CN105159188A - 一种新能源整车异构网络仿真器及控制方法 - Google Patents

一种新能源整车异构网络仿真器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源整车异构网络仿真器及控制方法，仿真器包括多核单片机、ECU功率输出驱动电路、ECU信号调理输入电路、ECU标准输入/输出接口GPIO、CAN接口、LIN接口、SPI接口、以太网接口以及USB接口；本发明在MATLAB/Simulink模型中集成子系统控制模型和高层协议库，建立对应控制器的仿真模型，并实时运算实现，通过自动代码生成编译下载至多核单片机上，完成整车系统的半实物仿真。在异构网络仿真器上，实时仿真不同总线网络上电气子系统的运行，基于多核实时并发运行，检测外部各控制子系统的协调运行，实现实时模拟故障仿真，检测KWP2000和J1939通信协议的并行运行，完成车载网络故障诊断功能。为新能源汽车设计、开发阶段，提供整车产品的功能和性能测试平台。

Description

一种新能源整车异构网络仿真器及控制方法
技术领域
本发明涉及汽车电子与汽车通信领域，特别涉及一种新能源整车异构网络仿真器及控制方法。
背景技术
随着国际上能源紧张和环境污染问题的日益恶化，发展新能源汽车是有效缓解能源和环境压力的必然选择。现代新能源汽车电控系统的功能越来越复杂，产品更新速度也越来越快，理所当然就要求电控单元开发周期越来越短。传统的串行模式开发方法已难以满足汽车电控系统软件开发的要求。
在传统的串行模式开发方法下，首先需要根据需求进行相应的功能定义，然后进行硬件设计，使用C语言进行面向硬件的代码编写，然后完成软硬件和外部接口集成，最后进行系统测试。通过在系统调试过程中去发现问题，如果硬件电路出现问题，则必须重新硬件设计来解决，然后对软件做相应修改。这样下去，就必然导致花很长时间才得以验证，且开发周期过长。
而且，新能源汽车总线越来越复杂，传统的单一网络已逐渐淘汰并不能适应社会的发展需求，需要一个平台控制器能够支持复杂异构网络，同时，由于平台控制器上提供丰富的外设端口，外连各类子系统网络，需要高速实现并行任务的运行，急需采用多核单片机的电控系统。所以，这就需要一种新能源整车异构网络仿真器，实现整车产品的测试和验证。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新能源整车异构网络仿真器，基于配有多核单片机为主控芯片的控制与通信电路，实现面向异构网络的网关控制功能，高速完成CAN、LIN、Ethernet、USB、SPI等不同总线网络间的消息转换，对整车车载网络进行监控，对新能源车电气子系统构成的异构网络进行全局优化。
本发明的另一目的在于，提供一种新能源整车异构网络仿真器的控制方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种新能源整车异构网络仿真器，包括多核单片机、ECU功率输出驱动电路、ECU信号调理输入电路、ECU标准输入/输出接口GPIO、CAN接口、LIN接口、SPI接口、以太网接口以及USB接口；所述多核单片机上的SPI接口、USB接口、以太网接口、CAN接口、LIN接口通过物理网络相联；ECU功率输出驱动电路与多核单片机的ECU标准输入/输出接口GPIO相连，ECU信号调理输入电路与多核单片机的模/数转换通道相连。
作为优选的，所述多核单片机为F28M35X，所述F28M35X内部由C2000子系统与ARMCortexM子系统构成，C2000子系统与ARMCortexM子系统通过片内的IPCRAM共享信息。
作为优选的，所述异构网络仿真器包括二路CAN、二路LIN、二路SPI、一路Ethernet以及一路USB的通讯接口。
作为优选的，根据需求在MATLAB/Simulink环境下建立整个系统的仿真模型，依据子系统各部件动态运行规律的微分方程及模拟算法，模拟出相应子系统的传感器信号；并将自定义的高层协议库加载到对应的仿真需求模型中；通过自动代码生成技术从Simulink模型中生成可在自定义的硬件目标下运行的代码，再通过编译链接，将可执行代码下载到目标板中，从而将仿真模型替代实物控制器和总线子系统，实现整车系统的半实物仿真。
