郭海宇 張曉光

摘 要： 針對(duì)縮短新能源汽車網(wǎng)關(guān)控制器開發(fā)周期，并利用網(wǎng)關(guān)控制器對(duì)汽車全局信息的把控能力開發(fā)控制算法的需求，采用基于模型的嵌入式開發(fā)方法，利用The MathWorks公司的Simulink和Stateflow以及dSPACE公司的快速原型硬件平臺(tái)MicroAutoboxII和實(shí)時(shí)管理軟件Control Desk NG搭建網(wǎng)關(guān)控制器開發(fā)平臺(tái)，并基于此平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)關(guān)控制器軟件。最終通過了臺(tái)架測(cè)試和整車測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此平臺(tái)不僅能夠適應(yīng)功能需求的頻繁變化，在車輛開發(fā)初期快速響應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的需要，同時(shí)能夠?yàn)楹罄m(xù)算法驗(yàn)證提供平臺(tái)，具有很好的延展性。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)車網(wǎng)關(guān)； 基于模型的設(shè)計(jì)； 快速原型； TargetLink； Simulink； Stateflow

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）19?0141?05

Abstract： In order to shorten the development cycle of new energy automobile gateway controller and use the automobile global information control ability of gateway controller to develop the control algorithm， the embedded development method based on model， Simulink and Stateflow made in the MathWorks Company， rapid control prototype hardware platform MicroAutoboxII and real?time management software Control Desk NG made in dSPACE Company are used to establish the development platform of gateway controller. On this basis， a gateway controller software was designed. The bench testing and vehicle testing were accomplished. The experimental results show that the platform can adapt to the frequent change of function requirements， meet the needs of fast response in early development process of vehicle， provide a basis for the subsequent algorithm verification， and has perfect scalability.

Keywords： electric automobile gateway； model?based design； rapid control prototype； Targetlink； Simulink； Stateflow

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)普遍面臨著能源枯竭、環(huán)境污染等問題。預(yù)計(jì)到2020年交通用油占全球石油總消耗的62%以上，因此世界各國(guó)都在交通能源轉(zhuǎn)型上加大了投入力度[1]。新能源汽車具有排放低、綜合能源利用效率高的特點(diǎn)，逐漸成為全球研究的重點(diǎn)方向[2]，電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車得到了飛速的發(fā)展。開發(fā)新能源汽車控制技術(shù)是今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然方向[3]。

隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)如今的汽車電控系統(tǒng)普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。汽車通信方式的改變，解決了由于汽車電控單元不斷增加帶來的線路復(fù)雜和線束增加的問題，不僅極大地提高了通信效率，節(jié)約成本，滿足汽車輕量化需求，同時(shí)也是汽車通信和控制的一個(gè)重要基礎(chǔ)[4]。由于技術(shù)不斷創(chuàng)新，汽車網(wǎng)絡(luò)具有多協(xié)議并存的發(fā)展趨勢(shì)，因此網(wǎng)關(guān)將是汽車電子的重要組成部分[5]。

傳統(tǒng)的汽車電子控制單元開發(fā)方式是，汽車廠商向零部件開發(fā)商提出功能需求，然后經(jīng)過開發(fā)商報(bào)價(jià)和簽訂開發(fā)協(xié)議，等待開發(fā)商提供樣件，廠商測(cè)試，出現(xiàn)問題再向開發(fā)商提出更改需求，如此往復(fù)直到產(chǎn)品最終完成。此開發(fā)方式不但開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，且汽車廠商對(duì)軟件質(zhì)量把控能力相對(duì)較弱。隨著基于模型的軟件開發(fā)技術(shù)的不斷成熟，以及快速原型產(chǎn)品的不斷豐富，汽車廠商為了加快產(chǎn)品開發(fā)周期，提高對(duì)零部件質(zhì)量的把控能力，增強(qiáng)自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，越來越多的廠商選擇搭建自己的電子控制單元開發(fā)平臺(tái)。

