胡俊勇，虞衛(wèi)飛，杜成磊，李杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

概述

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)汽車工業(yè)在產(chǎn)銷規(guī)模、產(chǎn)品開發(fā)、市場(chǎng)開拓、對(duì)外開放、結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面取得了相當(dāng)大的成就?！笆晃濉币詠?，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)持續(xù)火爆，產(chǎn)銷量迅速攀升，2009年已躍居世界第一位，2016年乘用車銷量首次超過2400萬輛，增幅比上年明顯提升[1]。

市場(chǎng)需求的迅速釋放加速了汽車電子市場(chǎng)的增長(zhǎng)，隨著近幾年來消費(fèi)者對(duì)汽車安全性、舒適性和娛樂性的需求不斷增加，引發(fā)整車裝備電子設(shè)備的熱潮。至2011年我國(guó)汽車電子市場(chǎng)規(guī)模占全球的比例已經(jīng)超過 25%，預(yù)計(jì)2020年，電子系統(tǒng)占整車成倍50%。這其中動(dòng)力總成電子系統(tǒng)占整個(gè)市場(chǎng)25%～30%，但其中大部分被外資企業(yè)所掌控，這就需要自主品牌在電子系統(tǒng)自主研發(fā)上提高能力以降低成本，進(jìn)而在汽車行業(yè)中立于不敗之地。而軟件開發(fā)則是整個(gè)汽車電子產(chǎn)品開發(fā)的核心，軟件開發(fā)品質(zhì)好壞直接決定了產(chǎn)品的品質(zhì)，因此開發(fā)出穩(wěn)定可靠的軟件是汽車電子產(chǎn)品開發(fā)中的中之重。

按照傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法，目標(biāo)軟件往往要等到木已成舟之后才交由用戶認(rèn)可，此時(shí)由于規(guī)格說明難以完善、需求的變更、以及通信中的模糊和誤解，成為軟件開發(fā)順利推進(jìn)的障礙。開發(fā)人員往往會(huì)對(duì)目標(biāo)軟件提出諸多修改，造成人力、物力上的巨大浪費(fèi)?？刂破鞯拈_發(fā)人員，往往面多兩大難題：

1）控制策略開發(fā)人員無法將（如 Matlab/Simulink）開發(fā)的控制算法軟件在硬件上快速實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證與實(shí)際控制對(duì)象之間連接時(shí)，控制算法的功能實(shí)現(xiàn)與性能；并且，無法對(duì)控制算法進(jìn)行快速反復(fù)的修改驗(yàn)證，找到合適的控制方案[2]。

2）由于工程并行設(shè)計(jì)的原因，當(dāng)產(chǎn)品型控制器硬件生產(chǎn)出來后，控制對(duì)象還處于研制階段或被控對(duì)象并沒有實(shí)現(xiàn)，測(cè)試工程師無法在早期完成獨(dú)立的控制器測(cè)試。

為提高產(chǎn)品開發(fā)效率，減小上市風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為了減輕工程師的工作量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，汽車電子系統(tǒng)開發(fā)急需要一種很好的開發(fā)模式，將控制策略與底層軟件、硬件以及硬件驅(qū)動(dòng)、通訊協(xié)議等有效的分割開，讓主機(jī)廠更多的投入到控制策略算法當(dāng)中。所以汽車電子系統(tǒng)開發(fā)提出了基于模型的V模式的開發(fā)流程，并以此來完成從需求定義到最終產(chǎn)品的全過程。

基于以上原因，催生了快速控制原型的開發(fā)方法。它的基本原理是利用快速原型控制器硬件來代替產(chǎn)品的控制器硬件，在建模仿真平臺(tái)上搭建并修改系統(tǒng)模型，通過自動(dòng)代碼生成工具自動(dòng)生成模型源代碼并將其經(jīng)過編譯鏈接后下載到快速原型控制器中，進(jìn)行算法仿真和驗(yàn)證，快速原型技術(shù)能縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高電控系統(tǒng)的質(zhì)量。自動(dòng)代碼生成技術(shù)是快速原型開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制模型源代碼通過代碼生成工具自動(dòng)生成，無需手動(dòng)編寫系統(tǒng)的控制程序[3]。

