專利名稱：一種車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法。
背景技術(shù)：
分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在車載控制系統(tǒng)中具有實(shí)時性好、可靠性高、易維護(hù)等突出的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代汽車上得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車上一般都有多個電子控制單元進(jìn)行車輛的控制，各個電控單元直接通過網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而構(gòu)成一種車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)促進(jìn)了汽車電子控制技術(shù)在車輛控制中的應(yīng)用，但另一方面也帶來新的技術(shù)問題既有控制本身的技術(shù)問題，也有通訊帶來的新問題，以及控制與通訊相互影響的問題。具體表現(xiàn)在1、各個控制系統(tǒng)之間對網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議有很大的依賴性，即通訊協(xié)議直接影響了車輛的控制性能，而通訊協(xié)議的制定又依賴于控制系統(tǒng)的控制要求與控制算法；2、單個控制系統(tǒng)的開發(fā)需要其他控制系統(tǒng)的配合，如果配合失當(dāng)，有可能導(dǎo)致開發(fā)成本上升、開發(fā)周期延長；3、分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的測試難度較大，既需要單個系統(tǒng)的測試，也需要分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的綜合測試。
目前車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法主要是將開發(fā)控制系統(tǒng)和制定通訊協(xié)議分開進(jìn)行，即由整車單位制定分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，由零部件單位根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議開發(fā)各自的零部件控制系統(tǒng)，然后再把開發(fā)出的零部件控制系統(tǒng)集中在一起聯(lián)調(diào)，解決整個分布式控制系統(tǒng)相互之間的控制與通訊等問題。制定通訊協(xié)議時，主要是分析各個零部件控制系統(tǒng)的通訊要求和網(wǎng)絡(luò)通訊本身的特點(diǎn)，制定一個兼顧各個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。但通訊協(xié)議是否真正滿足控制系統(tǒng)的要求需要在分布式系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時才能夠驗(yàn)證，如果不能滿足要求，則需要在聯(lián)調(diào)階段對通訊協(xié)議不斷修改，而通訊協(xié)議的修改又會影響到控制系統(tǒng)的修改；反過來，控制系統(tǒng)的修改，也可能會影響到通訊協(xié)議的修改；這是因?yàn)榭刂扑惴ㄅc通訊協(xié)議之間存在相互耦合的關(guān)系。開發(fā)控制系統(tǒng)時，主要是在解決零部件控制算法問題的同時加入數(shù)據(jù)通訊的功能，當(dāng)某些控制功能需要通訊功能才能完成時，則需要在后期的分布式系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時來解決。制定通訊協(xié)議方面，出現(xiàn)了一些為了解決通訊協(xié)議設(shè)計與驗(yàn)證問題而出現(xiàn)的解決方案，比如一些CAN總線的軟件分析與設(shè)計工具(如CANoe)、中國專利200410009782.1“車載CAN總線實(shí)時仿真系統(tǒng)”等，前者可以在協(xié)議制定早期對通訊協(xié)議本身做軟件仿真，但難以驗(yàn)證通訊協(xié)議的實(shí)時性，也很難考慮到分布式控制過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的特點(diǎn)；后者在不考慮控制過程的情況下，可以通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在環(huán)仿真驗(yàn)證協(xié)議的實(shí)時性是否滿足要求。開發(fā)控制系統(tǒng)方面，為了縮短開發(fā)周期、提高開發(fā)質(zhì)量，出現(xiàn)了采用建模與仿真、快速原型開發(fā)、自動代碼實(shí)現(xiàn)和硬件在環(huán)測試等開發(fā)工具與方法，與傳統(tǒng)開發(fā)方式相比可以大大提高開發(fā)質(zhì)量并縮短開發(fā)周期。中國專利200410067082.8“車載分布式控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助開發(fā)方法”主要是建立針對應(yīng)用的通訊協(xié)議數(shù)據(jù)交換的XML文檔，形成統(tǒng)一模型的機(jī)讀數(shù)據(jù)格式，從而便于進(jìn)行計算機(jī)輔助分析、設(shè)計和測試，可提高控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議的開發(fā)效率。該方法主要適用于制定完通訊協(xié)議以后，在控制系統(tǒng)開發(fā)時提高通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為軟件代碼的效率。上述將控制系統(tǒng)開發(fā)和通訊協(xié)議制定分開的方法便于不同的開發(fā)人員做不同的工作，但沒有充分考慮到在分布式控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，控制與通訊實(shí)際上是相互關(guān)聯(lián)相互耦合的，比如采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件和網(wǎng)絡(luò)在環(huán)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證過的網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時性能不一定在實(shí)際的分布式控制系統(tǒng)中能夠達(dá)到，也不一定能滿足分布式控制的實(shí)際要求；如果達(dá)不到要求，還是需要在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段找出其中的問題并對通訊協(xié)議進(jìn)行修改。又比如進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)時提出的控制算法，如果需要通過網(wǎng)絡(luò)通訊來傳輸控制參數(shù)時，則控制算法能達(dá)到的性能也會受到網(wǎng)絡(luò)通訊的影響，這也需要到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時才能發(fā)現(xiàn)問題并修改解決。開發(fā)后期對通訊協(xié)議和控制算法進(jìn)行大的修改可能會大大增加開發(fā)風(fēng)險并難以控制進(jìn)度和質(zhì)量。控制系統(tǒng)的開發(fā)方法只解決了控制算法的開發(fā)問題，而為解決總線通訊技術(shù)而出現(xiàn)的總線仿真軟件和網(wǎng)絡(luò)在環(huán)仿真系統(tǒng)只關(guān)注了總線通訊本身，沒有考慮實(shí)際的分布式控制系統(tǒng)通訊與控制相互耦合的特點(diǎn)，因而對解決車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)和測試中面臨的問題還是存在局限性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)和測試中周期長、成本高和質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法。本發(fā)明在開發(fā)過程中將控制算法與網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行綜合設(shè)計，然后在開發(fā)全過程的各個階段對控制算法與網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行各種層面上的綜合測試與驗(yàn)證，把控制與通訊的問題盡早發(fā)現(xiàn)并解決。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是把車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)過程劃分為系統(tǒng)分析與初步設(shè)計、建模與仿真、快速原型設(shè)計、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和硬件在環(huán)測試等五個階段，在每個設(shè)計階段都進(jìn)行控制系統(tǒng)與通訊網(wǎng)絡(luò)的各種綜合測試和驗(yàn)證，盡早發(fā)現(xiàn)控制與通訊中的問題并及時修改解決，這樣就能克服現(xiàn)有開發(fā)方法中把控制與通訊的問題留到最后綜合聯(lián)調(diào)時才發(fā)現(xiàn)所帶來的弊端。