本文選用美國(guó)The MathWorks公司的Matlab軟件、德國(guó)dSPACE公司的快速原型系統(tǒng)開發(fā)套件、英國(guó)Intrepid的Vehicle Spy3和荷蘭NXP公司的MPC5784G進(jìn)行網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺(tái)的搭建，并設(shè)計(jì)一例具有兩路CAN的網(wǎng)關(guān)控制器驗(yàn)證平臺(tái)可行性。

1 汽車通信網(wǎng)絡(luò)CAN總線

車載控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）是當(dāng)前主流的汽車網(wǎng)絡(luò)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)外汽車的電器網(wǎng)絡(luò)中。它解決了現(xiàn)代汽車中不同控制單元以及測(cè)試設(shè)備之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。相較于其他車載總線，CAN總線具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高靈活性、容易實(shí)現(xiàn)和低成本等特點(diǎn)[6]。CAN總線可有效地支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制，多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；CAN節(jié)點(diǎn)只需要通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN總線的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[7]。

2 dSPACE快速原型

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó) dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開發(fā)及測(cè)試工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和 Matlab/Simulink 的無(wú)縫連接[8]。

快速控制原型系統(tǒng)是一種在真實(shí)環(huán)境中無(wú)需手動(dòng)編程就可非常有效且快速地開發(fā)、優(yōu)化和測(cè)試控制策略的方法。RCP可用于檢查并立即改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷。借助 dSPACE的實(shí)施軟件和實(shí)時(shí)接口（RTI），可以在 dSPACE硬件上自動(dòng)運(yùn)行基于Matlab/Simulink設(shè)計(jì)的模型。通過使用綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試環(huán)境ControlDeskNG，可在運(yùn)行期間使用圖形控件監(jiān)控程序和調(diào)整程序中相關(guān)變量。RCP硬件的處理能力和內(nèi)存空間要比實(shí)際產(chǎn)品級(jí)電子控制單元（ECU）強(qiáng)大得多，因此幾乎無(wú)需考慮任何硬件局限性。dSPACE RCP系統(tǒng)可用作 ECU 的替代品（全通）或擴(kuò)展（旁路）。dSPACE為控制器開發(fā)和設(shè)計(jì)提供多種現(xiàn)成的軟件和硬件組件，在汽車ECU開發(fā)中應(yīng)用來越廣泛[9?11]。因此選用此快速原型產(chǎn)品作為平臺(tái)搭建的元素。

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車網(wǎng)絡(luò)中各種電子控制單元組合成實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，不同控制器之間通信信息有很強(qiáng)的時(shí)效性。除此之外汽車各電子控制單元之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，而通信線路信息承載力是有上限的，如若把日益增多的電子控制單元全部掛載在同一條線路上，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降，并產(chǎn)生安全隱患[12]。因此汽車網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)電子控制單元要求的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析，將不同的控制器進(jìn)行分組，掛載在不同的線路上，這些線路可以是Flexray，CAN，MOST，LIN等[13]。

