張利芬，時培成，賈慧利

基于VS.NET及串口通訊的線控制動操控系統(tǒng)開發(fā)與驗證

*張利芬1,2，時培成1，賈慧利2

（1.安徽工程大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽，蕪湖 241000；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與航空學(xué)院，安徽，蕪湖 241006）

線控制動系統(tǒng)中信號傳輸處理的速度及穩(wěn)定性會對整個制動操控效率產(chǎn)生決定性的影響，是影響制動距離及其恒定性的主要因素之一。選擇不同的開發(fā)平臺和通訊類型，其效果也不一樣。本研究基于VS.NET平臺及串口通訊方式，設(shè)計開發(fā)線控制動的操控系統(tǒng)，圍繞制動操控效率和可靠性兩個目標(biāo)元素，從生效速度、操控效率的穩(wěn)定性兩個方面對線控制動操控系統(tǒng)進行性能驗證，包括制動需求分析、開發(fā)背景介紹、系統(tǒng)設(shè)計以及基于緊急持續(xù)制動、點動緩剎、常規(guī)持續(xù)限速三種典型工況下的性能驗證。

VS.NET平臺；C#；線控制動；操控系統(tǒng)；測試驗證

0 前言

順應(yīng)的汽車電動化和智能化的兩大發(fā)展趨勢，x-by-wire（線控操控）成為了最理想的操控方式，目前處于廣泛研發(fā)試驗階段。制動效能及效能的恒定性是評價機動車制動安全的兩個核心指標(biāo)，對于線控制動而言，亟待解決的是制動生效的靈敏性和可靠性問題，這些取決于整個制動操控實現(xiàn)過程中的軟件通訊和解碼，而軟件通訊和解碼的速度、準(zhǔn)確度和實時性取決于軟件模塊的開發(fā)平臺、通訊類型、信號傳輸、轉(zhuǎn)碼速度及性能穩(wěn)定性等[1]。

目前汽車x-by-wire系統(tǒng)開發(fā)，通訊主要依賴于CAN和FlexRay總線技術(shù)[2-3]，F(xiàn)lexRay可以更好地滿足制動操控高精讀高靈敏的要求，但在汽車上的應(yīng)用不成熟，成本高，開發(fā)工作量大。CAN通訊為目前車載網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式，技術(shù)成熟，應(yīng)用成本較低，但實時性和容錯性不足。目前在線控軟件開發(fā)中主要有Java/go和.NET/C#兩種模式，兩者搭建的應(yīng)用程序有類似的性能，但在面向?qū)ο罂刂品矫?，C#使得一些在Java中過于復(fù)雜的特性變得簡單，另外據(jù)TechEmpower測試，.NET Core框架允許在一臺服務(wù)器上每秒處理的請求數(shù)量遠遠領(lǐng)先于任何Java開發(fā)的web框架[4]。本項目根據(jù)線控制動系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)、常規(guī)制動規(guī)律，基于VS.NET平臺和CAN串口通信模式，擬借VS.NET平臺及C#開發(fā)語言組合開發(fā)模式能夠簡化公共組件、減少繁雜代碼堆砌以及處理速度快的優(yōu)勢，來彌補CAN串口通訊實時性和容錯性的不足，對制動要求的達成度進行探究。結(jié)合程序邏輯的優(yōu)化，開發(fā)獨立線控制動操控系統(tǒng)，并對不同制動工況下的制動生效速度和可靠性進行測試驗證。

1 線控制動需求分析

圖1 汽車制動過程

制動距離=反應(yīng)時間距離（此處不考慮駕駛員反應(yīng)時間）+剎車距離，即[5]

2 基于VS.NET平臺的系統(tǒng)設(shè)計及功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

線控系統(tǒng)主要由剎車踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動機和制動執(zhí)行機構(gòu)組成。

采用PWM信號發(fā)生器模擬油門踏板，踏板位移傳感器采用線性函數(shù)模擬，ECU采用PC模擬，數(shù)據(jù)總線使用USB_CAN模塊的雙向通訊模擬，剎車的執(zhí)行單元由.NET進行仿真。軟件程序在VS2019平臺進行開發(fā)，核心代碼如下：

系統(tǒng)可視化操作界面如圖2所示。

2.2 功能實現(xiàn)

