車輛控制系統(tǒng)開發(fā)軟件閉環(huán)模擬方法
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另一種系統(tǒng)配置是采用筆記本電腦。PC 計(jì)算機(jī)固有的外設(shè)有串口、并口、USB 和網(wǎng)絡(luò)接口，串口由于通信速度慢，顯然不適于作采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)接口由于與單片機(jī)的接口比較復(fù)雜，也不太適于作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與通信。USB和并口通信速度比較高，并且與單片機(jī)的接口也比較簡單，這樣可以外掛兩個(gè)獨(dú)立的外設(shè)。一般在我們的系統(tǒng)中一個(gè)作為單片機(jī)的仿真器用，一個(gè)作為采集卡構(gòu)成實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，這樣采用筆記本就增加了移動性，方便靈活。圖2 為這一系統(tǒng)的框圖。
圖2 筆記本PC 構(gòu)成的開發(fā)系統(tǒng)框圖
1)純模擬系統(tǒng)：采用MATLAB 建模，進(jìn)行控制系統(tǒng)的模擬。
2)集成單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)：采用PC104 總線結(jié)構(gòu)，控制算法直接生成C 代碼，并直接下載到單片機(jī)仿真器中運(yùn)行，這樣可以實(shí)時(shí)修改控制算法，即可以在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行，也可以在實(shí)車上進(jìn)行調(diào)試。
3)集成測試系統(tǒng)：利用PC104 采集卡可以對車輛非控制器參數(shù)進(jìn)行采集，如壓力、速度等，用這些數(shù)據(jù)可以有效地對控制效果進(jìn)行評估。
4)集成實(shí)時(shí)硬件模擬系統(tǒng)：利用采集卡可以發(fā)出各種模擬的傳感器信號，如模擬量通過D/A 發(fā)出，脈沖信號通過PWM 信號發(fā)出。
5)集成的車載系統(tǒng)：采用專用的計(jì)算機(jī)抗振機(jī)箱，整套系統(tǒng)可以直接放到車輛上進(jìn)行ECU 的調(diào)試，調(diào)試過程中可以采集各種物理量，同時(shí)此系統(tǒng)可以進(jìn)行各個(gè)階段的模擬。這種系統(tǒng)將軟件及硬件一體化，同時(shí)應(yīng)用于車輛控制系統(tǒng)各個(gè)開發(fā)階段，最有效地提高了設(shè)備的利用率，避免了開發(fā)環(huán)境的切換，從而可以縮短開發(fā)時(shí)間。圖3 為這一系統(tǒng)的外形圖。這一系統(tǒng)首先硬件實(shí)現(xiàn)了從模擬到系統(tǒng)的集成化，硬件是同一設(shè)備完成各個(gè)階段的開發(fā)，下面要介紹的軟件也是一體化的。
圖3 開發(fā)系統(tǒng)外形圖
系統(tǒng)軟件采用MATLAB 系統(tǒng)建立控制對象模型，即車輛模型?；旌峡刂破鞯哪Ｐ途涂梢孕纬杉兡M系統(tǒng)，但這種純模擬系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一的MATLAB 環(huán)境控制器模型，也采用SIMULINK 可視化模型，這是最初的模型。如果要使用MATLAB 中的工具箱，這類模型有一定的限制，如不能采用連續(xù)性模塊，采用嵌入式代碼生成器工具箱，可以將控制器子系統(tǒng)生成C 代碼，也可以采用專用的單片機(jī)代碼生成器生成C 代碼，如目前MATLAB 中已有Motorola MPC555、TI TMS320C6000、Infineon C167 系統(tǒng)單片機(jī)專用工具箱控制C 代碼的生成并可以控制C 代碼的編譯、連接，最后生成可執(zhí)行代碼。生成可執(zhí)行代碼后，可以將系統(tǒng)直接下載到目標(biāo)單片機(jī)上，這時(shí)就可以用目標(biāo)單片機(jī)直接對應(yīng)用對象即實(shí)際車輛進(jìn)行控制了。但單片機(jī)代碼不能直接對模擬模型進(jìn)行控制了，這樣就造成了開發(fā)過程的脫節(jié)。因?yàn)橛蒘IMULINK生成代碼的過程，有可能改變了系統(tǒng)算法的特性。不同廠商的編譯器也會存在一些問題，所以直接用生成的單片機(jī)代碼對模擬對象進(jìn)行控制是最便利的，當(dāng)然這時(shí)可以利用實(shí)時(shí)硬件閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模擬與驗(yàn)證。但由于控制器硬件的過早介入要花費(fèi)很大的精力去調(diào)整信號，而往往硬件連接會帶來很多麻煩，如信號連接等。再者在算法調(diào)整階段并不需要硬件的介入，在這種情況下，就需要有一種連接單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換界面，從而形成一種快速實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)方式，使車輛模型系統(tǒng)與控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速通信，從而實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)時(shí)模擬，基于此在本系統(tǒng)中采用兩種數(shù)據(jù)交換方式。
(1) CAN 通信方式
(2) 雙口RAM 通信方式
其結(jié)構(gòu)方式見圖4。
圖4 數(shù)據(jù)交換方式
采用CAN 總線通信比較方便，這是因?yàn)槟壳霸S多單片機(jī)已內(nèi)置了CAN 控制器，一般CAN 控制器具有15 個(gè)信息體，新出現(xiàn)的單片機(jī)則可以帶更多的CAN 控制器，每個(gè)信息體有8 個(gè)字節(jié)，這樣就可以有120個(gè)字節(jié)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)CAN 的最高通信速度為1MHz 波特率，足以滿足實(shí)時(shí)模擬的要求。在PC計(jì)算機(jī)方面一般沒有CAN 接口，但CAN 的接口卡是比較多的。本系統(tǒng)采用自制的CAN 采集卡，該采集卡可以采用USB接口轉(zhuǎn)換，也有并口、ISA、PCI 幾種接口，只用兩根CAN 通信線就可以將單片機(jī)與PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信連接。當(dāng)然串口與單片機(jī)的連接也很方便，除非是一些低速簡單的控制系統(tǒng)，但串口通信一是速度慢，二是它的數(shù)據(jù)傳遞不像CAN 是數(shù)據(jù)包的形式，所以容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。
CAN 通信只能傳送字節(jié)型數(shù)據(jù)，對不同的數(shù)據(jù)類型要進(jìn)行變換，例如要傳送浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，先把它變換為字節(jié)型變量，接收后要進(jìn)行解碼，把它還原為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)的原理見圖5。
圖5 CAN 數(shù)據(jù)交換原理
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