面向發(fā)動機(jī)臺架測試的整車信號模擬系統(tǒng)

周亞棱，關(guān)靜，王鵬，楊凱

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

目前，國內(nèi)車企對發(fā)動機(jī)進(jìn)行正向開發(fā)時，核心之一是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的積累，通過積累行業(yè)大量先進(jìn)發(fā)動機(jī)即標(biāo)桿機(jī)的各種性能數(shù)據(jù)，掌握其性能所處水平，為在研發(fā)動機(jī)性能目標(biāo)的定義和分解提供參考。因此，獲得標(biāo)桿機(jī)準(zhǔn)確的性能數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

標(biāo)桿機(jī)從整車上拆解得到，再通過發(fā)動機(jī)臺架測試獲得各種性能數(shù)據(jù)。然而，隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)（Engine Control Unit，ECU）與整車其他系統(tǒng)通過信號交互逐漸成為一個整體，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況不同程度地受到整車相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，必須保證相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)鍵信號與發(fā)動機(jī)當(dāng)前狀態(tài)一致，才能使發(fā)動機(jī)正常工作，否則將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)限速或整車故障。由于在臺架測試過程中其他系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，無法提供發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵信號，所以需要進(jìn)行整車信號的模擬。隨著混合動力車型發(fā)動機(jī)對標(biāo)需求的出現(xiàn)，整車信號模擬的難度越來越大，研究并建立一套行之有效的整車信號模擬系統(tǒng)顯得尤為重要。

朱艷芳等提出利用LabVIEW模擬車速信號。張積萬等提出由車速傳感器檢測變速器輸出軸轉(zhuǎn)速的方法模擬車速信號。李恒提出通過車速傳感器檢測調(diào)速電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車速的模擬。以上3種模擬方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，缺點(diǎn)是靈活性不強(qiáng)，易出現(xiàn)整車故障，且只實(shí)現(xiàn)了車速的模擬，無法滿足更多信號的模擬需求。高繼東等提出的信號模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種頻率信號的模擬，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系復(fù)雜的信號模擬，缺點(diǎn)是所有信號都為硬件模擬，對于不同特征的信號通用性不強(qiáng)，硬件成本高，隨著混動發(fā)動機(jī)需求的信號越來越多，該系統(tǒng)將很難滿足要求。

為解決以上問題，本文提出一種信號模擬系統(tǒng)，主要通過網(wǎng)關(guān)模擬整車關(guān)鍵CAN總線信號。該方案模擬的信號更準(zhǔn)確，更易被發(fā)動機(jī)系統(tǒng)認(rèn)可，且系統(tǒng)通用性強(qiáng)，成本低，可顯著縮短試驗(yàn)周期，提高臺架測試效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由信號模擬系統(tǒng)電控單元、信號解析模擬控制上位機(jī)軟件和系統(tǒng)線束3部分構(gòu)成，圖1為系統(tǒng)架構(gòu)與整車電控系統(tǒng)的連接示意圖。其中電控單元集成了專用CAN卡和信號模擬系統(tǒng)，在信號解析時作為專用CAN卡使用，在信號模擬時作為網(wǎng)關(guān)控制和信號模擬使用；上位機(jī)軟件具有CAN總線信號分析，CAN網(wǎng)關(guān)控制和信號模擬控制三大功能；系統(tǒng)線束用于連接系統(tǒng)電控單元硬件、上位機(jī)和整車電控系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作原理

工作原理如圖2所示，首先基于整車CAN總線信號的解析結(jié)果以及系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能，確定整車端對發(fā)動機(jī)運(yùn)行有影響的關(guān)鍵信號；然后在信號模擬系統(tǒng)中根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，按一定策略計(jì)算得出關(guān)鍵信號具體數(shù)值，同時將系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)在整車CAN網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行以驗(yàn)證策略的有效性；最后在臺架試驗(yàn)時，模擬系統(tǒng)用計(jì)算的CAN總線信號值替換實(shí)際值發(fā)送給ECU，同時將硬線信號通過系統(tǒng)模擬輸出。該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)的工況變化做出及時響應(yīng)，可靈活控制整車各控制單元接收的信號值，避免整車系統(tǒng)因模擬信號異常出現(xiàn)故障，同時可覆蓋發(fā)動機(jī)工作范圍內(nèi)的所有測試點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)工作原理

1.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電控單元硬件包括專用CAN卡和信號模擬系統(tǒng)。專用CAN卡支持上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號解析及簡單網(wǎng)關(guān)控制功能。信號模擬系統(tǒng)選用了具有5路CAN通道的飛思卡爾16位微控制器（MC9S12 XEP100）作為MCU，可滿足兩路網(wǎng)關(guān)控制功能，以及與專用CAN卡通訊；外圍電路還包括通用IO輸入、CAN收發(fā)模塊、SCI模塊，以及PWM輸出電路、變速器信號模擬模塊、DA輸出電路等，試驗(yàn)中根據(jù)需求利用硬件可實(shí)現(xiàn)各類硬線信號模擬。

