CN101332816A - 开放式汽车机械式自动变速器电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式汽车机械式自动变速器电控系统。它解决了目前汽车电子研发中的封闭性、重复劳动等问题，具有结构合理，重构性、移植性好，易于维护等优点。其结构为：它分为三层：底层由ECU模块和硬件及操作系统抽象层构成，是系统软件运行的硬件平台，完成控制和驱动功能；中间层为软件总线，它由量子框架构成，通过接口配置文件实现了软件总线和底层间的通信；顶层为系统控制层，它是由以状态机内核为核心的多个功能模块构成，各功能模块均有功能模块描述文件，然后功能模块描述文件通过控制层接口与软件总线通信，完成模块间的信息交互；各功能模块彼此相互独立。

Description

开放式汽车机械式自动变速器电控系统

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，尤其涉及一种开放式汽车机械式自动变速器电控系统。

背景技术

AMT是一种机、电、液、气一体化的高科技产品。它的基本控制思想是：根据驾驶员的意图(加速踏板、制动踏板、选择器开关等)和车辆的状态(发动机转速、输入轴转速、车速、档位等)，依据设定的规律(换档规律，离合器接合规律等)，借助相应的执行机构(油门控制执行机构、选换档执行机构、离合器分离与接合执行机构)，对车辆的动力传动系统(发动机、离合器、变速器)进行联合控制。

我国AMT研制工作起步较晚，“九·五”期间，AMT的开发研制和产品化被列入国家“九·五”科技攻关项目，目前我国的AMT开发技术，尤其是其核心——ECU软硬件开发，主要停留在试验研究阶段。

嵌入式系统大多为反应式系统，它们在运行过程中从一个状态转移到另一个状态，这些状态的变化和转移形成了状态机。机械式自动变速器(AMT)系统是典型的嵌入反应式系统，一般来讲，汽车在驾驶员的操控下，换档过程表现出摘档、选档、挂档等状态，可以应用有限状态机的建模方法建立AMT系统的行为逻辑模型。有限状态机(FSM)理论作为自动控制理论的一部分，应用在很多领域，但传统的FSM实现方法多存在代码难以复用、维护困难等问题。

随着嵌入式技术的迅猛发展，汽车电子化为汽车生产企业带来了新的经济增长点，汽车电子在整车中所占的比例越来越高。而汽车电子控制系统研究厂商众多，系统中用到的处理器也是千差万别，运行环境更是各有千秋，因此在汽车网络中开发多处理器实时嵌入式系统的一个主要难题就是嵌入式软件的复用，同时，嵌入式系统本身资源有限，对实时性的要求较高。另外，在汽车电子控制系统的控制逻辑规定了电控单元(ECU)完成特定功能所必须的步骤和事件的序列，为了提高自己产品的竞争力，各汽车厂商又在不停地对电控系统更新换代，电控系统的控制越来越复杂，当向控制系统中添加新的部件、增加新的控制算法或替换已有的子系统时，其控制逻辑必然发生改变。因此，针对不同的产品开发过程不同，每次开发过程又有不少重复性的工作，控制系统的扩展性、移植性都很差。这种各厂商单独进行的封闭的汽车电控系统开发模式的缺点越来越突出。

OSEK/VDX(简称OSEK)规范是欧洲汽车工业界于1993提出的，它主要由四部分组成：操作系统规范(OSED Operating System，OSEK OS)、通信规范(OSEK Communication，OSEKCOM)、网络管理规范(OSEK Management，OSEK NM)和OSEK实现语言(OSEK ImplementationLanguage，OIL)，此后，很多软件生产厂商推出了符合OSEK规范的产品。虽然在上世纪90年代中开发的OSEK标准现今已被广泛使用，但它仍然并非全世界通行的。2003年启动的AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)计划旨在建立一个与软硬件平台无关的结构，以实现系统的开放。该计划只取得了初步的研究成果，并没有成为各生产厂商共同遵循的标准规范，而且日本的汽车厂商本田公司正在申请成为2004年成立的日本软件平台和架构(JASPAR)联盟的成员，而JASPAR是独立于AUTOSAR之外的，因此，AUTOSAR短期内可能并不会成为全世界通用的标准规范。

