開(kāi)發(fā)“高內(nèi)聚低耦合”的代碼封裝原則，從軟件邏輯角度對(duì)系統(tǒng)功能劃分進(jìn)行了適當(dāng)更改，將信號(hào)處理模塊詳細(xì)劃分為輸入信號(hào)處理模塊和輸出信號(hào)處理模塊，并將故障診斷模塊并入了輸出信號(hào)處理模塊；將CAN通信模塊分為CAN通信輸入模塊和CAN通信輸出模塊，分別并入了輸入信號(hào)處理模塊和輸出信號(hào)處理模塊；將駕駛意圖識(shí)別模塊劃分為控制系統(tǒng)監(jiān)控模塊、整車狀態(tài)識(shí)別模塊和換擋請(qǐng)求計(jì)算模塊。開(kāi)發(fā)完成后的應(yīng)用軟件代碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)用軟件代碼結(jié)構(gòu)

輸入信號(hào)處理模塊的功能為：①對(duì)接收到的CAN信號(hào)進(jìn)行分類解析；②識(shí)別司機(jī)按鍵和擋桿位置信號(hào)，并依照識(shí)別的按鍵信號(hào)類型和AMT反饋狀態(tài)，識(shí)別出模式切換請(qǐng)求，如經(jīng)濟(jì)/動(dòng)力模式、A/M模式、高/低擋切換請(qǐng)求等；實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)鯒U位置信號(hào)狀態(tài)變化，并依次識(shí)別出司機(jī)換擋請(qǐng)求。

輸出信號(hào)處理模塊的功能為：①對(duì)需要輸出到整車CAN環(huán)境的信號(hào)進(jìn)行綜合處理校驗(yàn)；②實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地向儀表播報(bào)換擋系統(tǒng)狀態(tài)信息；③借助于手柄集成的蜂鳴器，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反饋手柄工作狀態(tài)，以提示司機(jī)。

控制系統(tǒng)監(jiān)控模塊的功能為：識(shí)別并區(qū)分換擋手柄控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如上下電、正常/故障工作模式等，作為換擋系統(tǒng)工作模式切換的總協(xié)調(diào)。

整車狀態(tài)識(shí)別模塊的功能為：識(shí)別出當(dāng)前AMT整車狀態(tài)，如靜止與否、前進(jìn)還是倒車；輔助換擋手柄系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別出整車狀態(tài)，并作為軟件系統(tǒng)模式切換的輸入信息等。

換擋請(qǐng)求計(jì)算模塊的功能為：綜合系統(tǒng)輸入，控制系統(tǒng)狀態(tài)、整車狀態(tài)和按鍵/擋桿的物理狀態(tài)，并在考慮了控制系統(tǒng)模式、節(jié)油、安全性等因素后，準(zhǔn)確地計(jì)算出司機(jī)的換擋請(qǐng)求。

3 手柄軟硬件集成與整車集成調(diào)試驗(yàn)證

3.1 手柄軟硬件集成調(diào)試

手柄軟硬件集成的主要工作是將開(kāi)發(fā)完成后的手柄系統(tǒng)軟件經(jīng)過(guò)編譯器編譯生成目標(biāo)文件，利用刷寫工具將目標(biāo)文件刷寫到手柄控制單元ECU中。刷寫完成后，在辦公室搭建簡(jiǎn)單的測(cè)試環(huán)境，利用Vector CAN工具進(jìn)行基本的手柄功能邏輯驗(yàn)證，例如，移動(dòng)擋桿進(jìn)行換擋請(qǐng)求操作，觀測(cè)擋位請(qǐng)求信號(hào)與當(dāng)前擋桿位置是否一致，CAN信號(hào)是否正常接收或發(fā)出，發(fā)出的CAN信號(hào)是否與軟件計(jì)算的信息一致等。CAN工具采集的部分測(cè)試信號(hào)如圖3所示。

圖3 CAN工具采集的部分測(cè)試信號(hào)

3.2 整車集成調(diào)試與功能驗(yàn)證

整車集成調(diào)試的主要工作是：將軟硬件集成完成后的換擋手柄安裝到AMT整車的預(yù)留位置上，連接好線束接插件，發(fā)動(dòng)機(jī)打火后，利用Vector CAN工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)并觀察整車儀表盤顯示，進(jìn)一步檢查確認(rèn)手柄接收到CAN信號(hào)及按鍵信號(hào)是否正確，手柄發(fā)出的CAN信號(hào)和換擋請(qǐng)求信號(hào)是否被整車AMT和儀表控制單元正確地接收到，如果不一致，則排查該信號(hào)涉及到的線束是否連接正確或軟件功能邏輯是否合理，所有信號(hào)檢查確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行手柄軟件功能在整車上的驗(yàn)證測(cè)試。

手柄軟件功能在整車上的驗(yàn)證應(yīng)依據(jù)軟件系統(tǒng)定義時(shí)各子功能模塊的需求定義逐一進(jìn)行，主要包括：靜止和行駛狀態(tài)下?lián)Q擋請(qǐng)求是否能夠被AMT正確地接收并掛入正確的檔位；經(jīng)濟(jì)/動(dòng)力模式切換驗(yàn)證；A/M模式切換功能驗(yàn)證；儀表信息顯示與蜂鳴器報(bào)警提示合理性驗(yàn)證、故障模式下的手柄工作模式功能驗(yàn)證。圖4為手柄因故障而進(jìn)入安全工作模式的儀表顯示。

圖4 故障狀態(tài)下的安全工作模式顯示

4 結(jié)論

基于MATLAB平臺(tái)的自動(dòng)代碼生成工具使得控制系統(tǒng)軟件代碼的開(kāi)發(fā)過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)。本文依據(jù)適用于AMT變速器的電子式換擋手柄的控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)需求定義，基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)了該手柄控制軟件，實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果表明：所開(kāi)發(fā)的控制軟件實(shí)現(xiàn)了擋位信號(hào)在換擋手柄與AMT變速器和整車儀表之間的實(shí)時(shí)可靠通信，并成功地實(shí)現(xiàn)了司機(jī)的換擋意圖。