本發(fā)明的第一步是進(jìn)行車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析與設(shè)計。對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求，然后進(jìn)行車載控制系統(tǒng)的初步設(shè)計，制定通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，最后把初步的設(shè)計結(jié)果與提出的要求進(jìn)行理論驗(yàn)證。系統(tǒng)分析時，把車輛劃分為被控對象——即零部件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)——即零部件的控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)——即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議等四個部分，對控制算法、通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議進(jìn)行分析，提出控制要求和通訊要求，初步設(shè)計控制算法和通訊協(xié)議，采用理論計算的方法判斷通訊網(wǎng)絡(luò)與通訊協(xié)議是否能夠滿足控制的要求，如果不滿足，則修改后再驗(yàn)證。
第二步是進(jìn)行建模與仿真設(shè)計。對車輛零部件、車載控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行建模和仿真驗(yàn)證，主要包括車輛被控對象——即零部件建模、車輛控制系統(tǒng)建模、通訊網(wǎng)絡(luò)建模、通訊協(xié)議建模和仿真驗(yàn)證等步驟。其中車輛被控對象建模和車輛控制系統(tǒng)建模屬于控制相關(guān)的建模，通訊網(wǎng)絡(luò)建模和通訊協(xié)議建模屬于通訊相關(guān)的建模，可以并行開展控制相關(guān)和通訊相關(guān)的建模工作。全部建模工作完成以后進(jìn)行整個車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。建模過程中，對車載被控對象進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，基于建模與仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立車載被控對象的數(shù)學(xué)模型，全部被控對象的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成虛擬車輛零部件系統(tǒng)，能夠模擬車輛的各種運(yùn)行工況；根據(jù)各個控制系統(tǒng)的控制算法，建立各控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬車載控制系統(tǒng)；根據(jù)初步設(shè)計的通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議建立通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬通訊網(wǎng)絡(luò)；虛擬車輛零部件系統(tǒng)、虛擬車載控制系統(tǒng)、虛擬通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議共同構(gòu)成完整的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行純軟件的仿真測試和驗(yàn)證，找出其中存在的問題并進(jìn)行修改，直到能夠滿足車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制仿真環(huán)境下的控制要求和通訊要求為止。
第三步是進(jìn)行快速原型設(shè)計。將虛擬車輛零部件系統(tǒng)模型運(yùn)行在一個實(shí)時運(yùn)行環(huán)境(比如dSPACE或者LabVIEW RT等)中作為被控對象，將虛擬車載控制系統(tǒng)和虛擬車載分布式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在另一個實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中，按照實(shí)際的接口要求設(shè)計被控對象與控制系統(tǒng)之間的軟硬件接口；上述在實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行的被控對象與控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議共同構(gòu)成了分布式網(wǎng)絡(luò)控制快速原型系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行實(shí)時環(huán)境下的仿真測試和驗(yàn)證，找出其中存在的問題并進(jìn)行修改，直到能夠滿足控制要求和通訊要求為止。
第四步是進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)快速原型測試驗(yàn)證后的控制系統(tǒng)模型開發(fā)出實(shí)物控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其控制功能和通訊功能，具體需要開發(fā)控制系統(tǒng)的硬件、軟件和通訊接口；根據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)模型開發(fā)出實(shí)際的通訊網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)出的實(shí)物控制系統(tǒng)之間通過實(shí)際的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并在實(shí)際的通訊網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行通訊協(xié)議，構(gòu)成實(shí)際的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
第五步是進(jìn)行硬件在環(huán)測試。搭建車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)測試環(huán)境，將實(shí)物控制系統(tǒng)、實(shí)際的通訊網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行于實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的虛擬車輛零部件系統(tǒng)共同組成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)虛擬測試環(huán)境，進(jìn)行控制算法和通訊協(xié)議實(shí)時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的硬件在環(huán)測試與驗(yàn)證，找出其中存在的問題并進(jìn)行修改，直到能夠完全滿足控制要求和通訊要求為止。
至此，便完成本發(fā)明車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)工作。
本發(fā)明在開發(fā)過程中的各個階段不斷對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行測試、修改和驗(yàn)證，可以最大限度的在早期發(fā)現(xiàn)并解決潛在的控制和通訊問題，從而避免了傳統(tǒng)方法分別進(jìn)行控制系統(tǒng)和通訊協(xié)議開發(fā)帶來的弊端，可以有效提高開發(fā)效率、降低開發(fā)風(fēng)險和成本。
本發(fā)明采用的現(xiàn)有技術(shù)包括采用建模與仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)的建模與仿真技術(shù)、快速原型設(shè)計技術(shù)、CAN總線通訊技術(shù)和硬件在環(huán)測試技術(shù)。建模與仿真技術(shù)主要用于對車輛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和數(shù)學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上建立虛擬車輛?？焖僭驮O(shè)計技術(shù)將控制模型在實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行，并與被控對象進(jìn)行信號連接，進(jìn)行控制算法的快速設(shè)計和驗(yàn)證。CAN總線通訊技術(shù)是控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的一種廣泛使用的總線通訊技術(shù)，用于車載分布式控制系統(tǒng)中各控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。硬件在環(huán)測試技術(shù)是在建模與仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，用虛擬被控對象對控制系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行仿真測試和驗(yàn)證。