1.4 軟件開發(fā)

（1）上位機(jī)軟件

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和電控單元軟件兩部分。上位機(jī)軟件界面如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)的功能包括：總線信號解析、網(wǎng)關(guān)控制、參數(shù)標(biāo)定等。

圖3 上位機(jī)軟件界面

（2）電控單元軟件

電控單元軟件采用模塊化思想并結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)架，對軟件進(jìn)行規(guī)范化開發(fā)，增強(qiáng)了軟件的可靠性和可移植性，如圖4所示。本系統(tǒng)軟件基于芯片MC9S12XEP100，開發(fā)環(huán)境為CodeWarrior for S12（X）V5.1。整個軟件系統(tǒng)包括硬件抽象層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及操作系統(tǒng)，其中硬件抽象層只與微控制器硬件相關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)硬件的各模塊功能；服務(wù)層是硬件抽象層與應(yīng)用層的接口，主要用于數(shù)據(jù)的傳遞；操作系統(tǒng)分時調(diào)度各功能模塊，并設(shè)置計(jì)時器監(jiān)控各任務(wù)執(zhí)行情況，防止出現(xiàn)超時。

圖4 軟件架構(gòu)

應(yīng)用層軟件包括6個模塊：輸入采集模塊、CCP模塊、參數(shù)標(biāo)定模塊、信號模擬模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和校驗(yàn)算法模塊。其中，輸入采集模塊、CCP模塊、參數(shù)標(biāo)定模塊主要為網(wǎng)關(guān)模擬CAN總線信號提供依據(jù)，以及提高模擬軟件開發(fā)的效率；信號模擬模塊提供硬線信號模擬，包括PWM信號、數(shù)字及模擬信號。下面主要對網(wǎng)關(guān)模塊和校驗(yàn)算法模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）網(wǎng)關(guān)模塊

主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，以及根據(jù)工況修改CAN總線上的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給ECU。與CCP模塊不同，網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)修改是實(shí)時的且自動運(yùn)行完成。

（2）校驗(yàn)算法模塊

為保證CAN總線上數(shù)據(jù)的可靠性，通常整車廠會和零部件供應(yīng)商約定重要信號所在報文的校驗(yàn)算法及校驗(yàn)信息。校驗(yàn)信息是將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過一定算法得到，目的是防止總線數(shù)據(jù)在傳輸中改變或人為篡改的情況，一般為一個字節(jié)。網(wǎng)關(guān)模塊修改整車電控系統(tǒng)信號值的同時需修改相應(yīng)的校驗(yàn)碼，否則接收控制器（如ECU）認(rèn)為相關(guān)信號不可信，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。由此可見，為生成正確的校驗(yàn)碼，首先需要進(jìn)行校驗(yàn)算法的解析。

本系統(tǒng)的校驗(yàn)?zāi)K包括校驗(yàn)算法解析及校驗(yàn)碼生成兩部分，其中校驗(yàn)算法解析主要針對CRC8，可根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)自動解析算法對應(yīng)的初始值、多項(xiàng)式和異或值；校驗(yàn)碼生成適用于所有的校驗(yàn)算法，即修改數(shù)據(jù)后，計(jì)算校驗(yàn)碼替換原有的校驗(yàn)字節(jié)。

就目前研究的國內(nèi)外20余款車型來看，不同品牌車型控制器的校驗(yàn)算法差別較大，同一品牌不同車型的校驗(yàn)算法也會不斷改進(jìn)。表1列出了具有代表性的6款車型的校驗(yàn)算法（定義數(shù)據(jù)幀的8個字節(jié)分別為byte1～byte8），其中車型A和B，車型C和D分別屬于同一品牌的不同車型。從表中可以看出，簡單的算法可通過將傳輸數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算或者取余運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)，如車型E和F的校驗(yàn)算法；稍復(fù)雜的需要經(jīng)過多個計(jì)算步驟實(shí)現(xiàn)，如車型A～D的校驗(yàn)算法。下面對車型A和C兩種校驗(yàn)算法進(jìn)行說明。

表1 校驗(yàn)算法列表

（1）CRC-8校驗(yàn)算法

車型A為CRC-8校驗(yàn)算法，圖5為車輛運(yùn)行過程中某數(shù)據(jù)幀的數(shù)值變化，校驗(yàn)字節(jié)位于第1字節(jié)，第2字節(jié)為丟幀校驗(yàn)碼。該校驗(yàn)字節(jié)的變化特點(diǎn)為：傳輸數(shù)據(jù)的很小改變都會導(dǎo)致校驗(yàn)碼的劇烈波動。通過查閱資料并驗(yàn)證確定該算法為CRC8，計(jì)算第2～8字節(jié)組成的待校驗(yàn)數(shù)組，解析獲得了CRC-8算法的初始值、多項(xiàng)式和異或值，具體解析流程如圖6所示。