目前国内对开放式汽车电控系统的研究主要集中在符合OSEK标准的操作系统的实现和OSEK的应用技术上，并没有深入地对具体的汽车电控系统功能实现进行研究，而且要实现真正的开放式系统，就必须在嵌入式系统的软件和硬件层次上均要实现开放，系统控制软件就要适应不同的操作系统和不同的电控单元(ECU)硬件，因此必须将系统软件与底层的操作系统和ECU硬件隔离开来，软件总线就起到了这个作用。本发明将量子框架技术应用到汽车机械式自动变速器开发中，实现了软件和硬件层次上的开放。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前汽车电子研发中的封闭性、重复劳动等问题而提供的一种具有结构合理，重构性、移植性好，易于维护等优点的开放式汽车机械式自动变速器电控系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种开放式汽车机械式自动变速器电控系统，它分为三层：底层由ECU硬件、硬件和操作系统抽象层构成，包括嵌入式处理器、外围电路、接口以及各种总线(如CAN、LIN、FlexRay等)的网关，构成了各子系统的实际连接，是系统软件运行的硬件平台，实现了具体的控制和驱动功能；中间层为软件总线，它由量子框架来完成的，通过接口配置文件实现了软件总线和底层硬件及操作系统的完美结合；顶层为系统软件层，它是由以状态机内核为核心的多个功能模块构成，各功能模块均有功能模块描述文件，然后通过系统软件层接口实现了与软件总线的结合，完成模块间的信息交互。各模块是相互独立的，它们之间的信息交互是通过软件总线完成的，可以容易地进行行为重构和功能扩展而不需要对系统程序作大的改动。

所述ECU模块包括20路数字量I/O口，可完成把手按键、倒挡开关、空挡开关、高低挡开关、升降挡按键、油门限位开关、分离制动开关、制动开关等开关量的采集；并通过霍尔传感器和正交编码器分别对发动机转速、中间轴转速、输出轴转速进行采集，计算得出三个轴的转速，为自动换挡提供换挡依据；具有18路模拟量输入口，可完成对油门踏板、离合器踏板、换挡把手、离合器位移、气压、三轴加速度、选挡等模拟量传感器的16位AD转换。具有16路功率开关管输出，可以完成选换挡阀、高低挡选择阀、离合器、油门的控制，协调完成自动换挡过程；具有CAN和RS-485两种通信方式，可通过CAN总线与上位机调试工具通信对AMT系统的状态实时监控，还可以与其他车辆ECU进行数据共享；通过485总线与显示模块通信，完成当前挡位和换挡把手位置的实时显示。

所述功能模块包括运行模式模块、控制策略模块、执行驱动模块和通信显示模块，各个功能模块通过软件总线进行信息交互。

所述中间层中软件总线采用“出版-订阅”模式，并利用量子框架自身的定时器产生周期或者超时定时信号，来驱动各个功能模块的动作。

所述开始量子框架定时器发送周期定时信号，信息采集功能模块进入采集状态后，便可以接收这个信号，触发动作，通过传感器监测当前车速、油门踏板和换档手柄的位置变更信息，发送油门-车速信号给执行驱动功能模块，该对象在跟随状态下通过这个信号进行油门控制；假如当前换挡手柄换到M位置，则发布手动挡信号，运行模式功能模块，接收到这个信号后，从正常状态进入手动模式状态，开始检测换挡按键的动作；通信显示功能模块接收到手动挡信号后，更新当前显示的模式信息；

运行模式功能模块在手动模式状态下，如果检测到换挡按键的动作，则设定相应的目标档位后发布启动换挡信号换挡开始，执行驱动功能模块接收到这个信号后进入换挡状态，在这个状态下进行换挡操作，并在换挡完成后发布换挡结束信号，通知通信显示功能模块换挡完成；通信显示功能模块接收到换挡开始信号后，进入闪烁状态，通过延时信号闪烁显示当前信息，并在换挡结束信号到达后退出闪烁状态，返回正常显示状态，更新显示车况信息；

如果运行模式功能模块接收到换挡手柄变更信号是自动挡信号，则不管在什么状态，直接进入自动模式状态，在这个状态下，接受油门-车速信号后，检测当前的车辆发动机转速，加速度等信息，通过一定的换挡规律计算最佳档位信息，如果与当前档位不同，则发布启动换挡信号；另外，运行模式功能模块在手动模式或者自动模式状态下，接收到空挡信号、低速挡信号或倒挡信号时，自动转入超状态正常状态进行处理。