1）信號生效時間。主要是指剎車從開始踩下到產(chǎn)生剎車信號所使用的時間，即：

信號生效時間=開始踩下踏板時間－（預(yù)設(shè)點動生效行程/踏板總行程）×預(yù)設(shè)人體剎車移動至最終行程耗時；

2）信號持續(xù)時間。主要是指在踏板持續(xù)踩踏時，剎車信號真正的持續(xù)時間，即：

信號持續(xù)時間=從踏板開始踩下到最后抬起的耗時－信號生效耗時；

3）信號編碼耗時。從踏板的電信號轉(zhuǎn)換成CAN通信幀所需要的的時間；

4）ECU收到消息耗時。從踏板發(fā)送CAN信號到收到ECU的應(yīng)答信號的耗時，使用modus協(xié)議轉(zhuǎn)碼來仿真信號轉(zhuǎn)換過程，使用串口線2、串口線3短路的方式模擬信號收發(fā)；

5）剎車模塊接收到ECU消息耗時。從ECU發(fā)送執(zhí)行指令到剎車模塊確認收到信號的耗時，測試原理同上。

3 試驗平臺搭建及多工況試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

基于所開發(fā)操控系統(tǒng)的控制邏輯及功能目標(biāo)所搭建的試驗平臺邏輯框圖如圖3所示。

串口1通過短路模塊在軟件仿真中模擬點到點的車內(nèi)通訊。

PC通過串口2實現(xiàn)IO的開關(guān)控制，這里IO板模擬剎車的執(zhí)行機構(gòu)（繼電器結(jié)構(gòu)）。

CAN模塊通過儀器仿真車內(nèi)的點到點通訊，不考慮線長的影響，此處的仿真是為了獲得更精細的數(shù)據(jù)，可以替換軟件仿真中的“ECU收到消息幀耗時”和“剎車收到消息幀耗時”。

ECU仿真端口號：用來模擬ECU的串口模塊所在的串口號。

IO板端口號：用來模擬執(zhí)行器電信號轉(zhuǎn)換模塊通訊所使用的串口號。

CAN1波特率：CAN1口通訊使用的頻率。

CAN2波特率：CAN2口通訊使用的頻率，需將CAN2和CAN1頻率設(shè)置為一致，再點擊打開設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)邏輯框圖

基于以上邏輯所搭建的試驗系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖4所示：1）計算機1臺；2）綠聯(lián)USB轉(zhuǎn)232通訊線2根；3）232控制繼電器模塊1個（4路LH-04C）；4）雙通道USB轉(zhuǎn)CAN盒1個（廣成科技USBCAN-II C）；5）手工制作232 2_3短接模塊，使形成回路系統(tǒng)；6）易達源電子3-24V可調(diào)直流電源1個。

圖4 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

3.2 測試方法及數(shù)據(jù)采集

3.2.1 預(yù)設(shè)生效行程

用小數(shù)表示剎車開始反饋有效信號的行程位置，例如：該數(shù)字為0.08時，即為當(dāng)剎車踩下總行程的8%時，剎車開始反饋給ECU剎車信號。

3.2.2 預(yù)設(shè)剎車踩到底耗時

預(yù)設(shè)的剎車從完全釋放狀態(tài)至踩到底所需要的總耗時，這個時間相當(dāng)于設(shè)置了踩剎車的速度，給的時間越少，踩剎車速度越快。

3.2.3 本次工況剎車行程

當(dāng)前剎車的踩踏程度，該數(shù)據(jù)只使用在持續(xù)信號測試中，當(dāng)設(shè)置為0.8時，即為當(dāng)前工況設(shè)置中，剎車最多踩至80%的位置。

CAN傳輸時間：點擊CAN傳輸模擬按鈕后，該數(shù)值開始出現(xiàn)，表示剎車信號從剎車踏板模塊到ECU模塊的耗時（包括轉(zhuǎn)碼時間）以及其從ECU到剎車執(zhí)行模塊的耗時，因此在總耗時計算中該部分需要計算兩次。

命令發(fā)出耗時：點擊發(fā)送命令至IO板按鈕后，該數(shù)值開始出現(xiàn)，表示剎車模塊從收到剎車信號到發(fā)出執(zhí)行指令所耗時間。

3.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)城市道路使用汽車實際制動需求試驗選擇：1）緊急全行程持續(xù)制動；2）多次部分行程點制動；3）常規(guī)部分行程持續(xù)制動三種典型工況，對制動時間及性能的穩(wěn)定性進行測試。具體結(jié)果如下（單位均為毫秒）：

（1）緊急全行程持續(xù)制動試驗結(jié)果如表1所示。

表1 緊急全行程持續(xù)制動測試

多次部分行程點制動試驗結(jié)果如表2所示。

表2 多次部分行程點制動測試

3.2.3 常規(guī)部分行程持續(xù)制動

1）預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.5持續(xù)制動試驗結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)設(shè)0.5行程制動測試

