基于MATLAB/Simulink及dSPACE/TargetLink的AMT控制軟件開發(fā)

李 萍， 蘭海龍

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037305）

引言

現(xiàn)代汽車智能化控制進程在逐步加快，汽車電子控制單元在逐漸增多，其控制系統(tǒng)的復雜度呈幾何式增長，而且隨著市場競爭日趨激烈，對汽車電控單元軟件開發(fā)的可靠性和時效性要求越來越高，而依靠傳統(tǒng)費事費力的手寫C代碼，由于其開發(fā)周期長，根本無法滿足需求[1-2]。基于MATLAB/Simulink模塊化設計語言和Targetlink C代碼自動轉化工具的軟件開發(fā)平臺，極大地簡化了開發(fā)流程，縮短了項目周期，使得軟件開發(fā)工程師能將更多的精力投放到控制流程的優(yōu)化上，目前已廣泛應用于汽車控制領域。

1 基于MATLAB/Simulink和TargetLink的AMT控制系統(tǒng)開發(fā)的流程

AMT的核心控制單元是變速器電子控制單元，簡稱為TCU，其核心的控制處理算法是基于Simulink/Stateflow模塊化、流程化的設計語言按照一定的邏輯組合實現(xiàn)的，在MATLAB環(huán)境下嵌入TargetLink搭建代碼生成環(huán)境、對參數(shù)變量進行統(tǒng)一管理并實現(xiàn)自動生成C代碼。與TCU硬件直接相關的底層驅動代碼仍然以手工編寫C代碼實現(xiàn)。由CodeWarrior工具將兩部分C代碼集成編譯生成二進制文件和map文件，最后由刷寫工具將二進制文件寫入到TCU存儲單元中。Map文件經(jīng)Targetlink環(huán)境鏈接生成控制器的描述文件A2L文件，該文件包含下載到TCU中所有參變量的地址和類型等信息，利用CANape等標定工具鏈接A2L文件后，可以方便對運行于TCU中的參變量數(shù)值進行調整，在不改變策略的前提下，不用重新刷入代碼，就可以實現(xiàn)在線調整控制系統(tǒng)性能達到目標要求。圖1為上述開發(fā)流程簡圖。

圖1 AMT控制系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

2 TCU底層驅動軟件

AMT控制器芯片選用的是飛思卡爾公司的16位MC9S12EP100，底層驅動主要是對芯片上的I/O、定時、中斷、A/D等的寄存器進行處理，以實現(xiàn)硬件信號的輸入輸出處理以及控制系統(tǒng)的動作時序，傳統(tǒng)的手寫代碼結構緊湊、運行效率高、占用內(nèi)容資源少，它們包括以下內(nèi)容。

1）I/O：處 理 D-N-R 旋 鈕 信 號 、UPSHIFT/DOWNSHIFT輸入信號、E/P、A/M按鍵輸入信號、輸出各執(zhí)行機構電磁閥控制的驅動信號。

2）A/D：采集選換擋執(zhí)行機構和離合器執(zhí)行機構位置傳感器信號、油門踏板和制動踏板位移信號等。

3）轉速測量：采集變速器輸入和輸出傳感器模擬信號。

4）定時器：AMT控制系統(tǒng)任務調度的時序控制。

5）中斷：實現(xiàn)對各傳感器、按鍵輸入和CAN線信號等外部信號請求的響應處理。

6）CCP（CAN Calibration Protocol） 驅動：實現(xiàn)CAN標定協(xié)議，以CAN數(shù)據(jù)包的形式實現(xiàn)參變量的在線監(jiān)測與標定。

7）J1939接口：按照SAE J1939協(xié)議組織CAN報文的發(fā)送與讀取，以實現(xiàn)與整車其他控制單元交互信息[3]。

3 TCU應用層對硬件輸入信號的處理

硬件電路板接收到的硬件信號不可避免會受到外界環(huán)境電磁場的干擾，因此必須對硬件輸入信號進行濾波、消抖處理，去除干擾，同時應對其有效性進行判定，這也是提高AMT系統(tǒng)故障診斷可靠性的必要環(huán)節(jié)。硬件輸入信號可分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。