本發(fā)明將車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制算法和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議緊密結(jié)合，從系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段開始，到硬件在環(huán)測試階段結(jié)束，在不同階段不同層次上對分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求綜合起來進(jìn)行設(shè)計、測試、修改和驗(yàn)證，測試和驗(yàn)證的內(nèi)容包括實(shí)時性、總線負(fù)載率、控制性能等?？刂扑惴ê屯ㄓ崊f(xié)議的結(jié)合方法具體分解到了開發(fā)全過程中的各個階段，在系統(tǒng)分析階段提出各控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求并采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行初步驗(yàn)證；在建模與仿真階段各控制系統(tǒng)分別用各自的仿真模型來描述各自的控制算法和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并通過模型仿真進(jìn)行驗(yàn)證；在快速原型設(shè)計階段通過快速原型試驗(yàn)進(jìn)一步對控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求進(jìn)行實(shí)時調(diào)試和驗(yàn)證；在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段把快速原型驗(yàn)證后的控制算法和控制系統(tǒng)等固化到實(shí)物控制系統(tǒng)中；最后在硬件在環(huán)測試階段對控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求進(jìn)行整車分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試環(huán)境下的綜合測試和驗(yàn)證。綜上，在開發(fā)和測試全過程中始終為車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)和測試提供了一種分布式網(wǎng)絡(luò)仿真測試環(huán)境，從而保證了開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠滿足分布式網(wǎng)絡(luò)控制的要求，并盡量把控制和通訊的各種潛在問題在前期暴露并解決。
開發(fā)人員可利用本發(fā)明在虛擬環(huán)境下進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)與測試，提高開發(fā)工作的質(zhì)量和效率，也可以采用該方法搭建各種虛擬車輛并開展車載網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議等多種研究。


圖1車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)流程示意圖。
圖2整車虛擬零部件。
圖3虛擬控制系統(tǒng)與虛擬零部件。
圖4快速原型系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖5虛擬零部件與實(shí)物控制系統(tǒng)構(gòu)成的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試環(huán)境。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明主要包含五個大的階段系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段、建模與仿真階段、快速原型設(shè)計階段、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段和硬件在環(huán)測試階段等；并有四個主要的測試和驗(yàn)證環(huán)節(jié)通訊和控制的理論驗(yàn)證環(huán)節(jié)、仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)、快速原型測試環(huán)節(jié)和硬件在環(huán)測試環(huán)節(jié)等。
1、系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段。如圖1所示，在這個階段首先對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求，然后進(jìn)行車載控制系統(tǒng)的初步設(shè)計，制定通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，最后把初步的設(shè)計結(jié)果與提出的要求進(jìn)行理論驗(yàn)證。對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析的工作內(nèi)容是把車輛劃分為被控對象——即零部件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)——即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議等四個部分，其中被控對象與控制系統(tǒng)屬于控制相關(guān)的內(nèi)容，通訊網(wǎng)絡(luò)與通訊協(xié)議屬于通訊相關(guān)的內(nèi)容；分別對車輛零部件及控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊協(xié)議進(jìn)行分析，提出各個控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求?？刂埔蠹锤鱾€控制系統(tǒng)的控制算法要求和控制性能要求，網(wǎng)絡(luò)通訊要求即各個控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時對通訊網(wǎng)絡(luò)——即應(yīng)組建何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議和通訊實(shí)時性等方面的要求。在提出控制要求時要考慮網(wǎng)絡(luò)通訊對控制效果帶來的影響如數(shù)據(jù)傳輸延時、總線異?？赡軐刂菩阅苡杏绊懙?，在提出網(wǎng)絡(luò)通訊要求時考慮控制算法對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性、總線負(fù)載率和總線可靠性等的要求。根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果和提出的控制要求與通訊要求，進(jìn)行控制系統(tǒng)控制算法的初步設(shè)計并制定出初步的通訊網(wǎng)絡(luò)與通訊協(xié)議。最后對控制算法和通訊協(xié)議等進(jìn)行理論驗(yàn)證，判斷是否滿足提出的要求，如果不滿足則返回到系統(tǒng)初步設(shè)計步驟中及時進(jìn)行修改，直到滿足理論驗(yàn)證條件下的控制要求和通訊要求為止。
具體操作上，先根據(jù)傳統(tǒng)零部件控制系統(tǒng)提出控制性能要求和控制算法要求，把需要采用數(shù)據(jù)通訊才能夠完成控制功能的控制要求單獨(dú)列出；然后根據(jù)控制要求和現(xiàn)有的總線技術(shù)設(shè)計通訊網(wǎng)絡(luò)，初步確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如把實(shí)時性和安全要求非常嚴(yán)格的控制系統(tǒng)組成一個高性能通訊網(wǎng)絡(luò)，把常規(guī)的動力系統(tǒng)組成一個高速CAN網(wǎng)絡(luò)，把兩個通訊網(wǎng)絡(luò)用一個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接組成一個完整的通訊網(wǎng)絡(luò)；初步確定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以后，根據(jù)每個子網(wǎng)內(nèi)控制系統(tǒng)的控制要求，分析網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和實(shí)時性要求，確定每個節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的發(fā)送方式，比如周期性定時發(fā)送或者突發(fā)性發(fā)送等，以及需要接收的數(shù)據(jù)，從而初步制定出通訊協(xié)議。確定了通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議以后，采用數(shù)學(xué)計算，比如單調(diào)速率分析法等，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時性是否滿足控制要求，假設(shè)部分控制參數(shù)的實(shí)時性要求不大于5％，可通過單調(diào)速率分析法等數(shù)學(xué)方法對通訊協(xié)議中該參數(shù)的實(shí)時性進(jìn)行計算，判斷是否滿足該要求；驗(yàn)證總線負(fù)載率是否在總線本身限制的范圍之內(nèi)，比如某些環(huán)境下要求總線負(fù)載率不大于30％，可通過單調(diào)速率分析法等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計算，判斷總線負(fù)載率是否滿足該要求。為了便于說明，這里通訊網(wǎng)絡(luò)只含一個子網(wǎng)，而實(shí)際車載網(wǎng)絡(luò)可能含有多個子網(wǎng)。
2、建模與仿真階段。如圖1所示，這個階段主要分為車輛、車載控制系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)、通訊協(xié)議的建模和仿真驗(yàn)證兩個大的步驟，具體包括車輛被控對象建模、車載控制系統(tǒng)建模、通訊網(wǎng)絡(luò)建模、通訊協(xié)議建模和仿真驗(yàn)證等步驟。其中車輛被控對象建模和車載控制系統(tǒng)建模屬于控制相關(guān)的建模，通訊網(wǎng)絡(luò)建模和通訊協(xié)議建模屬于通訊相關(guān)的建模，可以并行開展控制相關(guān)和通訊相關(guān)的建模工作。全部建模工作完成以后進(jìn)行整個車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真測試，對通訊和控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