預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.6持續(xù)制動試驗結(jié)果如表4所示。

表4 預(yù)設(shè)0.6行程制動測試

預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.7持續(xù)制動試驗結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)設(shè)0.7行程制動測試

在測試數(shù)據(jù)中：剎車總時間=信號持續(xù)時間+信號傳輸編碼時間（信號編碼用時+ECU收到信號用時+剎車模塊收到信息用時），從測試結(jié)果可以打得出以下三點結(jié)論（除去個別測試操作抖動情況）：

2）持續(xù)制動測試結(jié)果顯示，在信號持續(xù)時間內(nèi)，信號傳輸穩(wěn)定，不會出現(xiàn)任何中斷或跳動現(xiàn)象，且信號傳輸轉(zhuǎn)碼時間基本與信號持續(xù)時間成正比，不受踏板行程影響。另外從點制動結(jié)果也可以看出，在連續(xù)多次踩踏的情況下，信號傳輸轉(zhuǎn)碼速度依然保持原有的規(guī)律，不受踩踏頻率影響，展示了所開發(fā)系統(tǒng)操控性能的高穩(wěn)定性。

3）按照機動車制動性能恒定性要求，車輛在所允許的任何工況下，都能保持靈敏、準(zhǔn)確的操控性能[5]，本實驗研究基于不同制動工況的各項測試結(jié)果顯示，信號傳輸轉(zhuǎn)碼時間按照統(tǒng)一規(guī)律，滿足各種制動工況下均能穩(wěn)定發(fā)揮制動操控性能的需求，展示了所開發(fā)系統(tǒng)操控性能的高實用性。

4 結(jié)束語

線控操控用計算機手段來代替機械液壓手段，智能化程度、操控效率等都顯著提高，但其穩(wěn)定性、可靠性還是需要繼續(xù)深入研究。本研究在VS.NET平臺搭建的線控操控系統(tǒng)上，這兩方面都得到了驗證。但不同的操控系統(tǒng)，不同的通信方法，不同的解碼方式均有待進一步探究，在后續(xù)研究還需從在不同溫度濕度等環(huán)境因素干擾下操控性能的穩(wěn)定性，以及在與動力模塊、防滑模塊、車身穩(wěn)定模塊協(xié)同控制中，進一步提高智能化程度等方面繼續(xù)展開。

[1] 周國憲.基于多物理量的制動性能測試系統(tǒng)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2018.

[2] 楊甲豐.基于CAN＿FD總線的線控制動系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機次測量與控制,2021(8):9.

[3] 劉杰.基于FlexRay總線的汽車線控制動系統(tǒng)仿真研究[J].內(nèi)燃機與配件,2021(10):205-206.

[4] 吳睿.基于VS.NET平臺的第二煉鋼廠生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工學(xué)報.2016.

[5] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:97-99.

[6] 孟憲羅. 基于串口通信的PTB220氣壓傳感器誤差自動調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計[J].氣象科技,2017,45(5):811-817.

[7] 袁瑩靜.基于VS.NET的研究生教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件,2020,41(3):278-282.

DEVELOPMENT AND VERIFICATION OF BRAKE-BY-WIRE CONTROL SYSTEM BASED ON VS.NET AND SERIAL COMMUNICATION

*ZHANG Li-fen1,2, SHI Pei-cheng1, JIA Hui-li2

（1. School of Mechanical engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. School of Automobile and Aaviation, Wuhu Institute and Technology, Wuhu, Anhui 241006, China）

The speed and stability of signal transmission and processing in the brake-by-wire control system has a decisive impact on the whole braking control efficiency, also is one of the main factors affecting the braking distance and constancy. Different development platforms and communication types have different effects. Based on VS.NET platform and serial port communication mode, the brake-by-wire control system was designed and developed, focusing on the two objective elements of braking control efficiency and reliability, the performance verification of the line control brake control system was carried out, including braking demand analysis, development background introduction, system design, and performance verification under three typical working conditions as emergency continuous braking, inching braking and conventional continuous speed limit.

VS.NET platform; c#; brake-by-wire; control system; test verification

TP311.51

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.06.013

1674-8085（2022）06-0081-06

2021-08-09；

2022-02-10

安徽省優(yōu)秀青年骨干教師國內(nèi)訪學(xué)研修項目(gxgnfx2021189)；安徽高校自然科學(xué)研究重點項目（KJ2020A0909)；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級自然重點科學(xué)研究項目(wzyzrzd202003)

*張利芬(1989-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，主要從事新能源汽車電控方向、汽車設(shè)計與制造技術(shù)等教學(xué)與研究(E-mail:zhanglf@whit.eddu.cn).