本課題選用的是ETAS 公司的FlexECU快速開發(fā)原型，通過使用 Simulink完成控制策略與算法的開發(fā)設(shè)計(jì)，使用ETAS EHOOKS軟件將軟件策略對(duì)應(yīng)FlexECU自動(dòng)生成可執(zhí)行代碼，并通過INCA，將其刷寫到ECU中，并進(jìn)行標(biāo)定調(diào)試。

1 快速原型

快速原型FlexECU以Bosch量產(chǎn)的MED17作為平臺(tái)，Infineon TriCore控制器，增加ETAS ETK功能，并通過ETAS EHOOKS(信號(hào)旁通)開放其全部軟硬件接口給上層應(yīng)用，可以方便快捷的將Sumulink/ASCET的模型下載到其中，實(shí)現(xiàn)控制功能，而無需關(guān)心操作系統(tǒng)與底層驅(qū)動(dòng)，因此可以對(duì)控制策略模型進(jìn)行快速的驗(yàn)證工作。

FlexECU原型是用于 ECU開發(fā)的完成開發(fā)環(huán)境，基于集成的軟硬件系統(tǒng)，與 MATLAB/Simulink等建模工具無縫組合，是用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架或整車測(cè)試的理想測(cè)試工具選擇，非常是用于現(xiàn)有ECU上的旁路開發(fā)技術(shù)。

ETAS的EHOOKS是一種軟件工具，有助于將旁路掛鉤高效插入ECU軟件中。EHOOKS用戶無需了解軟件細(xì)節(jié)，即可以旁路掛鉤直接放入 HEX&A2L文檔中——無需訪問ECU源代碼或ECU軟件創(chuàng)建環(huán)境。

先進(jìn)的掛鉤插入技術(shù)提供精確、可靠的結(jié)果。支持多種掛鉤類型，提供適用于標(biāo)定、軟件測(cè)試、軟件開發(fā)以及功能開發(fā)的可升級(jí)解決方案。

ETAS EHOOKS是一種易于使用的軟件工具，用于將旁路掛鉤插入ECU軟件中，無需其他ECU信息，即可將旁路掛鉤直接放入HEX & A2L文檔中。

表1

本文以已經(jīng)量產(chǎn)的 1.5L四缸自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為控制目標(biāo)，進(jìn)行電控系統(tǒng)改造，首先需要對(duì)電控系統(tǒng)零部件進(jìn)行參數(shù)匹配。由于FlexECU的開發(fā)ECU硬件接口幾乎涵蓋了目前常用的傳感器與執(zhí)行器元器件，所以該發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分傳感器與執(zhí)行器予以保留，由于所采用的快速原型FlexECU沒有內(nèi)置點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)電路，故需要采用外驅(qū)點(diǎn)火線圈的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示，其他電控零部件沿用。

圖1 帶驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火線圈

目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器與執(zhí)行器與 FlexECU匹配完成后.需對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集同時(shí)對(duì)功能進(jìn)行測(cè)試，記錄的信息將會(huì)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的位置管理及故障管理等模塊中，也是臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功的基礎(chǔ)工作之一。

FlexECU為其開發(fā)ECU提供了ETK通訊接口、至PC的接口硬件，以及完整的線束，系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的搭建過程中要完成控制器接口與外部硬件的匹配和線束定義工作。至此系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的準(zhǔn)備工作已經(jīng)完成。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)建立

系統(tǒng)建立的首要工作是根據(jù)需求建立系統(tǒng)構(gòu)架。該部分最為基礎(chǔ)但很關(guān)鍵，ECU軟件涉及發(fā)動(dòng)機(jī)控制、零部件和電路診斷、排放監(jiān)控、安全監(jiān)控和通訊協(xié)議等功能，功能覆蓋面廣，模塊數(shù)量多。1.5L四缸自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)原來所匹配的量產(chǎn)ECU軟件共有431個(gè)模塊，包括扭矩計(jì)算、氣路控制、噴油控制、點(diǎn)火控制、排放控制、故障診斷、ETC監(jiān)控、接口協(xié)議等功能。

本項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)為基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件，使用Simulink[4]進(jìn)行應(yīng)用層軟件(模型)開發(fā)，初期開發(fā)具備扭矩計(jì)算、氣路控制、噴油控制、點(diǎn)火控制等基本功能即可。分為6個(gè)主要功能：