此階段主要的開發(fā)內(nèi)容如下(1)車輛被控對象建模。如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)分析和初步設(shè)計結(jié)果，使用建模與仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立車輛系統(tǒng)各零部件子系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬零部件系統(tǒng)。比如分析發(fā)動機(jī)的工作原理，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，如平均值模型等對發(fā)動機(jī)工作進(jìn)行描述，建立發(fā)動機(jī)的仿真模型，形成虛擬發(fā)動機(jī)，可以模擬發(fā)動機(jī)的工作過程；分析變速器的工作原理，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，如摩擦模型和動力學(xué)模型，對變速器工作進(jìn)行描述，建立變速器的仿真模型，形成虛擬變速器，可以模擬變速器的工作過程。以此類推，根據(jù)不同車型的需要，可以建立不同類型和不同數(shù)量的虛擬零部件，如圖2所示的虛擬零部件1到虛擬零部件n。根據(jù)實(shí)際車輛中零部件之間的關(guān)系，比如機(jī)械連接關(guān)系或者電氣連接關(guān)系，在仿真模型中使用數(shù)學(xué)模型對這些連接關(guān)系進(jìn)行描述，形成一種虛擬連接，從而把全部虛擬零部件連接構(gòu)成虛擬車輛系統(tǒng)。
(2)車輛控制系統(tǒng)建模。如圖3所示，根據(jù)車輛各零部件控制系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)分析階段提出的控制要求與控制算法，使用建模與仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立控制子系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬控制系統(tǒng)。比如根據(jù)發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的控制原理，選擇合適的數(shù)學(xué)模型對控制過程進(jìn)行描述，建立發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的仿真模型，包括傳感器模型、執(zhí)行器模型和控制系統(tǒng)模型等，形成虛擬發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，可以模型發(fā)動機(jī)的控制過程；分析變速器控制系統(tǒng)的控制原理，選擇合適的數(shù)學(xué)模型對控制過程進(jìn)行描述，建立變速器控制系統(tǒng)的仿真模型，也包括傳感器模型、執(zhí)行器模型和控制系統(tǒng)模型等，形成虛擬變速器控制系統(tǒng)。以此類推，根據(jù)不同車型的需要，可以建立不同類型和不同數(shù)量的虛擬控制系統(tǒng)，如圖3所示表示為虛擬控制系統(tǒng)1到虛擬控制系統(tǒng)n。實(shí)際的控制系統(tǒng)與零部件之間使用電氣信號連接，這里用建模語言對這些電氣信號進(jìn)行描述，構(gòu)成虛擬電氣信號如圖3所示的虛擬連接；虛擬控制系統(tǒng)與虛擬零部件之間通過虛擬電氣信號進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)對虛擬零部件的控制。
(3)通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議建模。根據(jù)系統(tǒng)分析階段提出的網(wǎng)絡(luò)通訊要求、初步設(shè)計的通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議等，使用建模與仿真工具(包括但不限于Matlab/Simulink等)建立通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬通訊網(wǎng)絡(luò)。虛擬控制系統(tǒng)之間的關(guān)系表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，將步驟1中初步建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議用建模語言進(jìn)行描述，構(gòu)成如圖3所示的虛擬CAN總線，連接各個虛擬控制系統(tǒng)，并按照網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議交換數(shù)據(jù)。
(4)仿真驗(yàn)證。虛擬零部件、虛擬控制系統(tǒng)與虛擬網(wǎng)絡(luò)共同組成完整的虛擬車輛系統(tǒng)。利用虛擬車輛系統(tǒng)進(jìn)行綜合仿真，可以對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行仿真測試，如圖1中的通訊和控制的仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其中的問題并返回到建模與仿真階段步驟(1)中及時修改，直到滿足仿真條件下的控制要求和通訊要求為止。
3、快速原型設(shè)計階段。如圖1所示，這個階段主要包括快速原型系統(tǒng)設(shè)計和快速原型測試兩個步驟。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)設(shè)計是將建模與仿真階段驗(yàn)證后的控制算法運(yùn)行在實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中(如dSPACE或者NI的LabVIEW RT等)，替代實(shí)物控制系統(tǒng)對實(shí)際的車輛零部件系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣做的好處是在開發(fā)出實(shí)際的控制系統(tǒng)之前可以很方便地對控制算法進(jìn)行調(diào)試、修改和驗(yàn)證。如圖4所示，這里的快速原型系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)方法不完全一致，為了避免直接進(jìn)行實(shí)車調(diào)試的諸多不便，將虛擬零部件作為被控對象運(yùn)行于一套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中模擬車輛零部件系統(tǒng)運(yùn)行，將虛擬控制系統(tǒng)運(yùn)行于另一套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中，通過軟硬件接口對虛擬車輛零部件系統(tǒng)進(jìn)行控制。按照實(shí)際車輛控制時控制系統(tǒng)與零部件之間的軟硬件接口要求，設(shè)計兩套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境之間的軟硬件接口，即虛擬控制系統(tǒng)與虛擬零部件之間通過實(shí)時運(yùn)行環(huán)境將步驟3中虛擬的電氣信號連接變成實(shí)際的電氣信號連接，如圖4所示的信號連接線、接口板和通訊信號線束，構(gòu)成零部件控制系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)。
由上述實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的被控對象、控制系統(tǒng)和軟硬件接口構(gòu)成了基于虛擬車輛的快速原型測試環(huán)境，可進(jìn)行控制算法和通訊協(xié)議的快速原型試驗(yàn)，對控制算法和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行實(shí)時條件下的調(diào)試和驗(yàn)證，如圖1所示的通訊和控制的快速原型測試，發(fā)現(xiàn)其中的問題并返回到快速原型設(shè)計步驟中及時修改，直到滿足快速原型環(huán)境下的控制要求和通訊要求為止。
4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段。這個階段的工作是開發(fā)出實(shí)際的控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)。以快速原型系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，根據(jù)快速原型試驗(yàn)中調(diào)試和驗(yàn)證的控制算法和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，進(jìn)行實(shí)物控制系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件代碼實(shí)現(xiàn)，開發(fā)出各零部件的實(shí)物控制系統(tǒng)。各實(shí)物控制系統(tǒng)之間采用真實(shí)的CAN總線構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，虛擬控制系統(tǒng)模型中運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議則轉(zhuǎn)化為真實(shí)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的通訊協(xié)議。