3.1 模擬輸入信號處理

圖2為A/D口普遍采用的RC濾波處理電路，該電路可以有效去除干擾信號。應用層軟件應對處理后的信號進行有效性判斷處理，比如轉速信號和位置信號。真實的物理信號都有一個最大最小的極限值即有效值，如果處理后的信號低于或高于有效值范圍邊界值，則可判斷該硬件輸入信號發(fā)生錯誤，應用軟件應對異常的輸入信號進行處理，以保證應用軟件運行的可靠性，同時還應該對其進行故障預警和診斷處理。

圖2 模擬輸入信號處理電路[4]

3.2 數(shù)字輸入信號處理

圖3為典型的I/O端輸入的數(shù)字信號處理電路，包括RC組合部分及光電耦合。輸入的數(shù)字信號經(jīng)過計數(shù)時間翻轉可以得到處理后的I/O信號。

圖3 I/O信號處理電路

利用Simulink/Stateflow可以實現(xiàn)處理電路算法，對模擬信號和數(shù)字信號進行濾波處理。

4 TCU應用層控制算法的實現(xiàn)

根據(jù)司機的駕駛意圖，合理準確決策出目標檔位，并及時完成選換擋操作，是TCU控制策略的核心。完成一次選換擋操作，典型的控制流程是：請求發(fā)動機降扭→分離合→摘空擋→選換擋→轉速同步→結合離合→請求發(fā)動機還扭[5]。因此TCU控制策略主要是選換擋控制策略、離合器控制策略和發(fā)動機控制策略開發(fā)三大塊。

4.1 換擋控制策略的開發(fā)

AMT系統(tǒng)開發(fā)的核心在于換檔控制策略的開發(fā)，換檔策略的開發(fā)是整個AMT開發(fā)過程中耗時最長，投入人力、物力最多的階段。主要包括車輛起步控制策略、選換檔控制策略、換檔點調整策略以及起步和行駛選換檔期間的離合器控制策略、故障診斷功能的開發(fā)。

4.2 發(fā)動機控制策略的開發(fā)

AMT系統(tǒng)對發(fā)動機控制的好壞直接影響換擋舒適性和AMT系統(tǒng)機械部件的壽命。所以必須開發(fā)出良好的發(fā)動機控制策略。簡單的說，發(fā)動機控制就是TCU在適當?shù)臅r刻發(fā)起合適的控制請求，并實時對發(fā)動機的扭矩、轉速進行合適的控制，以實現(xiàn)最佳的換擋性能。

大多數(shù)重型商用車國Ⅳ發(fā)動機都遵循SAEJ1939協(xié)議，TCU通過解析發(fā)動機發(fā)出EC1報文得到發(fā)動機的配置信息；對發(fā)動機的短暫控制通過TSC1報文請求實現(xiàn)，確認發(fā)動機已經(jīng)響應TCU發(fā)出的請求是通過解析EEC1報文中的（發(fā)動機控制設備地址）Source Address of Controlling Device for Engine Control的數(shù)值實現(xiàn)，TCU的地址規(guī)定為3。

換擋離合器分離時，TCU會請求發(fā)動機將扭矩逐步降到最低（扭矩值為動態(tài)值），以防止動力中斷后發(fā)動機超速。

通過TSC1準確地實現(xiàn)了發(fā)動機扭矩的逐步下降和逐步上升，上升用的是扭矩限值控制。

4.3 離合器控制策略的開發(fā)

離合器接合扭矩控制流程如下：

1）控制離合器開始接合。

2）當離合器位置到達半聯(lián)動點時，通過發(fā)動機扭矩控制，控制發(fā)動機扭矩逐漸上升，保證發(fā)動機扭矩的平穩(wěn)傳遞，同時防止發(fā)動機熄火。