1）AS（進(jìn)氣系統(tǒng)Air System）；

2）ES（排放系統(tǒng)Exhaust System）；

3）ETS（扭矩控制Engine Torque Structure）；

4）FS（燃油系統(tǒng)Fuel System）；

5）IS（點(diǎn)火系統(tǒng)Ignition System）；V

6）EH（整車需求Vehicle functions ）；

2.2 模型開發(fā)

2.2.1 模型庫(kù)開發(fā)

a）模型接口庫(kù)：17個(gè)模型接口單元，包含全部模型用到的輸入輸出接口；

b）基本運(yùn)算庫(kù)：包含基本運(yùn)算（加減乘除等）、開關(guān)選擇、判斷、位選擇等運(yùn)算邏輯；

c）查表模塊

d）子集封裝模塊

e）觸發(fā)子系統(tǒng)

f）延遲

g）時(shí)鐘

h）低通濾波

i）PID

j）其他

2.2.2 ECU模型

模型累計(jì)搭建76個(gè)；軟件整體分為進(jìn)氣、扭矩、點(diǎn)火、噴油等幾大模塊，圍繞臺(tái)架點(diǎn)火為主要開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行搭建。

圖2 Simulink ECU軟件模型

VEH子系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能是將油門踏板的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為開度信號(hào)，其中包括校驗(yàn)、濾波等；

圖3 VEH子系統(tǒng)

ETC子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是扭矩計(jì)算模塊，駕駛員扭矩需求計(jì)算及變化限制、協(xié)調(diào)扭矩干預(yù)、氣路協(xié)調(diào)扭矩干預(yù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制、怠速控制扭矩儲(chǔ)備、怠速控制名義發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、怠速控制的運(yùn)行條件、怠速控制扭矩控制器、名義扭矩的名義空氣質(zhì)量、額定點(diǎn)火正時(shí)的扭矩計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩計(jì)算、扭矩接口基本計(jì)算、計(jì)算最大指示扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩協(xié)調(diào)最小值、扭矩：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩?fù)p失；

圖4 ETC子系統(tǒng)

AS子系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)計(jì)算模塊，負(fù)責(zé)將傳感器的電壓信號(hào)計(jì)算為進(jìn)氣壓力，從而計(jì)算為充氣效率；

圖5 AS子系統(tǒng)

FS子系統(tǒng)，噴油基本功能、起動(dòng)后和暖機(jī)噴油、起動(dòng)噴油、Lambda協(xié)調(diào)、混合氣控制、噴射角的計(jì)算、相對(duì)燃油質(zhì)量rk計(jì)算噴油脈寬ti、噴油關(guān)斷協(xié)調(diào)；

圖6 FS子系統(tǒng)

IS子系統(tǒng)，計(jì)算點(diǎn)火角度、基本點(diǎn)火角、計(jì)算最大點(diǎn)火推遲限制、點(diǎn)火角計(jì)算、點(diǎn)火提前和延遲限制后的點(diǎn)火角計(jì)算、點(diǎn)火線圈閉合時(shí)間計(jì)算，初期可固定值。

圖7 IS子系統(tǒng)

2.3 輸入/輸出部分

輸入／輸出部分的任務(wù)是將所有傳感器和執(zhí)行器信號(hào)與ECU接口硬件進(jìn)行匹配。當(dāng)特定數(shù)據(jù)源類型取決于硬件時(shí)，Matlab默認(rèn)數(shù)據(jù)類型為double而此平臺(tái)ECU默認(rèn)處理的數(shù)據(jù)類型為 32位單浮點(diǎn)[5]，輸入為 lO位 A／D轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)unitl6數(shù)據(jù)類型，所以在信號(hào)處理環(huán)節(jié)應(yīng)加人數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊。如圖4所示，在輸入部分加入相應(yīng)傳感器變量的監(jiān)測(cè)(Probe)模塊，并進(jìn)行組別的設(shè)置。當(dāng)代碼刷人FlexECU控制器后，通過標(biāo)定軟件便能快速找到相應(yīng)的變量，大大方便了數(shù)據(jù)管理和變量的監(jiān)測(cè)。

