专利名称：整车控制器仿真测试装置的制作方法
技术领域：
整车控制器仿真测试装置涉及车用控制器技术领域，尤其涉及整车控制器开发测试相关领域。
背景技术：
随着汽车工业的发展和进步，人们对汽车的动力性、经济性、排放、安全性等方面提出了更高的要求。传统的机械式控制装置已经远远不能满足这些需要。电子化控制装置以其高精度、高速度、控制灵活、稳定可靠等特点逐渐取代了机械式控制装置，是汽车控制装置的发展趋势。汽车电子控制装置一般具有以下一些特点(1)实时性要求高。
(2)控制精度要求高。
(3)可靠性要求高。
由于上述这些越来越严格的要求，使得汽车电子控制装置对微控制器的要求和越来越高，以32位嵌入式微控制器为基本技术特征的新一代整车控制器已成为汽车电子发展应用的主流。
然而在应用中，由于32位嵌入式微控制器的开发难度较大，整车控制程序复杂性较高，使得整车控制器在开发中需要反复调试，才能最终实现预期的控制功能。但是在整车控制器的开发过程中，实车试验是很难得的，成本也是非常高的。并且一般情况下，不宜直接将控制器安装在实际的装置中进行测试，因为首次实现的控制器会有许多诸如软件、硬件方面的缺陷，如果直接将其集成在装置中，一方面不便于对控制器的初期调试，另一方面，控制器的严重缺陷还会导致装置的损坏，造成不必要的损失。
对于这些问题，硬件在环仿真是一个很好的解决方案。硬件在环仿真是指将实际的被控对象用高速工控机上实时运行的仿真模型来替代，而控制部件作为实物连接成为一个装置，从而达到对控制装置供能进行测试和验证。和传统的试验装置相比，硬件在环仿真的优势在于其可重复性好，能够实现对每个参数变化对装置性能影响的研究，同时可以方便的研究不同控制策略和控制算法对装置品质的影响。硬件在环仿真还为装置设计提供了先进的开发装置，有利于缩短控制装置的设计开发周期，提高装置设计开发水平。
因此，在整车控制器的开发过程中，利用整车控制器仿真测试装置构建模拟的整车现场环境，对控制器进行硬件在环仿真测试，不但可以大大加快整车控制器软、硬件的开发过程，并且开发成功的控制器具有较高的可靠性，因为仿真测试装置可以模拟出在实车试验中难以实现的特殊行驶状态和危险状态，来对整车控制器进行全面的测试。
在控制器硬件在环仿真测试中，装置用数学模型来代替，控制器使用实物，装置模型和控制器之间的接口要和实际保持一致，在仿真调试完毕后，达到控制器和装置之间的“垂直安装”或“垂直集成”。控制器在完成硬件在环仿真之后，就可以进入装置集成和测试环节，最后实现初期设计的各项功能和指标。
现有的硬件在环仿真测试存在测试过程复杂，测试设备灵活性不强，测试装置移植性较弱，测试结果不易观察等缺点。具有图形化的开发软件装置的可配置实时仿真测试装置可以很好的解决这些问题。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有整车控制器开发过程中测试难度较大的特点，通过在工控机上建立模拟的整车特性，利用数据采集卡、CAN通讯卡、可配置的信号处理装置模拟真实整车电气信号，从而构建出可用于整车控制器测试的模拟整车环境，可以对整车控制器进行与真实环境完全一致的仿真测试，通过测试尽可能多地发现存在的硬件设计和控制算法问题，减少控制器在实际调试中遇到的问题，提高控制器的开发效率，在一定程度上解决新型整车控制器设计难的问题。
一种整车控制器仿真测试装置，该装置包括工控机模拟司机装置、工控机模拟整车装置、可配置的信号处理装置，以及数据采集卡和CAN卡；工控机模拟装置产生或接收的数字/模拟信号通过PCI总线与数据采集卡相连，数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号处理装置对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器硬件在环仿真测试。
工控机模拟装置中的测试软件为常用测试软件或另编写的应用软件。
当所述的工控机模拟装置对实际环境进行模拟时，通过数据采集卡、CAN通讯卡与可配置的信号处理装置相连，可配置的信号处理装置对信号进行处理，从而实现真实的复杂整车环境，可以直接与整车控制器连接进行仿真测试试验。外部配有居于CAN总线的实时监控装置，可以全过程实时地监控仿真测试试验。