本文中網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)計(jì)以某車型CAN網(wǎng)絡(luò)為例，網(wǎng)絡(luò)分為動(dòng)力CAN和車身CAN。動(dòng)力CAN上電控單元主要是與電動(dòng)車動(dòng)力控制和安全相關(guān)的模塊，包括電機(jī)控制系統(tǒng)（MCS）、電池管理控制系統(tǒng)（BMS）、整車控制器（VCU）、安全氣囊控制系統(tǒng)（ABAG）、變速箱控制系統(tǒng)（TCU）、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、車身動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）、巡航速度控制系統(tǒng)（STE）。車身CAN上電控單元主要有組合儀表控制系統(tǒng)（IPC），車身控制系統(tǒng)（BCM），多媒體控制系統(tǒng)（MMC）。車身動(dòng)力CAN對(duì)于信息時(shí)效性有較高的要求，因此設(shè)置為高速CAN，而車身CAN則可設(shè)置為低速CAN。整車汽車電子系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在綜合分析網(wǎng)關(guān)DBC文件和功能需求之后，利用 dSPACE的實(shí)施軟件和實(shí)時(shí)接口，結(jié)合Matlab/Simulink和Stateflow進(jìn)行網(wǎng)關(guān)模型的搭建。以層次化建模為指導(dǎo)思想，根據(jù)內(nèi)容不同，將網(wǎng)關(guān)分為5個(gè)模塊：中斷處理模塊，Stateflow信息處理模塊，ECU超時(shí)檢測(cè)模塊，動(dòng)力CAN收發(fā)模塊，車身CAN收發(fā)模塊。其中中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)處理各ECU CAN信息的接收中斷和定時(shí)器中斷；Stateflow信息處理模塊是信息處理和加工的核心部分，是網(wǎng)關(guān)控制器的大腦，決定信息如何在兩條CAN線路上進(jìn)行交互。同時(shí)也是后續(xù)控制算法開發(fā)的關(guān)鍵部分；ECU超時(shí)檢測(cè)模塊是判斷網(wǎng)絡(luò)上控制器是否與線路連接；動(dòng)力CAN收發(fā)模塊負(fù)責(zé)動(dòng)力CAN線上信息的接收和發(fā)送；車身CAN收發(fā)模塊負(fù)責(zé)車身CAN線上信息的接收和發(fā)送。網(wǎng)關(guān)模型如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)核心的信息處理模塊采用Stateflow進(jìn)行搭建。Stateflow是集成于Simulink中的圖形化設(shè)計(jì)與開發(fā)工具，適用于針對(duì)事件響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。所謂事件響應(yīng)系統(tǒng)是指那些通常利用一些自然語(yǔ)言或者邏輯表達(dá)式進(jìn)行描述的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變換系統(tǒng)通常利用Simulink的數(shù)學(xué)表達(dá)式、方程等組成的輸入/輸出關(guān)系進(jìn)行建模，而事件響應(yīng)系統(tǒng)則需要采用Stateflow進(jìn)行建模。Stateflow和Simulink可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，創(chuàng)建確定性監(jiān)管控制系統(tǒng)。利用Stateflow可視化的模型和直觀的仿真能力，以清晰、簡(jiǎn)潔地反映出復(fù)雜動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系[14]。因此網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵部分采用Stateflow進(jìn)行建模。

依據(jù)功能規(guī)范的要求，在電動(dòng)車處于點(diǎn)火狀態(tài)時(shí)動(dòng)力CAN才處于激活狀態(tài)。此時(shí)網(wǎng)關(guān)從動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)上接收動(dòng)力信息并轉(zhuǎn)發(fā)車身網(wǎng)絡(luò)上接收到的相關(guān)信息，否則動(dòng)力CAN處于休眠狀態(tài)。車身CAN在ACC時(shí)便處于激活狀態(tài)。在各ECU正常的情況下，網(wǎng)關(guān)信息發(fā)送方式為周期觸發(fā)。當(dāng)存在ECU超時(shí)的情況或者存在預(yù)先定義的事件發(fā)生時(shí)，網(wǎng)關(guān)對(duì)于相關(guān)信息采取的發(fā)送方式為快發(fā)機(jī)制。所謂的快發(fā)機(jī)制即：相關(guān)信息在超時(shí)或者特定事件發(fā)生時(shí)打破預(yù)先定義的周期觸發(fā)方式的轉(zhuǎn)發(fā)周期，采取短間隔多頻次的信息發(fā)送方式。信息重復(fù)發(fā)送的周期和次數(shù)是按信息重要程度和總線負(fù)載率進(jìn)行設(shè)計(jì)的。信息處理模塊控制邏輯如圖3所示。