所述量子框架在系统初始化时为每个功能模块分配一个唯一的优先级，作为该功能模块的ID，这个ID在程序运行的过程中是不可改变的，并在发布订阅查找表数据结构QSubscrList的相应位置设1或0来映射订阅了某个事件的功能模块；已经划分好的功能模块运行于软件总线之上，各功能模块之间没有共享任何数据，它们之间是一种松耦合的关系，实现信息交互必须通过软件总线；量子框架采用事件队列来完成各功能模块之间的通信接口，并且只能通过事件队列与其他功能模块进行信息交互，各功能模块之间采用一种通信机制以保证模块在运行过程中的完整性和松耦合性，发布-订阅机制就是事件订阅者向软件总线订阅事件，事件产生者将事件发布到框架中，然后由量子框架来分发事件；

事件队列的操作是遵守多入单出的规则，即可以接收多个事件产生源的事件插入，而只能由功能模块本身从事件队列中取出事件；当事件产生者将事件发布到软件总线上，事件调度器就将同时从查找表数据结构QSubscrList中找到订阅了这个事件的优先级最高的订阅者ID，进行相应的事件触发状态转换。

本发明的有益效果是：

(1)采用数字信号处理DSP芯片TMS320LF2407及大规模逻辑可编程CPLD芯片等先进电子技术完成了AMT系统硬件设计。

(1)采用量子框架构成软件总线技术设计AMT系统电控单元的系统软件。

(2)电控系统的软、硬件隔离，不固定采用某种微处理器芯片或某种嵌入式操作系统，当采用其他ECU硬件或不同操作系统时，只需要修改相关的硬件或操作系统抽象文件，而不需要对整个系统进行大幅度地修改，实现了软件和硬件层次上的开放，这也实现了系统功能模块的代码重用。

(3)采用模块化设计，各功能模块有限状态机设计并采用标准的通信接口，可以挂接到软件总线上，容易地实现了功能扩展和裁剪。

附图说明

图1为汽车AMT系统硬件结构图；

图2为AMT系统开放式体系结构图；

图3为各功能模块之间的信息交互图；

图4为通信接口操作示意图。

其中，1.ECU模块，2.硬件及操作系统抽象层，3.接口配置文件，4.软件总线，5.软件层接口，6.功能模块描述文件，7.运行模式模块，8.信息采集模块，9.执行驱动模块，10.通信显示模块，11.发布者，12.订阅者。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1为汽车AMT系统硬件结构图，该系统包括复杂可编程逻辑器件CPLD和DSP处理器，其中CPLD的数字量I/O口通过霍尔传感器和正交编码器分别采集与变速箱输入轴转速、变速箱输出轴转速、发动机转速，计算得出三个轴的转速，为自动换挡提供换挡依据；数字量I/O口还采集空档开关、倒档开关、高低档开关、把手开关、油门限位开关、其他开关量输入信号；CPLD的数字量I/O口控制油门步进电机、变速器选档、离合器高速开关阀的动作；

DSP处理器的模拟量输入口与油门踏板传感器、离合器踏板传感器、换档把手传感器、选档传感器、其他模拟传感器连接，进行16位AD转换；输出端则与显示模块和CAN及RS485总线连接；

CAN总线与上位机调试工具通信对系统的状态实时监控，同时还与其他车辆ECU模块进行数据共享；485总线与显示模块通信，完成当前挡位和换挡把手位置的实时显示。

图2为AMT系统开放式体系结构图，一个完整的AMT电控系统可以分为三层，底层由ECU模块1以及硬件和操作系统抽象层2构成，包括嵌入式处理器、外围电路、接口以及各种总线(如CAN、LIN、FlexRay等)的网关，该层构成了各子系统的实际连接，是系统软件运行的硬件平台，实现了具体的控制和驱动功能；中间层为软件总线4，这部分是由量子框架来完成的，通过接口配置文件3实现了软件总线4和底层ECU模块1及操作系统的完美结合；顶层为系统软件层，它是由以状态机内核为核心的多个功能模块构成，6为功能模块描述文件，然后通过系统软件层接口5实现了与软件总线的结合，完成模块间的信息交互。各模块是相互独立的，它们之间的信息交互是通过软件总线4完成的，可以容易地进行行为重构和功能扩展而不需要对系统程序作大的改动。汽车在行驶过程中的换挡逻辑分为两种情况——手动挡模式和自动挡模式。两种模式下的换挡逻辑是完全相同的，唯一不同的是换挡指令来自于驾驶员还是电控单元(ECU)。当工作在手动挡模式下，换挡指令是由驾驶员按下升降挡开关发出，而在自动挡模式下换挡指令是由ECU根据车辆当前的发动机转速、车速、加速度等参数通过换挡策略计算的最佳挡位发出的。因此将AMT系统分为四个活动变量：运行模式模块7、信息采集模块8、执行驱动模块9和通信显示模块10，各个功能模块通过软件总线2进行信息交互。