工控机模拟整车装置中软件主要为数字模型。数学模型由发动机模型、DC/DC变换器模型、车辆动力学模型、电机模型、蓄电池模型和CAN处理模型在相应的仿真软件环境下组成，仿真软件可以采用如Matlab/Simu link等通用的商用软件。各个模型在工控机内建立了与整车特性完全一致的模拟模型，并使用所述的各种接口与实际待测整车控制器构成一个硬件在环仿真测试装置。
由于该数学模型可以随时根据实际的变化进行相应的修改，或者根据不同的对象建立新的数学模型，或者使用更加优秀的算法改善模型精度，因此整个模拟装置实际上是完全开放的，使用起来十分灵活与便利，并将有十分广泛的利用前景。
工控机模拟司机装置是基于Matlab/Simulink构建模拟装置，包括车辆动力学模拟模型、燃料电池发动机模拟模型、DC-DC变换器模拟模型、电动机模拟模型、蓄电池模拟模型和司机模拟模型，各模型产生或需要的数据通过所述数据采集卡和所述CAN通讯卡与外界进行通讯。
可配置的信号处理装置装置具有一个电源处理模块和多个信号处理配置模块。电源处理模块将市电转换为仿真测试装置需要的各种供给电源对装置进行供电，并向外输出模拟实际整车对待测ECU的供电。可配置的信号处理装置对工控机信号进行必要的处理，包括信号放大、电平转换、功率放大等。其为灵活的母板子板设计，母板完成通用的信号连接电源供给等任务，子板完成具体的可配置信号处理功能。母板和子板联合进行工作，可以根据用户的需要随时更换子板电路，以满足不同仿真测试的需要。数据经过不同的信号处理配置模块进行处理以后，将与实际整车信号协议一致。可以根据用户的需要通过，调整可配置信号处理装置的配置方式，随时更换子板电路，实现各种车辆的不同信号规范，以满足不同仿真测试的需要。
所述数据采集卡的型号分别为PCI-1731、PCI-1723、PCI-1720，其中PCI-1731、PCI-1723各两块，PCI-1720一块，通过PCI插槽与工控机相连，共具备32路数字量输入接口、32路数字量输出接口、32路数字量输入/输出复用接口、32路模拟量输入接口、20路模拟量输出接口。通过相应的驱动程序，模拟模型产生或需要的各种信号数据可以直接从各个接口输出或输入，满足仿真测试的需要。
所述CAN通讯卡的型号为CAN-AC2-PCI，通过PCI插槽与工控机相连，具有2个CAN节点。通过相应的驱动程序，模拟模型产生或需要的CAN信号数据可以直接从该CAN接口输出或输对整车控制器仿真测试装置输入输出的信号均采用了TLP521光耦器件对信号进行了隔离，以保持仿真测试装置内信号的不受待测整车控制器的干扰。对输入输出信号均进行了上拉处理，以避免待测整车控制器和仿真测试装置输出较大功率导致损坏。电路设计中内置了不同的跳线配置开关，通过跳线开关J1_0可以配置输入信号为上拉模式、下拉模式及悬空模式；通过跳线开关J2_0可以配置输入信号为+5V有效或+24V有效；通过跳线开关J3_0、J40可以配置该路输入输出复用信号为输入或输出模式；通过跳线开关J5_0可以配置输出信号为+5V电平或+24V电平。
本整车控制器测试装置可以按照用户自定义的模拟模型对不同的控制器进行测试，将本实用新型应用到实际的整车控制器开发过程中后，有以下显著的优点
a)降低了整车控制器软硬件开发的难度，缩短了整车控制器软硬件的开发周期，提高了整车控制器软硬件的性能。在一定程度上解决了不能频繁进行实车试验的问题。
b)降低了实车试验的难度，提高了实车试验的效率与安全性，节约了实车试验的成本，降低了实车试验的风险。
c)装置具有通用性，可以根据需要进行不同的仿真测试，并不局限于整车控制器的开发，具有广泛的应用前景。
实验证明，本实用新型能够简化整车控制器的开发过程，降低了硬件成本和软件设计的工作量，使用中具有很高的灵活性，达到了预期的目的。
图1为本整车控制器仿真测试装置结构示意图；图2为实现工控机模拟整车装置的数学模型示意图；图3为所述可配置的信号处理装置结构示意图；图4为可配置的信号处理装置中一路输入输出复用信号的可配置电路示意图。
具体实施方式