5、硬件在環(huán)測試階段。如圖5所示，以運(yùn)行于實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的虛擬車輛零部件作為被控對象，構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)測試環(huán)境，對開發(fā)的各實(shí)物控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試。各實(shí)物控制系統(tǒng)與各自的被控對象——即虛擬零部件之間采用硬件信號連接，各實(shí)物控制系統(tǒng)之間采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試環(huán)境，可進(jìn)行控制算法和通訊協(xié)議的硬件在環(huán)仿真測試，對控制算法和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境下的調(diào)試和驗(yàn)證，如圖1所示的通訊和控制的硬件在環(huán)測試，發(fā)現(xiàn)其中的問題并返回到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段及時修改，直到滿足硬件在環(huán)條件下的控制要求和通訊要求為止。
完成上述全部開發(fā)和測試步驟以后，所開發(fā)的實(shí)物控制系統(tǒng)和虛擬車輛零部件共同構(gòu)成一個完整的車用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)虛擬測試環(huán)境。至此，便完成本發(fā)明車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)工作。
本發(fā)明的積極效果主要為
1)利用控制系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試環(huán)境，既模擬了網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的運(yùn)行環(huán)境，又模擬了各控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，從而可以快速、低成本、高效率地進(jìn)行車用網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的開發(fā)、測試和驗(yàn)證。解決了傳統(tǒng)開發(fā)方式中進(jìn)行車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議開發(fā)周期長、費(fèi)用高、效率低的問題。
2)為單獨(dú)開發(fā)某些子控制系統(tǒng)提供了完善的開發(fā)測試環(huán)境，從系統(tǒng)分析、模型仿真、快速原型到硬件在環(huán)測試等全過程都能夠從整車系統(tǒng)的角度進(jìn)行及時的調(diào)試和驗(yàn)證，從而可以加快控制系統(tǒng)的開發(fā)，提高開發(fā)質(zhì)量，并能減少開發(fā)成本。
下面以一個只有發(fā)動機(jī)和變速器兩個零部件系統(tǒng)，以及發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)兩個零部件控制系統(tǒng)的、簡化的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為例，對本發(fā)明實(shí)施方式的各個階段進(jìn)行實(shí)例說明。
1、系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段。
發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的控制要求包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制控制精度不大于20r/min，響應(yīng)時間不大于200ms；負(fù)荷控制負(fù)荷變化率不大于50％/s，控制精度不大于1％等。
自動變速控制系統(tǒng)控制要求包括換擋控制換擋過程時間不大于2s，離合器摩滑功率不大于0.5W，換擋沖擊不大于10m/s3；換擋規(guī)律經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律比手動駕駛平均值提高燃油經(jīng)濟(jì)性5％以上，實(shí)際換擋點(diǎn)與理論換擋點(diǎn)之差不大于1km/h等。
通訊網(wǎng)絡(luò)要求包括實(shí)時性誤差不大于5％、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率不大于30％等。
發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)初步設(shè)計負(fù)荷控制算法采用PWM脈寬調(diào)制信號對噴油量進(jìn)行精確控制，并使用PID調(diào)節(jié)算法構(gòu)成噴油量的閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速控制包括恒轉(zhuǎn)速控制和調(diào)速控制，其中恒轉(zhuǎn)速控制采用雙閉環(huán)控制算法，以噴油量PID控制作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速PID控制作為外環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速精確控制；調(diào)速控制以恒轉(zhuǎn)速控制作為基礎(chǔ)，并增加調(diào)速控制算法，比如對于全程調(diào)速采用逐次逼近法進(jìn)行調(diào)速控制等。
通訊系統(tǒng)設(shè)計包括通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和通訊協(xié)議設(shè)計。通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計即確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的連接方式等，由于系統(tǒng)簡化為發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速系統(tǒng)兩個控制系統(tǒng)，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有兩個，采用屏蔽雙絞線進(jìn)行連接，并按照CAN總線的要求進(jìn)行終端電阻設(shè)計。通訊協(xié)議設(shè)計即根據(jù)兩個控制系統(tǒng)的控制要求，統(tǒng)計出需要進(jìn)行總線傳輸?shù)男盘柌凑找欢ǖ膮f(xié)議進(jìn)行封裝，這里假定按照CAN2.0B擴(kuò)展格式對通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。統(tǒng)計出發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)需要發(fā)送的參數(shù)有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模式、駕駛員需要的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、當(dāng)前轉(zhuǎn)速負(fù)荷百分比、加速踏板強(qiáng)制降擋開關(guān)、加速踏板低怠速開關(guān)、動力傳動分離請求、換擋禁止請求和請求的目標(biāo)擋位等；這些參數(shù)均為需要周期傳輸?shù)膮?shù)，其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模式、駕駛員需要的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要每10ms傳輸一次，其他參數(shù)需要每50ms傳輸一次；將上述參數(shù)封裝到三個協(xié)議數(shù)據(jù)包中，其中刷新周期為10ms的參數(shù)封裝到1個數(shù)據(jù)包中，刷新周期為50ms的參數(shù)較多，需封裝到兩個協(xié)議包中。統(tǒng)計出自動變速系統(tǒng)需要發(fā)送的參數(shù)有變速器類型、換擋狀態(tài)、離合器狀態(tài)、輸出軸轉(zhuǎn)速、離合器行程、禁止強(qiáng)制升擋開關(guān)、輸入軸轉(zhuǎn)速、目標(biāo)擋位、當(dāng)前擋位、當(dāng)前擋位速比、過載控制模式優(yōu)先權(quán)、過載控制模式、請求轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)、請求的轉(zhuǎn)速、請求的轉(zhuǎn)矩或負(fù)荷等；這些參數(shù)中，變速器類型、換擋狀態(tài)、離合器狀態(tài)、輸出軸轉(zhuǎn)速、離合器行程、禁止強(qiáng)制升擋開關(guān)和輸入軸轉(zhuǎn)速的刷新率應(yīng)為10ms，目標(biāo)擋位、當(dāng)前擋位和當(dāng)前擋位速比的刷新率為100ms，其他參數(shù)為換擋過程中需傳輸?shù)膮?shù)，需要傳輸時的刷新率也為10ms；這樣可將這些參數(shù)按不同刷新率要求封裝為3個協(xié)議數(shù)據(jù)包。
控制要求驗(yàn)證由于這里是個簡化的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，前述的控制算法和通訊協(xié)議基本按照控制要求進(jìn)行設(shè)計的，因此可以初步認(rèn)為控制要求可以得到滿足。如果分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中子系統(tǒng)較多，則在通訊協(xié)議設(shè)計和控制要求驗(yàn)證方面可能要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。