图3为各功能模块之间的信息交互图，各个功能模块之间的交互我们全部采用“出版-订阅”模式，而没有采用事件的直接发送模式，采用这种模式的原因是，可以降低功能模块之间的耦合性，以便提高软件的服用性和可维护性。另外，我们采用了量子框架自身的定时器产生周期或者超时定时信号，来驱动各个功能模块的动作。开始量子框架定时器发送周期定时信号，信息采集功能模块进入采集状态后，便可以接收这个信号，触发动作，通过传感器监测当前车速、油门踏板和换档手柄的位置变更信息，发送油门-车速信号给执行驱动功能模块，该对象在跟随状态下通过这个信号进行油门控制。假如当前换挡手柄换到M位置，则发布手动挡信号，运行模式功能模块，接收到这个信号后，从正常状态进入手动模式状态，开始检测换挡按键的动作；通信显示功能模块接收到手动挡信号后，更新当前显示的模式信息。

运行模式功能模块在手动模式状态下，如果检测到换挡按键的动作，则设定相应的目标档位后发布启动换挡信号换挡开始，执行驱动功能模块接收到这个信号后进入换挡状态，在这个状态下进行换挡操作(分三个子状态)，并在换挡完成后发布换挡结束信号，通知通信显示功能模块换挡完成。通信显示功能模块接收到换挡开始信号后，进入闪烁状态，通过延时信号闪烁显示当前信息，并在换挡结束信号到达后退出闪烁状态，返回正常显示状态，更新显示车况信息。

如果运行模式功能模块接收到换挡手柄变更信号是自动挡信号，则不管在什么状态，直接进入自动模式状态，在这个状态下，接受油门-车速信号后，检测当前的车辆发动机转速，加速度等信息，通过一定的换挡规律计算最佳档位信息，如果与当前档位不同，则发布启动换挡信号。另外，运行模式功能模块在手动模式或者自动模式状态下，接收到空挡信号、低速挡信号或倒挡信号时，自动转入超状态正常状态进行处理。

图4为通信接口操作示意图，量子框架在系统初始化时为每个功能模块分配一个唯一的优先级，作为该功能模块的ID，这个ID在程序运行的过程中是不可改变的，并在发布订阅查找表数据结构QSubscrList的相应位置设1或0来映射订阅了某个事件的功能模块。已经划分好的功能模块运行于软件总线之上，各功能模块之间没有共享任何数据，它们之间是一种松耦合的关系，实现信息交互必须通过软件总线，这就需要采用一种标准的对外通信接口。量子框架采用事件队列来完成了各功能模块之间的通信接口，并且只能通过事件队列与其他功能模块进行信息交互，另外，各功能模块之间必须采用一种通信机制以保证模块在运行过程中的完整性和松耦合性，而发布-订阅机制就是一种很好的动态通信和去耦方法，事件订阅者向软件总线订阅事件，事件产生者将事件发布到框架中，然后由量子框架来分发事件。

事件队列的操作是遵守多入单出的规则，即可以接收多个事件产生源(功能模块、中断等)的事件插入，而只能由功能模块本身从事件队列中取出事件。当事件发布者11将事件发布到软件总线上，事件调度器就将同时从查找表数据结构QSubscrList中找到订阅了这个事件的优先级最高的订阅者12ID，进行相应的事件触发状态转换。由上面的叙述可知，要使一个功能模块能够在量子框架上运行并可与其他模块实现通信必须完成以下三个方面的配置：事件信号、事件属性和发布订阅接口。

本发明的架构屏蔽了AMT系统的硬件类型和软件运行环境的差异，通过配置实现了软硬件层次上的开放性。

Claims (6)

1.一种开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，它分为三层：底层由ECU模块和硬件及操作系统抽象层构成，是系统软件运行的硬件平台，完成控制和驱动功能；中间层为软件总线，它由量子框架构成，通过接口配置文件实现了软件总线和底层间的通信；顶层为系统控制层，它是由以状态机内核为核心的多个功能模块构成，各功能模块均有功能模块描述文件，然后功能模块描述文件通过控制层接口与软件总线通信，完成模块间的信息交互；各功能模块彼此相互独立。