如图1所示，是由工控机模拟司机装置、工控机模拟整车装置、可配置的信号处理装置，以及数据采集卡和CAN卡组成的本整车控制器仿真测试装置结构示意图。两台工业控制计算机分别构成虚拟整车装置和虚拟司机装置。虚拟装置产生或接收的CAN信号通过PCI总线与CAN通讯卡相连，由CAN通讯卡通过CAN总线与待测整车控制器进行通讯。实时监控系统也通过CAN网络接入仿真测试系统，对整个系统进行监控。虚拟装置产生或接收的数字模拟信号通过PCI总线与数据采集卡相连。数据采集卡与可配置的信号处理装置之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号处理装置对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器硬件在环仿真测试。通过调整可配置信号处理装置的配置方式，可以实现各种车辆的不同信号规范。
如图2所示，可配置的信号处理装置系统具有一个电源处理模块和多个信号处理配置模块。电源处理模块将市电转换为仿真测试系统需要的各种供给电源对系统进行供电，并向外输出模拟实际整车对待测ECU的供电。数据经过不同的信号处理配置模块进行处理以后，将与实际整车信号协议一致。由于可以对各个信号处理配置模块可以进行不同的配置，故使用该装置模拟实际整车信号十分灵活与便利。
如图3所示，虚拟整车装置的数学模型由发动机模型、DCDC变换器模型、车辆动力学模型、电机模型、蓄电池模型和CAN处理模型在Matlab/Simulink环境下组成。各个模型在计算机内建立了与整车特性完全一致的虚拟模型，并使用所述的各种接口与实际待测整车控制器构成一个硬件在环仿真测试系统。由于该数学模型可以随时根据实际的变化进行相应的修改，或者根据不同的对象建立新的数学模型，或者使用更加优秀的算法改善模型精度，因此整个虚拟装置实际上是完全开放的，使用起来十分灵活与便利，并将有十分广泛的利用前景。
如图4所示，对整车控制器仿真测试装置输入输出的信号均采用了TLP521光耦器件对信号进行了隔离，以保持仿真测试装置内信号的不受待测整车控制器的干扰。对输入输出信号均进行了上拉处理，以避免待测整车控制器和仿真测试装置输出较大功率导致损坏。电路设计中内置了不同的跳线配置开关，通过跳线开关J1_0可以配置输入信号为上拉模式、下拉模式及悬空模式；通过跳线开关J2_0可以配置输入信号为+5V有效或+24V有效；通过跳线开关J3_0、J4_0可以配置该路输入输出复用信号为输入或输出模式；通过跳线开关J5_0可以配置输出信号为+5V电平或+24V电平。
所述的工控机为研华工业控制计算机，基于Matlab/Simulink构建虚拟装置。包括车辆动力学虚拟模型、燃料电池发动机虚拟模型、DC-DC变换器虚拟模型、电动机虚拟模型、蓄电池虚拟模型和司机虚拟模型，各模型产生或需要的数据通过所述数据采集卡和所述CAN通讯卡与外界进行通讯。
所述数据采集卡的型号分别为PCI-1731、PCI-1723、PCI-1720，其中PCI-1731、PCI-1723各两块，PCI-1720一块，通过PCI插槽与工业控制计算机相连，共具备32路数字量输入接口、32路数字量输出接口、32路数字量输入/输出复用接口、32路模拟量输入接口、20路模拟量输出接口。通过相应的驱动程序，虚拟模型产生或需要的各种信号数据可以直接从各个接口输出或输入，满足仿真测试的需要。
所述CAN通讯卡的型号为CAN-AC2-PCI，通过PCI插槽与工业控制计算机相连，具有2个CAN节点。通过相应的驱动程序，虚拟模型产生或需要的CAN信号数据可以直接从该CAN接口输出或输入。
所述的可配置的信号处理装置包含了可配置的信号处理单元、电源供给单元和信号接口，通过SCAS与IDE标准接口与数据采集卡连接。所述的可配置的信号处理单元采用了TLP521、LM124、74HC04等，实现信号处理方式是通过TLP521、74HC04对数字信号进行隔离、电压变换处理，通过LM124对模拟信号进行放大处理，可通过跳线插针对处理电路进行不同的配置，实现各种测试的不同需要。所述的电源供给单元采用了400W24VAC-DC电源供给模块、40W±15VDC-DC、40W+12VDC-DC、15W+5VDC-DC变换模块，对市电进行变换处理，以满足仿真测试装置的供电需要，实现信号处理方式是接入220V市电通过400W24VAC-DC电源处理后得到+24V直流供电，然后通过40W±15VDC-DC和40W+12VDC-DC变换模块从+24V供电得到±15V和+12V直流供电，通过15W+5VDC-DC变换模块从+12V供电得到+5V供电。所述的信号接口采用定制的标准同轴电缆，有较强的抗电磁干扰能力，可以方便的与整车控制器进行连接。