通訊要求驗(yàn)證根據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議，采用單調(diào)速率分析法等數(shù)學(xué)方法，假設(shè)沒有總線沖突，可計算出各個通訊控制參數(shù)的實(shí)時性和總線的負(fù)載率。
2、建模與仿真階段。
(1)車載被控對象建模。發(fā)動機(jī)采用平均值模型建立進(jìn)氣模型、燃油模型和動力輸出模型。變速器采用摩擦模型建立離合器和同步器的接合與分離的數(shù)學(xué)模型，采用動力學(xué)模型建立變速器正常工作時的數(shù)學(xué)模型包括擋位模型、同步器模型和離合器模型等。實(shí)際的發(fā)動機(jī)與變速器之間由發(fā)動機(jī)飛輪與變速器的離合器主動盤進(jìn)行機(jī)械連接，這種機(jī)械連接可用動力學(xué)模型進(jìn)行描述，具體表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)接口包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)的慣性系數(shù)和發(fā)動機(jī)的阻尼系數(shù)；變速器接口包括變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、變速器的慣性系數(shù)和變速器的阻尼系數(shù)。
(2)車載控制系統(tǒng)建模。發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)建模包括傳感器模型、執(zhí)行器模型和控制系統(tǒng)模型。傳感器模型分為模擬輸入與輸出模型、數(shù)字I/O模型、脈沖信號模型和脈寬調(diào)制信號模型等；模擬輸入與輸出模型包括加速踏板信號、進(jìn)氣溫度信號、進(jìn)氣壓力信號、節(jié)氣門開度信號等；數(shù)字I/O模型包括加速踏板怠速開關(guān)信號、凸輪軸位置信號等；脈沖信號模型包括凸輪軸轉(zhuǎn)速信號和點(diǎn)火驅(qū)動脈沖信號；脈寬調(diào)制信號模型包括電子節(jié)氣門驅(qū)動脈寬信號和噴油器驅(qū)動脈寬信號等。執(zhí)行器模型包括點(diǎn)火線圈模型、電子節(jié)氣門驅(qū)動電機(jī)模型和噴油器模型；點(diǎn)火線圈模型根據(jù)點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生點(diǎn)火信號送入發(fā)動機(jī)模型，電子節(jié)氣門驅(qū)動電機(jī)模型根據(jù)電子節(jié)氣門驅(qū)動脈寬信號輸出電子節(jié)氣門開度信號送入發(fā)動機(jī)模型，噴油器模型根據(jù)噴油器驅(qū)動脈寬信號輸出噴油量信號送入發(fā)動機(jī)模型；控制系統(tǒng)模型包括點(diǎn)火提前角算法模型、電子節(jié)氣門控制算法模型、噴油量控制算法模型、怠速控制算法模型、調(diào)速控制算法模型等。
自動變速器控制系統(tǒng)建模包括傳感器模型、執(zhí)行器模型和控制系統(tǒng)模型。傳感器模型中，模擬輸入與輸出信號包括制動踏板位移信號、操縱手柄信號、離合器位移信號、選位電機(jī)位移信號和換擋電機(jī)位移信號等；數(shù)字I/O信號包括制動踏板開關(guān)信號、轉(zhuǎn)向開關(guān)信號等；脈沖信號包括變速器輸入軸轉(zhuǎn)速脈沖信號和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速脈沖信號等；脈寬調(diào)制信號包括離合器電機(jī)驅(qū)動脈寬信號、選位電機(jī)驅(qū)動脈寬信號和換擋電機(jī)驅(qū)動脈寬信號等。執(zhí)行器模型包括離合器驅(qū)動電機(jī)模型、選位驅(qū)動電機(jī)模型和換擋驅(qū)動電機(jī)模型等，離合器驅(qū)動電機(jī)根據(jù)離合器驅(qū)動脈寬輸出離合器位移信號，選位驅(qū)動電機(jī)根據(jù)選位電機(jī)驅(qū)動脈寬輸出選位電機(jī)位移信號，換擋驅(qū)動電機(jī)根據(jù)換擋電機(jī)驅(qū)動脈寬輸出換擋電機(jī)位移信號?？刂葡到y(tǒng)模型包括換擋規(guī)律算法模型、換擋過程控制算法模型、離合器接合控制算法模型、選位電機(jī)控制算法模型、換擋電機(jī)控制算法模型和離合器電機(jī)控制算法模型等。
(3)通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議建模。由于系統(tǒng)簡化為發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速系統(tǒng)兩個控制系統(tǒng)，則通訊網(wǎng)絡(luò)模型由兩個節(jié)點(diǎn)模型組成，節(jié)點(diǎn)模型之間通過虛擬的通訊介質(zhì)(比如共享的數(shù)據(jù)區(qū)等)進(jìn)行連接并傳輸數(shù)據(jù)。每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)在通訊協(xié)議模型中規(guī)定。通訊協(xié)議建模方面，根據(jù)系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段的驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝為三個數(shù)據(jù)包需要每10ms傳輸一次的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模式、駕駛員需要的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等三個參數(shù)封裝為一個數(shù)據(jù)包，需要每50ms傳輸一次的其他參數(shù)封裝為兩個數(shù)據(jù)包；同樣，自動變速器控制系統(tǒng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)也封裝為三個數(shù)據(jù)包其中刷新時間為10ms的數(shù)據(jù)包兩個，刷新時間為100ms的數(shù)據(jù)包一個。通訊協(xié)議模型的主要建模工作就是把每個節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包封裝為單個的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后把封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送到通訊網(wǎng)絡(luò)模型中；同時，還要把每個節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后按照通訊協(xié)議進(jìn)行拆包，還原為各個控制參數(shù)，送到控制模型中去使用。
(4)仿真驗(yàn)證。包括仿真環(huán)境下的控制要求驗(yàn)證和通訊要求驗(yàn)證?？刂埔篁?yàn)證在仿真環(huán)境中運(yùn)行由虛擬發(fā)動機(jī)及變速器、虛擬發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)及自動變速控制系統(tǒng)，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)共同組成的虛擬車輛系統(tǒng)，對各種使用工況進(jìn)行全面的測試，記錄測試數(shù)據(jù)，分析各種控制算法是否達(dá)到了控制要求中規(guī)定的控制性能。如果沒達(dá)到，則找出其中的原因如果是控制算法的問題，則修改控制算法如果是通訊協(xié)議的問題，則修改通訊協(xié)議，直到能夠滿足控制要求規(guī)定的性能要求。
通訊要求驗(yàn)證在仿真環(huán)境中運(yùn)行由虛擬發(fā)動機(jī)及變速器、虛擬發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)及自動變速控制系統(tǒng)，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)共同組成的虛擬車輛系統(tǒng)，并使用總線測試工具如CANoe等的軟件接口對虛擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況進(jìn)行測試，觀察網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時性和負(fù)載率等，分析通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議是否達(dá)到了通訊要求中規(guī)定的通訊性能。如果沒有達(dá)到，則找出其中的原因并返回到建模步驟中進(jìn)行相應(yīng)的修改，直到能夠滿足通訊要求規(guī)定的性能要求。
3、快速原型設(shè)計階段。
將建模與仿真階段建立的發(fā)動機(jī)模型和變速器模型放到被控對象的實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中，二者之間的接口與建模與仿真階段相同，都是虛擬的機(jī)械連接；二者與外部的接口，即與控制系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)之間的接口為硬件接口，包括模擬輸入與輸出接口、數(shù)字輸入與輸出接口以及脈沖輸入與輸出接口等。
模擬輸出包括加速踏板位移、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門開度、制動踏板位移、操縱手柄位置、離合器位移、選位操縱桿位移和換擋操縱桿位移等。
模擬輸入包括電子節(jié)氣門驅(qū)動力、噴油器噴射油量、離合器驅(qū)動力、選位電機(jī)驅(qū)動力和換擋電機(jī)驅(qū)動力等。