作为优选的，异构网络仿真器，可实现多个核间的模拟仿真系统的实时并行运行，C28x核上模仿BMS的SPI通信，体现电池BMS的运行状态；CAN_A上模拟运行电机控制器；CAN_B上模拟运行发动机控制器；LIN上模拟运行车身控制器，通过仿真模块替代实物，实时仿真各电气子系统的运行，检测外部新能源车各控制子系统的协调运行，实现整车产品联合测试。
作为优选的，所述异构网络仿真器上通过并行运行KWP2000协议和J1939协议，完成CAN总线上的车载网络诊断和消息的通信。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种新能源整车异构网络仿真器的控制方法，包括下述步骤：
(1)根据需求在MATLAB/Simulink环境下建立控制系统的纯仿真模型，并完成数学仿真模型定型；
(2)根据第(1)步完成的数学仿真模型，通过对模型进行修改、设计定型、将模型中部分数学化的模型用实物代替作半实物实时仿真，原来的用数学方法表达的输入、输出信号模型用实际的I/O板替换，然后对硬件目标进行描述；即完成异构网络仿真器上部分子系统的模拟仿真，为实现整车系统的半实物仿真打下基础；
(3)将自定义的高层协议库，并将自定义的协议加载到MATLAB中的集成库里；
(4)通过自动代码生成技术从Simulink模型中生成可在自定义的硬件目标下运行的代码，再通过编译链接，将可执行代码下载到目标板中，即的异构网络仿真器中，由多核单片机实时计算各仿真模型，并可以在线修改数学仿真模型，最后确定模型，实现异构网络的总线仿真，完成了整车系统的半实物仿真，验证异构网络仿真器的性能和各子系统协调正常运行。
作为优选的，步骤(1)中，所述纯仿真模型包括发动机控制模型、BMS模型、电机控制模型、车身控制模型等仿真模型。
作为优选的，步骤(2)中，采用代码生成器根据Simulink模型、数据文档和领域规则等信息生成嵌入式分布控制系统代码；所述数据文档包括控制系统中关键参数及中间状态的数据描述信息；所述领域规则由系统模型中的模块间连接信息或者正则表达式表述，并封装在生成的程序中。
作为优选的，步骤(3)中，所述高层协议包括KWP2000、J1939及XCP协议。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用F28M35x多核单片机，使异构网络仿真器具有丰富的异构网络连接能力，实时获取电动车内与车外的信息，从而协调控制电动车，使之处于最优运行状态。
(2)本发明自动代码生成更加有效的代码重用，仅依赖于代码生成的模板、模型或者其它文件，代码质量较为一致，且解决的问题是直接面向问题域，使得用户能够将精力集中在设计上而不是编写C代码上。
(3)本发明基于多核MCU的异构网络仿真器，可实现多个模拟仿真系统的实时并行运行，模拟仿真BMS系统运行的同时，还模拟仿真发动机的运行；也可以运行J1939通讯协议的同时，还运行KWP2000协议，通讯高效，大大满足实时性要求。
(4)本发明新能源汽车异构网络仿真器，可修改参数达到理想控制器的动态特性、静态特性和非线性因素，从而模拟控制器的各种运行状况；同时也可以模拟仿真出控制器故障，验证J1939协议和KWP2000协议的功能，完善协议的集成。
附图说明
图1是异构网络仿真器与整车各电气子系统连接示意图；
图2是异构网络仿真器具体实现过程示意图；
图3是异构网络仿真器内部结构图；
图4是异构网络仿真器内部功能模块图；
图5是以电池组温度为例的故障模拟原理示意图；
图6是异构网络仿真器多核并发运行工作原理流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种面向异构网络仿真器与整车各电气子系统，包括TI公司Concert系列多核单片机F28M35x(C2000核+ARM核)、ECU功率输出驱动与信号调理输入电路、ECU标准输入/输出接口GPIO、CAN接口、LIN接口、SPI接口、以太网接口以及USB接口。所述单片机上的SPI、USB、以太网、CAN、LIN物理网络相联。ECU功率输出驱动电路与单片机的通用输入/输出接口(GPIO)相连，ECU信号调理模拟输入电路与单片机的模/数转换通道相连。
所述多核单片机为F28M35X，其内部由C2000子系统与ARMCortexM子系统构成。电动车整车各个电气系统的信息都实时汇集到该多核单片机的各个子核上。C2000与ARM通过片内的IPCRAM共享信息，具有丰富的网关管理能力，从而协调控制电动车上电机、电池、辅助电气、发动机等相关电气系统。