圖5 某CRC8校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀數(shù)值變化

圖6 CRC-8校驗(yàn)算法解析流程

（2）校驗(yàn)和算法

車型C采用校驗(yàn)和算法，圖7為某數(shù)據(jù)幀的數(shù)值變化情況，其中第8字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)。該校驗(yàn)字節(jié)的特征為每4個數(shù)據(jù)重復(fù)從小到大的變化趨勢，具體數(shù)值與傳輸數(shù)據(jù)有關(guān)，經(jīng)分析校驗(yàn)算法為：將第1～7字節(jié)按一定校驗(yàn)和計(jì)算得出數(shù)值為0～15的16個數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)值從二維數(shù)組array［16］［4］相應(yīng)行中循環(huán)取值得到對應(yīng)的校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼為check_code，具體算法流程如圖8所示，相鄰兩幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼位于array［16］［4］相鄰列（第4列和第1列也看做相鄰列），若相鄰兩幀校驗(yàn)碼不在相鄰列，則說明出現(xiàn)了丟幀。

圖7 某校驗(yàn)和數(shù)據(jù)幀數(shù)值變化

圖8 車型C校驗(yàn)算法流程

由以上分析可知：車型A的算法通過兩個字節(jié)驗(yàn)證當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的完整性和丟幀情況；而車型C只需1個字節(jié)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀完整性及丟幀情況的驗(yàn)證，為傳輸信息節(jié)省了空間。車型B和D分別在車型A和C的算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。由此可見，隨著校驗(yàn)算法的不斷升級，總線信號的可靠性不斷提高，同時也導(dǎo)致算法解析難度增加。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

在某混動車型的發(fā)動機(jī)對標(biāo)項(xiàng)目中，系統(tǒng)構(gòu)型如圖9所示，對標(biāo)發(fā)動機(jī)的最大功率110 kW，最大轉(zhuǎn)矩250 Nm。分別使用傳統(tǒng)方法與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號模擬并進(jìn)行對比，驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。

圖9 系統(tǒng)構(gòu)型

2.1 傳統(tǒng)模擬方法應(yīng)用

根據(jù)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)對標(biāo)經(jīng)驗(yàn)，并查閱混動車型控制策略相關(guān)資料，確定發(fā)動機(jī)臺架測試需模擬的硬線信號，包括車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器K0狀態(tài)、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速及SOC等。采用傳統(tǒng)模擬方式，首先在不同工況下采集各部件原始信號，再按照原始信號進(jìn)行模擬。該方法的難點(diǎn)在于離合器K0狀態(tài)、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速等原始信號采集困難，且模擬的信號之間同步性較差，易出現(xiàn)整車故障。經(jīng)過長時間調(diào)試，最終臺架測試功率轉(zhuǎn)矩外特性曲線如圖10所示，實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩曲線有一定差距，且發(fā)動機(jī)在3 500 r/min左右限速。

圖10 傳統(tǒng)模擬方法的功率轉(zhuǎn)矩外特性曲線

2.2 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)1.2所述步驟，確定對發(fā)動機(jī)有影響的關(guān)鍵整車信號包括離合器K0狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、擋位信號、車速、電池SOC，以及轉(zhuǎn)速限制標(biāo)志位。該車型的校驗(yàn)算法為改進(jìn)的CRC-8校驗(yàn)，通過信號模擬系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號模擬，該功能在CAN中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。

圖11 網(wǎng)關(guān)示意圖

最終在臺架上成功完成對標(biāo)試驗(yàn)，功率轉(zhuǎn)矩外特性曲線如圖12所示，實(shí)際測試結(jié)果與目標(biāo)功率和轉(zhuǎn)矩曲線擬合較好。

圖12 本系統(tǒng)模擬方法的功率轉(zhuǎn)矩外特性曲線

2.3 兩種方法對比說明

分析2.1節(jié)和2.2節(jié)中的模擬信號可知，由于傳統(tǒng)方法中未實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速限制標(biāo)志位的模擬，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在3 500 r/min左右限速，該方法不能支持試驗(yàn)完成。表2將本文提出的方法與傳統(tǒng)模擬方法進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：傳統(tǒng)方法模擬難度大、成本高、并且由于模擬的硬線信號較多，導(dǎo)致調(diào)試難度和試驗(yàn)周期大幅增加。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模擬的信號更準(zhǔn)確、且同步性好，試驗(yàn)周期縮短27%。

表2 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)信號模擬方法對比

3 總結(jié)

經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）該系統(tǒng)不受模擬信號特征及類型的限制，可滿足任意類型發(fā)動機(jī)對標(biāo)測試的信號模擬。

（2）該模擬技術(shù)靈活性強(qiáng)，增加了測試的穩(wěn)定性，節(jié)約了試驗(yàn)成本。

（3）該模擬技術(shù)的難點(diǎn)在于校驗(yàn)算法的解析，因此，后續(xù)還需要在這方面做更深入的研究。