3.3 程序監(jiān)控和測(cè)試

本節(jié)利用ControlDesk對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。ControlDesk是dSPACE公司針對(duì)快速原型和硬件在環(huán)測(cè)試開發(fā)的綜合試驗(yàn)和測(cè)試軟件工具，提供對(duì)試驗(yàn)過程的綜合管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)硬件的可視化管理，變量的可視化管理，參數(shù)的可視化管理，試驗(yàn)過程的自動(dòng)化等[8]。

首先通過Matlab將電動(dòng)汽車網(wǎng)關(guān)模型編譯生成SFD格式的文件。然后利用ControlDesk把生成的文件下載到快速原型硬件平臺(tái)MicroAutoBoxⅡ，進(jìn)行在線調(diào)試。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)程序監(jiān)控和測(cè)試，通過ControlDesk搭建網(wǎng)關(guān)軟件測(cè)試面板。測(cè)試面板大體可分為4個(gè)部分：超時(shí)顯示部分，用來顯示哪個(gè)ECU的信息接收超時(shí)；參數(shù)設(shè)置部分，用來在線調(diào)整程序中的參數(shù)，不再需要頻繁的修改模型、編譯和下載，此模塊對(duì)于程序調(diào)試優(yōu)勢(shì)明顯、效果顯著；自由變量測(cè)試部分，此部分是獨(dú)立于程序的變量，用來調(diào)試程序；示波器顯示部分，可用來顯示CAN信息接收和發(fā)送狀態(tài)，顯示效果直觀明朗。網(wǎng)關(guān)程序測(cè)試上位機(jī)界面如圖4所示。

4 產(chǎn)品級(jí)代碼生成和硬件平臺(tái)選擇

TargetLink自動(dòng)代碼生成工具是dSPACE公司配合快速原型產(chǎn)品開發(fā)的套件，它可以方便快捷地將Simulink和Stateflow設(shè)計(jì)的控制策略生成產(chǎn)品級(jí)C代碼。由TargetLink生成的代碼和手工代碼相比，生成速度快、可靠性高、易讀性好、易于理解和維護(hù)，能夠適應(yīng)多種微處理器和編譯器[15]。

利用TargetLink對(duì)Matlab模型進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)化之前，必須先把Simulink模型轉(zhuǎn)化成TargetLink模型，之后對(duì)TargetLink模型進(jìn)行變量定標(biāo)和仿真設(shè)置。在代碼轉(zhuǎn)化之前還要對(duì)TargetLink模型進(jìn)行三個(gè)層次的仿真：第一階段是Simulink仿真，目的是驗(yàn)證模型正確性，記錄參考數(shù)據(jù)，為定標(biāo)和溢出提供數(shù)據(jù)依據(jù)；第二階段是軟件在環(huán)仿真，實(shí)質(zhì)是在PC上仿真TargetLink生成的代碼，驗(yàn)證代碼正確性，定量分析生成定點(diǎn)代碼對(duì)算法的影響；第三階段是處理器在環(huán)仿真，實(shí)質(zhì)是在目標(biāo)板上仿真TargetLink生成的代碼，目的是確定執(zhí)行時(shí)間，評(píng)估RAM＼ROM堆棧利用情況，最終核對(duì)代碼[16?17]。

恩智浦（NXP）的MPC57xx采用Power Architecture?技術(shù)，是面向汽車和工業(yè)應(yīng)用的超高可靠性32位MCU。該系列芯片可實(shí)現(xiàn)低端到高端產(chǎn)品的軟件和硬件均兼容，采用高密度浮柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的嵌入式閃存，輕松達(dá)到功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 26262 ASIL?D級(jí)安全完整性的要求。多種片上冗余和安全選項(xiàng)，例如延遲鎖步內(nèi)核、DMA控制器、存儲(chǔ)器保護(hù)單元、故障采集和控制單元，同時(shí)具有Power Architecture?工具和軟件生態(tài)合作體系的完美支持。