如图2所示，异构网络仿真器具体实现过程示意图。首先在MATLAB/Simulink环境下，基于基本组件模块库，添加电机、发动机、BMS、车身控制仿真模块，以及高层协议库KWP2000和J1939协议，建立纯数学仿真模型，根据需求将模型中部分数学化的模型用实物代替，实现半实物实时仿真，而模拟发动机、电机、BMS、车身等控制单元的实时并行运行。在搭建系统模型后，通过自动代码生成技术从Simulink模型中生成可在自定义的硬件目标下运行的代码，代码生成器根据Simulink模型、数据文档和领域规则等信息生成嵌入式分布控制系统代码。数据文档包括控制系统中关键参数及中间状态的数据描述信息。领域规则由系统模型中的模块间连接信息或者正则表达式表述，并封装在生成的程序中。从Simulink模型中自动生成的代码通过编译链接，将可执行代码下载到目标板中，实现异构网络子系统的模拟仿真，并可以在线修改数学仿真模型，最后确定模型，实现异构网络的总线仿真，完成了整车系统的半实物仿真，验证异构网络仿真器的性能和各子系统协调正常运行。
如图3所示，模拟不同的总线网络构成了整车异构网络模拟系统，新能源汽车内部各类电气系统构成了复杂的异构网络。例如：电机控制器、ABS、自动变速器、发动机控制器等模拟节点构成了模拟CAN网络；车灯、车门、车窗等车身控制器模拟节点构成了模拟LIN网络；电池管理系统(BMS)、SD卡等模拟节点构成了模拟SPI网络；还有用于上位机、行车记录仪等模拟节点构成了模拟USB网络；以及用于远程监控设备等模拟节点的模拟Ethernet网络。
子系统相对采用的总线也有所不同，不同总线网络的ECU节点通过网关实现互联，交换必要的信息，形成一个覆盖整车所有节点的完整的车载异构网络。故障模拟用于模拟网络可能出现的各种故障，如干扰，短路、断路等状况。
如图4所示，图中虚线框表示标准实物子系统，里面连接的是电机、发动机、车身控制单元、BMS等系统，构成的是实物测试台架。而实线框表示的是可以替代实物的实时仿真系统，可实时模拟电机、发动机、电池、车身等子系统的并行运行。C28x核上模仿BMS的SPI通信，体现电池BMS的运行状态；ARM核上模仿控制系统的CAN、LIN通信，CAN_A上模拟运行电机控制器，CAN_B上模拟运行发动机控制器，LIN上模拟运行车身控制器。即实时仿真各电气子系统的运行，检测外部新能源车各控制子系统的协调运行。同时，经过对发动机、电池、电机和车身单元的仿真计算与故障模拟，反映各大部分各种故障的模型，根据改变上位机simulink模块设置，相应改变信号点信号的特性，从而代表所发生的故障。在不同核上并发运行KWP2000和J1939通信协议，检验车载网络故障诊断功能。
如图5所示：以电池组温度为例的故障模拟原理示意图，由异构网络仿真器根据命令控制继电器打开与闭合，仿真器根据温度传感器的变化模型计算得到一个模拟的温度传感器信号，通过控制该模拟信号的变化规律模拟各种温度传感器故障。
如图6所示：本质是依据表征电池系统、发动机各部件动态运行规律的微分方程，计算出相应的BMS、发动机信号，主要有充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、发动机动态转速、进气歧管气压、氧传感器等信号。
在C2000内核上模拟BMS的启动过程，通过各类动态模型模拟出电池的重要运行状态，可通过电池故障模拟建立故障模型，改变相应信号点信号的特性，发出所产生的故障。并在C2000核上运行KWP2000协议，检验基于KWP2000协议的车载网络故障诊断功能。将相关信息传输到SPI网络。
ARM内核上模拟发动机的启动过程，根据踏板位置和设定的机械负荷计算发动机动态转速，通过各类动态模型实时模拟出发动机的重要信号，可通过发动机故障模拟建立故障模型，改变相应信号点信号的特性，发出所产生的故障。并在ARM核上运行J1939协议，检验基于J1939协议的车载网络故障诊断功能。将相关信息传输到CAN网络。
由此，异构网络仿真器实现了多核并发运行故障模拟仿真，并高速时效地并发运行KWP2000协议和J1939协议，完成整车产品的测试。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，包括多核单片机、ECU功率输出驱动电路、ECU信号调理输入电路、ECU标准输入/输出接口GPIO、CAN接口、LIN接口、SPI接口、以太网接口以及USB接口；所述多核单片机上的SPI接口、USB接口、以太网接口、CAN接口、LIN接口通过物理网络相联；ECU功率输出驱动电路与多核单片机的ECU标准输入/输出接口GPIO相连，ECU信号调理输入电路与多核单片机的模/数转换通道相连。