2.如权利要求1所述的开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，所述底层中的ECU模块包括复杂可编程逻辑器件CPLD和DSP处理器，其中CPLD的数字量I/O口通过霍尔传感器和正交编码器分别采集与变速箱输入轴转速、变速箱输出轴转速、发动机转速，计算得出三个轴的转速，为自动换挡提供换挡依据；数字量I/O口还采集空档开关、倒档开关、高低档开关、把手开关、油门限位开关、其他开关量输入信号；CPLD的数字量I/O口控制油门步进电机、变速器选档、离合器高速开关阀的动作；

DSP处理器的模拟量输入口与油门踏板传感器、离合器踏板传感器、换档把手传感器、选档传感器、其他模拟传感器连接，进行16位AD转换；输出端则与显示模块和CAN及RS485总线连接；

CAN总线与上位机调试工具通信对系统的状态实时监控，同时还与其他车辆ECU模块进行数据共享；485总线与显示模块通信，完成当前挡位和换挡把手位置的实时显示。

3.如权利要求1所述的开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，所述顶层中的功能模块包括运行模式模块、控制策略模块、执行驱动模块和通信显示模块，各个功能模块通过软件总线进行信息交互。

4.如权利要求1所述的开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，所述中间层中软件总线采用“出版-订阅”模式，并利用量子框架自身的定时器产生周期或者超时定时信号，来驱动各个功能模块的动作。

5.如权利要求4所述的开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，所述开始量子框架定时器发送周期定时信号，信息采集功能模块进入采集状态后，便可以接收这个信号，触发动作，通过传感器监测当前车速、油门踏板和换档手柄的位置变更信息，发送油门-车速信号给执行驱动功能模块，该对象在跟随状态下通过这个信号进行油门控制；假如当前换挡手柄换到M位置，则发布手动挡信号，运行模式功能模块，接收到这个信号后，从正常状态进入手动模式状态，开始检测换挡按键的动作；通信显示功能模块接收到手动挡信号后，更新当前显示的模式信息；

运行模式功能模块在手动模式状态下，如果检测到换挡按键的动作，则设定相应的目标档位后发布启动换挡信号换挡开始，执行驱动功能模块接收到这个信号后进入换挡状态，在这个状态下进行换挡操作，并在换挡完成后发布换挡结束信号，通知通信显示功能模块换挡完成；通信显示功能模块接收到换挡开始信号后，进入闪烁状态，通过延时信号闪烁显示当前信息，并在换挡结束信号到达后退出闪烁状态，返回正常显示状态，更新显示车况信息；

如果运行模式功能模块接收到换挡手柄变更信号是自动挡信号，则不管在什么状态，直接进入自动模式状态，在这个状态下，接受油门-车速信号后，检测当前的车辆发动机转速，加速度等信息，通过一定的换挡规律计算最佳档位信息，如果与当前档位不同，则发布启动换挡信号；另外，运行模式功能模块在手动模式或者自动模式状态下，接收到空挡信号、低速挡信号或倒挡信号时，自动转入超状态正常状态进行处理。

6.如权利要求1或4或5所述的开放式汽车机械式自动变速器电控系统，其特征是，所述量子框架在系统初始化时为每个功能模块分配一个唯一的优先级，作为该功能模块的ID，这个ID在程序运行的过程中是不可改变的，并在已定义的发布订阅查找表数据结构QSubscrList的相应位置设1或0来映射订阅了某个事件的功能模块；已经划分好的功能模块运行于软件总线之上，各功能模块之间没有共享任何数据，它们之间是一种松耦合的关系，实现信息交互必须通过软件总线；量子框架采用事件队列来完成各功能模块之间的通信接口，并且只能通过事件队列与其他功能模块进行信息交互，各功能模块之间采用一种通信机制以保证模块在运行过程中的完整性和松耦合性，发布-订阅机制就是事件订阅者向软件总线订阅事件，事件产生者将事件发布到框架中，然后由量子框架来分发事件；

事件队列的操作是遵守多入单出的规则，即可以接收多个事件产生源的事件插入，而只能由功能模块本身从事件队列中取出事件；当事件产生者将事件发布到软件总线上，事件调度器就将同时从查找表数据结构QSubscrList中找到订阅了这个事件的优先级最高的订阅者ID，进行相应的事件触发状态转换。

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