數(shù)字輸出包括加速踏板怠速開關(guān)、凸輪軸位置、制動踏板開關(guān)和轉(zhuǎn)向開關(guān)等。
脈沖輸出包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速脈沖和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速脈沖等。
脈沖輸入包括點(diǎn)火脈沖。
上述硬件接口通過實(shí)時運(yùn)行環(huán)境的硬件接口板，包括模擬輸入與輸出板、數(shù)字輸入與輸出板以及脈沖輸入與輸出板等，與外部進(jìn)行硬件電氣信號連接。
將發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)模型放入控制系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中，二者之間的接口與建模與仿真階段的接口相同，均為虛擬網(wǎng)絡(luò)接口；二者與外部的接口，即與運(yùn)行于實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的被控對象組成的虛擬車輛零部件系統(tǒng)之間的接口為硬件接口，這個硬件接口與前述的被控對象硬件接口直接相連。
根據(jù)快速原型設(shè)計結(jié)果建立快速原型測試環(huán)境，進(jìn)行快速原型測試并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，包括控制要求驗(yàn)證和通訊要求驗(yàn)證。
控制要求驗(yàn)證在快速原型測試環(huán)境中運(yùn)行包括發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)的虛擬車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，對各種使用工況進(jìn)行全面的測試，記錄測試數(shù)據(jù)，分析各種控制算法是否達(dá)到了控制要求中規(guī)定的控制性能。如果沒達(dá)到，則找出其中的原因如果是控制算法的問題，則修改控制算法；如果是通訊協(xié)議的問題，則修改通訊協(xié)議，直到能夠滿足控制要求規(guī)定的性能要求。
通訊要求驗(yàn)證在快速原型測試環(huán)境中運(yùn)行包括發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)的虛擬車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，并使用總線測試工具如CANoe等的軟件接口對虛擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況進(jìn)行測試，觀察網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時性和負(fù)載率等，分析通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議是否達(dá)到了通訊要求中規(guī)定的通訊性能。如果沒有達(dá)到，則找出其中的原因并返回到快速原型設(shè)計步驟中進(jìn)行相應(yīng)的修改，直到能夠滿足通訊要求規(guī)定的性能要求。
4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段需要開發(fā)出實(shí)際的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)，以及連接兩個控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際的控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)硬件電路、控制系統(tǒng)軟件和控制系統(tǒng)硬件接口組成，控制系統(tǒng)硬件接口包含接插件與電纜等。
硬件實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)為控制系統(tǒng)硬件電路板的設(shè)計，其設(shè)計依據(jù)來自于經(jīng)過快速原型試驗(yàn)后獲得的控制算法對CPU的需求比如計算能力、代碼大小等；硬件接口對外圍電路的需求如需要多少路模擬輸入、數(shù)字I/O、脈沖輸入、脈沖輸出以及脈寬調(diào)制輸出等；CPU本身對其最小系統(tǒng)的需求如電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路等，以及網(wǎng)絡(luò)通訊對通訊控制模塊、驅(qū)動模塊和保護(hù)模塊等相關(guān)電路的需求。
軟件實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)為軟件代碼的生成，目前控制系統(tǒng)軟件代碼的生成主要有手工代碼生成和自動代碼生成，二者的設(shè)計依據(jù)均來自于經(jīng)過快速原型試驗(yàn)后獲得的控制算法與網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議；二者的不同點(diǎn)在于手工代碼生成對編程人員的要求較高，容易出現(xiàn)人為的軟件BUG，開發(fā)周期也相對較長；而自動代碼生成的代碼質(zhì)量取決于代碼生成工具，不容易出現(xiàn)人為的軟件BUG，但代碼較長，需要優(yōu)化，而且大部分情況下都需要適當(dāng)?shù)氖止ば薷牟拍軌蜻_(dá)到較好的效果。不管是哪種方式，由于控制算法和通訊協(xié)議都已經(jīng)通過了快速原型試驗(yàn)驗(yàn)證，因此只要符合快速原型系統(tǒng)模型中的控制算法和通訊協(xié)議，則都可以較快完成軟件實(shí)現(xiàn)。
硬件接口與快速原型設(shè)計階段的硬件接口稍有不同，需要增加網(wǎng)絡(luò)通訊的硬件接口、電源接口和功率接口等。其中網(wǎng)絡(luò)通訊硬件接口和通訊介質(zhì)共同完成快速原型試驗(yàn)驗(yàn)證后的通訊協(xié)議中通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，電源接口為控制系統(tǒng)硬件電路提供電源電壓，功率接口為驅(qū)動電路接口如電機(jī)驅(qū)動電路接口等。全部硬件接口通過接插件和電纜與被控對象和其他控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。
5、硬件在環(huán)測試階段。
將經(jīng)過快速原型驗(yàn)證后的發(fā)動機(jī)模型和變速器模型放到被控對象的實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中構(gòu)成虛擬車輛零部件系統(tǒng)，二者之間的接口為虛擬的機(jī)械連接；二者與外部的接口，即與控制系統(tǒng)之間的接口為硬件接口，包括模擬輸入與輸出接口、數(shù)字輸入與輸出接口以及脈沖輸入與輸出接口等。
將開發(fā)出的實(shí)際的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速系統(tǒng)與運(yùn)行于實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的虛擬車輛零部件系統(tǒng)通過硬件接口直接相連，本實(shí)施例此處的虛擬車輛零部件系統(tǒng)僅涉及發(fā)動機(jī)和變速器。而發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)，如雙絞線，直接相連，這樣組成了發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和自動變速控制系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試環(huán)境。
在此環(huán)境下對實(shí)物控制系統(tǒng)的控制算法和實(shí)物控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，如圖1中的通訊和控制的硬件在環(huán)測試環(huán)節(jié)，找出其中的控制問題和通訊問題并返回到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行修改，直到滿足分布式網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)環(huán)境下的控制要求和通訊要求為止。
控制要求驗(yàn)證在硬件在環(huán)測試環(huán)境中運(yùn)行實(shí)際的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，對各種使用工況進(jìn)行全面的測試，記錄測試數(shù)據(jù)，分析各種控制算法是否達(dá)到了控制要求中規(guī)定的控制性能。如果沒達(dá)到，則找出其中的原因如果是控制算法的問題，則修改控制算法；如果是通訊協(xié)議的問題，則修改通訊協(xié)議，直到能夠滿足控制要求規(guī)定的性能要求。
通訊要求驗(yàn)證在硬件在環(huán)測試環(huán)境中運(yùn)行實(shí)際的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，并使用總線測試工具如CANoe等的硬件接口對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況進(jìn)行測試，觀察網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時性和負(fù)載率等，分析通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議是否達(dá)到了通訊要求中規(guī)定的通訊性能。如果沒有達(dá)到，則找出其中的原因并進(jìn)行修改，直到能夠滿足通訊要求規(guī)定的性能要求。
權(quán)利要求
