燃料電池汽車(chē)整車(chē)控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺設計

　　虛擬平臺的數字信號和模擬信號通過(guò)PCI接口的數據采集卡實(shí)現與真實(shí)世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅動(dòng)程序，可以直接用于實(shí)時(shí)仿真。對于部分不支持Matlab實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的數據采集卡，可以采用Matlab／Simulink環(huán)境下的S函數編寫(xiě)，并在Matlab環(huán)境下調用動(dòng)態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅動(dòng)程序，因此采用S函數進(jìn)行集成。整個(gè)虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入／輸出復用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。

　　虛擬平臺產(chǎn)生或接收的CAN信號通過(guò)PCI總線(xiàn)與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過(guò)CAN總線(xiàn)與待測整車(chē)控制器進(jìn)行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協(xié)議，能夠同時(shí)輸出2路獨立的CAN信號。

信號調理器硬件設計

　　由于燃料電池客車(chē)上的信號比較復雜，數字信號有24V、12V和5V等不同的驅動(dòng)電平和驅動(dòng)方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅動(dòng)功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過(guò)數據采集卡輸出的信號比較單一，故經(jīng)過(guò)信號調理器對信號進(jìn)行調理后，才能夠完全再現燃料電池客車(chē)上的真實(shí)控制接口，直接與整車(chē)控制器連接進(jìn)行仿真測試。

　　如圖2所示，虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數字模擬信號通過(guò)PCI總線(xiàn)與數據采集卡相連。數據采集卡與可配置的信號調理器之間通過(guò)專(zhuān)用的數據線(xiàn)進(jìn)行數據交換，經(jīng)過(guò)可配置的信號調理器對信號進(jìn)行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換后，輸出信號完全符合實(shí)際整車(chē)信號規范，并采用標準接口與待測整車(chē)控制器相連，從而實(shí)現對整車(chē)控制器的無(wú)縫連接。通過(guò)調整可配置信號調理器的配置方式，可以實(shí)現各種車(chē)輛的不同信號規范。信號調理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據用戶(hù)的需要隨時(shí)更換子板電路，以滿(mǎn)足不同仿真測試的需要。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺軟件設計

虛擬整車(chē)平臺軟件設計

　　虛擬整車(chē)平臺基于Matlab／Simulink平臺構建了燃料電池汽車(chē)仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動(dòng)機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動(dòng)電機及車(chē)輛負載。系統各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)模型在Matlab／Simulink xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境上運行。整車(chē)仿真模型通過(guò)PCI數據采集卡和PCI CAN卡實(shí)現與駕駛員和整車(chē)控制器的通訊。

虛擬司機平臺軟件設計

　　虛擬司機平臺實(shí)現了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號由測試人員通過(guò)踏板輸入外，其余整車(chē)肩停開(kāi)關(guān)、燃料電池開(kāi)關(guān)、電機轉速表、車(chē)速表、水溫報警等控制開(kāi)關(guān)和儀表均由虛擬司機平臺實(shí)現。整個(gè)模型基于Matlab／Simulink RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境實(shí)現，并利用Matlab Gauges工具箱實(shí)現了整車(chē)儀表顯示和控制開(kāi)關(guān)輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監控數據的儀表開(kāi)發(fā)工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開(kāi)發(fā)出虛擬車(chē)用儀表系統。虛擬司機仿真模型同樣通過(guò)PCI數據采集卡和PCI CAN卡實(shí)現與駕駛員和整車(chē)控制器的通訊。

實(shí)時(shí)性能分析

　　Matlab／Simulink為實(shí)時(shí)仿真提供了很好的軟件環(huán)境。Real-TimeWorkshop代碼自動(dòng)生成工具可以將仿真模型編譯生成實(shí)時(shí)C代碼，并支持多種實(shí)時(shí)仿真目標環(huán)境，包括Matlab 工具箱RTW Target、xPC Tar-get以及第三方軟件，如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來(lái)構建虛擬整車(chē)平臺和虛擬司機平臺。

　　整車(chē)虛擬平臺承擔再現真實(shí)燃料電池汽車(chē)運行的任務(wù)，是整個(gè)測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車(chē)結構復雜、控制對象較多，為了真實(shí)再現整車(chē)運行情況，系統各部件模型除了需要滿(mǎn)足精度要求外，還必須嚴格滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。整車(chē)虛擬平臺采用的xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境采用目標機和宿主機的結構，由Matlab生成的實(shí)時(shí)內核通過(guò)軟驅或者USB閃存獨立運行在目標機上，直接調用CPU資源。仿真模型通過(guò)宿主機編譯生成實(shí)時(shí)代碼后下載到目標機上運行，能夠實(shí)現嚴格的系統實(shí)時(shí)仿真。

　　虛擬司機平臺采用的RTW Target實(shí)時(shí)內核直接運行在Matlab／Simulink環(huán)境中，在同一臺PC機上就能夠迅速實(shí)現系統的實(shí)時(shí)仿真。其缺點(diǎn)是由于整個(gè)系統在Windows系統下運行，實(shí)時(shí)內核不能完全占有PC機操作系統資源，實(shí)時(shí)性受其他運行程序的影響。由于駕駛員模擬操作對實(shí)時(shí)性要求不高，因此選擇RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境能夠滿(mǎn)足這一要求。

實(shí)時(shí)仿真信號定義

　　虛擬整車(chē)平臺、虛擬司機平臺的信號定義如表1、表2所示，與目標燃料電池汽車(chē)完全保持一致。虛擬整車(chē)平臺定義了燃料電池汽車(chē)各部件控制器CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)協(xié)議以及整車(chē)控制器制動(dòng)信號輸入和整車(chē)車(chē)速輸出。虛擬司機平臺系統信號包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入，并定義了一個(gè)數據采集CAN節點(diǎn)。虛擬整車(chē)平臺與虛擬司機平臺除了車(chē)速信號、CAN網(wǎng)絡(luò )信號的聯(lián)系，其他所有信號均是與整車(chē)控制器交互。