2.根据权利要求1所述的新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，所述多核单片机为F28M35X，所述F28M35X内部由C2000子系统与ARMCortexM子系统构成，C2000子系统与ARMCortexM子系统通过片内的IPCRAM共享信息。
3.根据权利要求1所述的新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，所述异构网络仿真器包括二路CAN、二路LIN、二路SPI、一路Ethernet以及一路USB的通讯接口。
4.根据权利要求1所述的新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，根据需求在MATLAB/Simulink环境下建立整个系统的仿真模型，依据子系统各部件动态运行规律的微分方程及模拟算法，模拟出相应子系统的传感器信号；并将自定义的高层协议库加载到对应的仿真需求模型中；通过自动代码生成技术从Simulink模型中生成可在自定义的硬件目标下运行的代码，再通过编译链接，将可执行代码下载到目标板中，从而将仿真模型替代实物控制器和总线子系统，实现整车系统的半实物仿真。
5.根据权利要求1所述的新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，异构网络仿真器，可实现多个核间的模拟仿真系统的实时并行运行，C28x核上模仿BMS的SPI通信，体现电池BMS的运行状态；CAN_A上模拟运行电机控制器；CAN_B上模拟运行发动机控制器；LIN上模拟运行车身控制器，通过仿真模块替代实物，实时仿真各电气子系统的运行，检测外部新能源车各控制子系统的协调运行，实现整车产品联合测试。
6.根据权利要求1所述的新能源整车异构网络仿真器，其特征在于，所述异构网络仿真器上通过并行运行KWP2000协议和J1939协议，完成CAN总线上的车载网络诊断和消息的通信。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的新能源整车异构网络仿真器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据需求在MATLAB/Simulink环境下建立控制系统的纯仿真模型，并完成数学仿真模型定型；
(2)根据第(1)步完成的数学仿真模型，通过对模型进行修改、设计定型、将模型中部分数学化的模型用实物代替作半实物实时仿真，原来的用数学方法表达的输入、输出信号模型用实际的I/O板替换，然后对硬件目标进行描述；即完成异构网络仿真器上部分子系统的模拟仿真，为实现整车系统的半实物仿真打下基础；
(3)将自定义的高层协议库，并将自定义的协议加载到MATLAB中的集成库里；
(4)通过自动代码生成技术从Simulink模型中生成可在自定义的硬件目标下运行的代码，再通过编译链接，将可执行代码下载到目标板中，即的异构网络仿真器中，由多核单片机实时计算各仿真模型，并可以在线修改数学仿真模型，最后确定模型，实现异构网络的总线仿真，完成了整车系统的半实物仿真，验证异构网络仿真器的性能和各子系统协调正常运行。
8.根据权利要求7所述的新能源整车异构网络仿真器的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，所述纯仿真模型包括发动机控制模型、BMS模型、电机控制模型、车身控制模型等仿真模型。
9.根据权利要求7所述的新能源整车异构网络仿真器的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，采用代码生成器根据Simulink模型、数据文档和领域规则等信息生成嵌入式分布控制系统代码；所述数据文档包括控制系统中关键参数及中间状态的数据描述信息；所述领域规则由系统模型中的模块间连接信息或者正则表达式表述，并封装在生成的程序中。
10.根据权利要求7所述的新能源整车异构网络仿真器的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高层协议包括KWP2000、J1939及XCP协议。
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