1.一種車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，其特征在于將車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程劃分為系統(tǒng)分析與初步設(shè)計、建模與仿真、快速原型設(shè)計、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和硬件在環(huán)測試五個階段，在各個階段都對控制系統(tǒng)與通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種層面上的綜合測試和驗(yàn)證，盡早發(fā)現(xiàn)控制與通訊中的問題并及時修改解決，系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段首先對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求，然后進(jìn)行車載控制系統(tǒng)的初步設(shè)計，制定通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，再把初步的設(shè)計結(jié)果與提出的要求進(jìn)行理論驗(yàn)證；建模與仿真階段是對車輛零部件、車載控制系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議建模并仿真驗(yàn)證；在快速原型設(shè)計階段進(jìn)行快速原型設(shè)計和快速原型測試驗(yàn)證；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段是以快速原型系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，開發(fā)出實(shí)際的控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)；然后在硬件在環(huán)測試階段構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)測試環(huán)境，對所開發(fā)的實(shí)物控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試驗(yàn)證。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，其特征在于所述的系統(tǒng)分析與初步設(shè)計階段中，對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析的內(nèi)容是把車輛劃分為被控對象——即零部件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)——即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議等四個部分，分別對車輛零部件及控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊協(xié)議進(jìn)行分析，提出各個控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求；控制要求即各個控制系統(tǒng)的控制算法要求和控制性能要求，網(wǎng)絡(luò)通訊要求即各個控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時對通訊網(wǎng)絡(luò)的要求；根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果和提出的控制要求與通訊要求，進(jìn)行控制算法的初步設(shè)計并制定出初步的通訊網(wǎng)絡(luò)與通訊協(xié)議，并對控制算法和通訊協(xié)議等進(jìn)行理論驗(yàn)證，判斷是否滿足提出的要求，若不滿足則返回到系統(tǒng)初步設(shè)計步驟中及時進(jìn)行修改，直到滿足理論驗(yàn)證條件下的控制要求和通訊要求為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，其特征在于所述的建模與仿真階段主要的開發(fā)內(nèi)容如下(1)根據(jù)系統(tǒng)分析和初步設(shè)計結(jié)果，使用建模與仿真工具建立車輛系統(tǒng)各零部件子系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬零部件系統(tǒng)；(2)根據(jù)車輛各零部件控制系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)分析階段提出的控制要求與控制算法，使用建模與仿真工具建立各零部件控制系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬控制系統(tǒng)；(3)根據(jù)系統(tǒng)分析階段提出的網(wǎng)絡(luò)通訊要求、通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議，使用建模與仿真工具建立通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議的仿真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成虛擬通訊網(wǎng)絡(luò)；(4)虛擬零部件、虛擬控制系統(tǒng)與虛擬網(wǎng)絡(luò)共同組成完整的虛擬車輛系統(tǒng)，并進(jìn)行綜合仿真，對控制算法和通訊協(xié)議進(jìn)行仿真測試，若發(fā)現(xiàn)問題則返回建模與仿真階段的步驟(1)中及時修改，直到滿足仿真條件下的控制要求和通訊要求為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，其特征在于在所述的快速原型設(shè)計階段中，將虛擬零部件作為被控對象運(yùn)行于一套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中模擬車輛零部件系統(tǒng)運(yùn)行，將虛擬控制系統(tǒng)運(yùn)行于另一套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中；按照實(shí)際車輛控制時控制系統(tǒng)與零部件之間的軟硬件接口要求，設(shè)計兩套實(shí)時運(yùn)行環(huán)境之間的軟硬件接口，即虛擬控制系統(tǒng)與虛擬零部件之間通過實(shí)時運(yùn)行環(huán)境將虛擬的電氣信號連接轉(zhuǎn)變成實(shí)際的電氣信號連接，構(gòu)成零部件控制系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，其特征在于在所述的在硬件在環(huán)測試階段是以運(yùn)行于實(shí)時運(yùn)行環(huán)境中的虛擬車輛零部件作為被控對象，與實(shí)際的控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)測試環(huán)境，模擬網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的運(yùn)行環(huán)境及控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，對開發(fā)的實(shí)物控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試；各實(shí)物控制系統(tǒng)與各自的被控對象——即虛擬零部件之間采用硬件信號連接，各實(shí)物控制系統(tǒng)之間采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試環(huán)境。
全文摘要
一種車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，包括系統(tǒng)分析和初步設(shè)計、建模與仿真、快速原型設(shè)計、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和硬件在環(huán)測試五個階段，首先對車輛零部件、車載通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出車載分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制要求和網(wǎng)絡(luò)通訊要求，進(jìn)行車載控制系統(tǒng)的初步設(shè)計，制定通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，并把初步設(shè)計結(jié)果與提出的要求進(jìn)行理論驗(yàn)證。再對車輛及車載控制系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建模并仿真驗(yàn)證。然后進(jìn)行快速原型設(shè)計并測試。在快速原型系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)際的控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)。最后構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)硬件在環(huán)測試環(huán)境，對所開發(fā)的實(shí)物控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試。本發(fā)明盡量把控制和通訊的各種潛在問題暴露在前期，可提高開發(fā)工作質(zhì)量和效率。
文檔編號G05B17/02GK1908830SQ20061011263
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者廖承林, 王麗芳, 陳志武 申請人:中國科學(xué)院電工研究所