3）離合器起步及蠕動控制；車輛起步時，離合器需要通過半聯(lián)動狀態(tài)時離合器片的滑磨來減小起步?jīng)_擊，保證起步的舒適性；車輛蠕動行駛時，AMT也需要通過半聯(lián)動狀態(tài)時離合器片的滑磨來保證車輛低速可控行駛。另外，為了充分體現(xiàn)駕駛員意圖，AMT需要根據(jù)駕駛員踩下油門踏板的深度來制定離合器半聯(lián)動工作的半聯(lián)動深度值。即當駕駛員淺踩油門時，代表駕駛員需要更加平緩的起步和蠕動，半聯(lián)動深度值則要更加接近半聯(lián)動點，通過減小傳遞扭矩的方式來減小沖擊；反之，當駕駛員深踩油門時，代表駕駛員并不注重起步?jīng)_擊，而是希望車輛快速起步提速，此時的半聯(lián)動深度值則要更加接近離合器結合點，通過增大傳遞扭矩的方式來加快起步提速。

5 定標和代碼生成

利用Simulink/Stateflow完成TCU應用層代碼的開發(fā)后，需要將其轉化成標準的C代碼才能進行集成編譯。相對于MATLAB自帶的代碼生成模塊，Targetlink具有明顯的優(yōu)勢。首先其數(shù)據(jù)字典可以方便對軟件中的變量存儲空間、類型、定標、聲明等進行管理，其次是可以直接從Simulink/Stateflow圖形化的開發(fā)環(huán)境中生成產(chǎn)品級的C代碼，其生成的代碼執(zhí)行效率可與手工編寫的相媲美，并且支持AUTOSAR標準，可對代碼進行優(yōu)化處理。

自動生成代碼前，必須對Simulink/Stateflow模型進行前期處理，將其子模塊用Targetlink標準庫中的模塊替代，轉換后的應用軟件模型應進行浮點型的模型在環(huán)路測試，以消除軟件中存在的大部分語法錯誤和邏輯錯誤。由于汽車行業(yè)的處理器只支持定點運算，所以需要將軟件中的所有浮點類型全部都轉化成定點類型，利用Targetlink的數(shù)據(jù)字典就可以方便實現(xiàn)這一轉化，而且可以對變量進行分類管理，可以實現(xiàn)多變量同時修改其對象屬性。

Targetlink支持汽車領域的大部分嵌入式處理器，而且還有許多針對性的基礎包和優(yōu)化包，其數(shù)據(jù)字典文件可移植，可以實現(xiàn)公司內(nèi)局域網(wǎng)共享，提高了軟件開發(fā)效率和可維護性。

6 系統(tǒng)集成

TCU控制軟件可分為底層驅動軟件和系統(tǒng)控制軟件，前者是手工編寫的C代碼，后者是Targetlink自動生成的C代碼，但是都不是可運行與TCU硬件中的產(chǎn)品級目標代碼，必須借助于第三方工具軟件，將兩者集成轉化成二進制目標代碼，本項目選用的是CodeWarrior工具軟件，將軟件集成編譯后生成了mot文件、ELF文件和map文件。

7 樣車試驗和標定

控制系統(tǒng)軟件經(jīng)過集成編譯刷寫到控制器TCU后，就可以進行樣車試驗和標定工作。項目采用的Vector公司的CANape標定工具?？刂撇呗灾械囊徊糠诌壿嬋毕菔擒浖抡骐A段中檢測不出來的，必須經(jīng)過反復的樣車試驗和標定才能夠發(fā)現(xiàn)并解決。圖4所示為車輛行駛過程中的實測參變量數(shù)值，能夠清晰地分析出車輛狀態(tài)。

圖4 實際測量分析

8 結論

實踐證明：Matlab/Simulink模塊化圖像化的代碼開發(fā)語言具有代碼實現(xiàn)簡便、代碼可讀性高、代碼可維護性好、易于仿真測試等優(yōu)點；dSPACE公司的Targetlink工具能夠與Matlab/Simulink進行無縫鏈接，生成的代碼可靠性高、可移植性好、易于維護，且參數(shù)變量管理方便，提高了軟件開發(fā)效率，降低了維護成本。