本平臺(tái)主芯片選用MPC5748G，主頻高達(dá)160 MHz，支持單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，8 KB指令緩存和4 KB數(shù)據(jù)緩存，支持可變長(zhǎng)度編碼（VLE）提高代碼密度，內(nèi)存高達(dá)6 MB FLASH，768 KB RAM，外設(shè)資源豐富，支持Ethernet，F(xiàn)lexRay，MOST，CAN，LIN。 硬件選用恩智浦（NXP）的TMPC574XG?MB評(píng)估板用于網(wǎng)關(guān)模塊。該評(píng)估系統(tǒng)支持用戶對(duì)CPU進(jìn)行完全訪問，包括CPU的所有I/O信號(hào)和主板外設(shè)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

TargetLink 生成的代碼不是一個(gè)完整的控制程序，還需將ECU的驅(qū)動(dòng)程序、中斷程序等進(jìn)行整合、編譯和調(diào)試，然后才能下載到MPC5748G評(píng)估板中。利用NXP的開發(fā)環(huán)境S32 Design Studio IDE和P&E;的Cyclone Universal完成ECU控制程序的生成與調(diào)試。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分為三個(gè)階段。第一階段為離線測(cè)試，利用ControlDesk編寫的上位機(jī)程序和Vehicle Spy對(duì)模型生成的SDF格式的軟件進(jìn)行在線測(cè)試和調(diào)整，確保能夠?qū)崿F(xiàn)功能規(guī)范中的要求，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正和完善。此階段測(cè)試主要由程序開發(fā)人員進(jìn)行，屬于白盒測(cè)試的范疇。圖5為網(wǎng)關(guān)測(cè)試圖。第二階段為臺(tái)架測(cè)試，由測(cè)試組專業(yè)人員根據(jù)功能規(guī)范生成測(cè)試用例，然后根據(jù)測(cè)試用例進(jìn)行逐條測(cè)試。臺(tái)架上控制系統(tǒng)接收和轉(zhuǎn)發(fā)的信息為真實(shí)ECU產(chǎn)生的信息。由于測(cè)試人員對(duì)程序不了解，此階段測(cè)試屬于黑盒測(cè)試的范疇。第三階段為實(shí)車測(cè)試，將生成的產(chǎn)品接入到實(shí)車中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，通過此測(cè)試的程序便可以下發(fā)給零部件廠商進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文將Matlab，dSPACE RCP，TargetLink，ControlDesk，Vehicle Spy和MPC5748G有機(jī)結(jié)合成一個(gè)高效的電動(dòng)汽車網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺(tái)，并利用平臺(tái)高效快速地開發(fā)了一款可實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)關(guān)程序，最終通過三個(gè)階段測(cè)試，驗(yàn)證了程序?qū)嵱眯?。?shí)際操作證明，開發(fā)平臺(tái)具有如下優(yōu)勢(shì)：

1） 開發(fā)人員可以將工作重心轉(zhuǎn)移到控制策略的開發(fā)，減少手工代碼編寫所需的時(shí)間，提高了工作效率。

2） 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于模型，相較于代碼，模型更直觀，易于理解，設(shè)計(jì)和擴(kuò)展更方便，同時(shí)由模型生成的代碼具有更高的可讀性，適合團(tuán)隊(duì)開發(fā)。

3） 汽車生產(chǎn)廠商內(nèi)部開發(fā)控制程序，具有完善的測(cè)試環(huán)境，開發(fā)人員和測(cè)試人員無(wú)縫對(duì)接，高效的信息溝通，問題反饋及時(shí)，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)這種量身定做的程序可以更好地滿足自身的需求，使產(chǎn)品具有延續(xù)性，加快開發(fā)速度同時(shí)極大地節(jié)約開發(fā)成本。

4） 利用網(wǎng)關(guān)對(duì)汽車總體信息的把控能力，可以用于開發(fā)控制策略，滿足汽車廠商對(duì)于第三方零部件功能的驗(yàn)證需求。

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