此系統(tǒng)傳感器包括：進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門位置、爆震傳感器、氧傳感器、油門踏板位置、曲軸轉(zhuǎn)速和位置、凸輪軸位置傳感器、水溫傳感器。

輸出部分與之匹配的主要執(zhí)行器為4個(gè)帶驅(qū)動(dòng)的高壓點(diǎn)火線圈、4個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)型的噴油線圈、1個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)的電子節(jié)氣門電機(jī)，根據(jù)執(zhí)行器特性和參數(shù)選擇相應(yīng)輸出接口并進(jìn)行匹配。

由于FlexECU開發(fā)平臺(tái)采用汽車產(chǎn)品級(jí)硬件，故省卻了大量的輸入／輸出信號(hào)調(diào)節(jié)和接口匹配的工作。

3 模型集成與刷寫

圖8 FlexECU 的庫(kù)函數(shù)

使用 simulink 進(jìn)行應(yīng)用層軟件(模型)開發(fā)，應(yīng)用層軟件調(diào)用FlexECU 的底層接口時(shí)，需要調(diào)用FlexECU 的庫(kù)函數(shù)，采用EHOOKS工具對(duì)模型進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。

EHOOKS 配套的 Simulink 集成包提供了用于對(duì) EHOOKS進(jìn)行配置的 Simulink 模塊，包括編譯配置模塊、函數(shù)調(diào)用模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊等。集成設(shè)計(jì)完成之后的模型見圖9。

圖9 模型編譯配置

EHOOKS 編譯配置模塊需要放置在模型的最頂層，并且在使用其他的配置模塊時(shí)，必須對(duì)編譯配置模塊進(jìn)行設(shè)置。

1）將EHOOKS 編譯配置模塊拖拽到simulink 模型中。

圖10 ECU模型EHOOKS配置

2）選擇對(duì)應(yīng)的編譯配置文件

圖11 編譯文件建立

3）編譯文件配置

圖12 HEX與A2L文件配置

圖13 變量配置

EHOOKS集成了編譯器，當(dāng)系統(tǒng)模型建立完畢后編譯器會(huì)將模型自動(dòng)生成可供刷寫的HEX文件，同時(shí)生成 A2L文件以標(biāo)定使用 。用INCA將HEX文件刷入ECU，調(diào)入生成的A2L文件，使用ETAS ES581硬件連接器可快速完成代碼刷寫的過程。

4 標(biāo)定工作

FlexECU支持ETK協(xié)議，采用DAQ變量測(cè)量模式進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)組成如圖5所示。且與ETAS INCA無縫對(duì)接。本系統(tǒng)采用ETK標(biāo)定軟件，硬件連接器采用ETAS公司的ES581產(chǎn)品。

標(biāo)定的主要任務(wù)為對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，變量包括冷起動(dòng)時(shí)控制修正、快怠速節(jié)氣門電機(jī)步進(jìn)控制修正、點(diǎn)火／噴油提前角修正、PWM主控頻率量等。

5 結(jié)論

1）電控系統(tǒng)的開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，本文以整個(gè)開發(fā)流程著手?；贔lexECU快速原型開發(fā)平臺(tái)。嘗試在Matlab／Simulink環(huán)境中以圖形化的語(yǔ)言完成了從確定設(shè)計(jì)要求至標(biāo)定的一系列工作。

2）基于此開發(fā)平臺(tái)，整個(gè)開發(fā)過程的主要工作集中在應(yīng)用程序的編寫和策略仿真。快速實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)改造的前期工作。

3）通過標(biāo)定基本上實(shí)現(xiàn)了四缸汽油機(jī)的控制功能，整個(gè)開發(fā)過程為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化和產(chǎn)品化積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高海字,陸文昌,商哲,甄騰.基于MotoTron平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU快速原型開發(fā)[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2008,15(3):16-20.

[2] 李儒龍,陳衛(wèi)方,張凡武.基于 Simulink的電子節(jié)氣門控制策略開發(fā)[J].2011,(6):14-18.

[3] 章健勇,呂世亮,陳林,尹 琪.基于快速原型系統(tǒng) 的汽油機(jī)控制策略開發(fā)[J].,2011,(2):25-28.

[4] The Mathworks,Inc,Real-Time Workshop Embedded Coder User SGuide,20l0.

[5] The Mathworks,Inc,Stateflow User'S Guide,2010.