对实际的燃料电池混合动力城市客车整车控制器dSPACE进行仿真测试，其步骤如下1)首先按照实际现场的信号连接方式将dSPACE控制器接入仿真测试装置，仿真测试具体连接如表1、表2和表3所示。
表1 虚拟整车装置信号连接
表2 虚拟司机及仪表装置信号连接
表3 dSPACE控制器信号连接
2)启动虚拟整车装置和虚拟司机装置所用工业控制计算机，分别运行满足仿真测试装置条件的XPC仿真模型和RTWin仿真模型。启动可配置的信号处理装置。
3)启动dSPACE，运行控制程序。
4)在虚拟司机装置上模拟司机行车时的各种操作，例如踩油门、踩制动踏板、按下紧急停车开关等操作。观察虚拟司机装置上仿真仪表的变化过程。
5)通过虚拟整车装置观察整车各个部件的运行情况及实际运行参数，例如电机输出扭矩、燃料电池输出功率、水温等。
6)通过实时监控系统记录仿真测试过程中产生的各种信号数据。
从以上所述的测试实例中可以看到，基于本仿真测试装置的试验除了待测整车控制器为实际车用控制器以外，所有的测试环境均为仿真测试装置虚拟真实环境得到，并且从控制器角度上看与整车真实环境完全一致。从而实现了低成本地、便捷地、快速地对整车控制器进行各种测试，不但提高了整车控制器得开发效率，降低开发成本，也完善了整车控制器上车前的必要测试过程，降低了整车控制器进行实车试验的风险及成本。
权利要求1.一种整车控制器仿真测试装置，其特征在于，该装置包括工控机模拟司机装置、工控机模拟整车装置、可配置的信号处理装置，以及数据采集卡和CAN卡；工控机模拟装置产生或接收的数字/模拟信号与数据采集卡相连，数据采集卡与可配置的信号处理装置之间相连，可配置的信号处理装置采用标准接口与待测整车控制器相连；工控机模拟司机装置、工控机模拟整车装置通过CAN卡与外界CAN网络及实时监控系统相连；整车控制器仿真测试装置输入输出的信号均采用了光耦器件对信号进行了隔离。
2.根据权利要求1所述的一种整车控制器仿真测试装置，其特征在于，所述数据采集卡的型号分别为PCI-1731、PCI-1723、PCI-1720，其中PCI-1731、PCI-1723各两块，PCI-1720一块，通过PCI插槽与工控机相连，共具备32路数字量输入接口、32路数字量输出接口、32路数字量输入/输出复用接口、32路模拟量输入接口、20路模拟量输出接口。
3.根据权利要求1所述的一种整车控制器仿真测试装置，其特征在于，所述CAN通讯卡的型号为CAN-AC2-PCI，通过PCI插槽与工控机相连，具有2个CAN节点。
4.根据权利要求1所述的一种整车控制器仿真测试装置，对整车控制器仿真测试装置输入输出信号进行隔离的光耦器件为TLP521光耦器。
专利摘要一种整车控制器仿真测试装置，包括工控机模拟司机装置、工控机模拟整车装置、可配置的信号处理装置，以及数据采集卡和CAN卡；工控机模拟装置产生或接收的数字/模拟信号与数据采集卡相连，数据采集卡与可配置的信号处理装置之间相连，可配置的信号处理装置采用标准接口与待测整车控制器相连。基于本仿真测试装置的所有的测试环境均为仿真测试装置虚拟真实环境得到，从控制器角度上看与整车真实环境完全一致，从而实现了低成本、便捷、快速地对整车控制器进行各种测试，完善了整车控制器上车前的必要测试过程，提高了整车控制器得开发效率，降低了整车控制器进行实车试验的风险及成本。
文档编号G06G7/66GK2758731SQ200420010000
公开日2006年2月15日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者华剑锋, 何彬, 章建勇, 贾要勤, 李建秋, 欧阳明高 申请人:清华大学