基于MATLAB的AMT換擋手柄控制軟件開發與應用*

蘭海龍，李 萍，彭一濤，李 澤

(中國重汽集團 大同齒輪有限公司,山西 大同 037305)

0 引言

機械式自動變速器(Automatic Mechanical Transmission, AMT)作為一種自動變速器，能夠顯著降低司機的駕駛疲勞強度，且具有高可靠性和燃油經濟性，在重卡市場的占有率越來越高。而傳統的機械式換擋手柄由于其采用的是硬線直連方式，已經無法適用于搭載AMT變速器的重卡，因此需要開發一款搭載電子控制單元(ECU)的帶擋桿的可替代換擋手柄，同時兼顧司機的駕駛習慣[1,2]。

AMT換擋手柄的驅動核心是控制軟件[3]。傳統的控制軟件開發采用手寫代碼的形式，開發周期長；MATLAB的Simulink是基于方塊圖的模型化的軟件代碼開發工具[4]，能夠實現復雜控制邏輯的開發，而利用MATLAB平臺自動生成代碼能極大地縮短代碼開發周期，且自動生成代碼的運行效率不低于手工代碼的10%，內存占用率不超過手工代碼的10%[5]，MATLAB平臺使得AMT換擋手柄的控制軟件開發過程變得簡單易行，提高了產品開發進度。

1 AMT換擋手柄控制系統

換擋手柄軟件系統的主要功能是：實時接收按鍵硬件信號和整車CAN通信信息，綜合分析各輸入信息，判斷出司機的真實駕駛意圖并發出換擋請求指令，通過CAN通信模塊通知TCU進行換擋操作；實時對手柄按鍵硬件和CAN收發器硬件狀態進行監測與診斷，如果發現硬件功能異常，則通過蜂鳴器、顯示燈或儀表信息提示，通知駕駛員手柄硬件功能異常，同時手柄軟件自動進入安全保護模式[6]。按照功能定義將換擋手柄軟件系統主要劃分為信號處理模塊、駕駛意圖識別模塊、故障診斷模塊和CAN通信模塊，換擋手柄應用軟件架構如圖1所示。

圖1 換擋手柄應用軟件架構

2 換擋手柄應用軟件開發

在MATLAB環境中搭建換擋手柄軟件開發平臺，按照系統定義的功能模塊劃分對各子系統進行了詳細的軟件開發工作。按照軟件開發“高內聚低耦合”的代碼封裝原則，從軟件邏輯角度對系統功能劃分進行了適當更改，將信號處理模塊詳細劃分為輸入信號處理模塊和輸出信號處理模塊，并將故障診斷模塊并入了輸出信號處理模塊；將CAN通信模塊分為CAN通信輸入模塊和CAN通信輸出模塊，分別并入了輸入信號處理模塊和輸出信號處理模塊；將駕駛意圖識別模塊劃分為控制系統監控模塊、整車狀態識別模塊和換擋請求計算模塊。開發完成后的應用軟件代碼結構如圖2所示。

圖2 應用軟件代碼結構

輸入信號處理模塊的功能為：①對接收到的CAN信號進行分類解析；②識別司機按鍵和擋桿位置信號，并依照識別的按鍵信號類型和AMT反饋狀態，識別出模式切換請求，如經濟/動力模式、A/M模式、高/低擋切換請求等；實時監控擋桿位置信號狀態變化，并依次識別出司機換擋請求。

輸出信號處理模塊的功能為：①對需要輸出到整車CAN環境的信號進行綜合處理校驗；②實時、準確地向儀表播報換擋系統狀態信息；③借助于手柄集成的蜂鳴器，實時、準確地反饋手柄工作狀態，以提示司機。

控制系統監控模塊的功能為：識別并區分換擋手柄控制系統的工作狀態，如上下電、正常/故障工作模式等，作為換擋系統工作模式切換的總協調。

整車狀態識別模塊的功能為：識別出當前AMT整車狀態，如靜止與否、前進還是倒車；輔助換擋手柄系統準確識別出整車狀態，并作為軟件系統模式切換的輸入信息等。

換擋請求計算模塊的功能為：綜合系統輸入，控制系統狀態、整車狀態和按鍵/擋桿的物理狀態，并在考慮了控制系統模式、節油、安全性等因素后，準確地計算出司機的換擋請求。

3 手柄軟硬件集成與整車集成調試驗證

3.1 手柄軟硬件集成調試

手柄軟硬件集成的主要工作是將開發完成后的手柄系統軟件經過編譯器編譯生成目標文件，利用刷寫工具將目標文件刷寫到手柄控制單元ECU中。刷寫完成后，在辦公室搭建簡單的測試環境，利用Vector CAN工具進行基本的手柄功能邏輯驗證，例如，移動擋桿進行換擋請求操作，觀測擋位請求信號與當前擋桿位置是否一致，CAN信號是否正常接收或發出，發出的CAN信號是否與軟件計算的信息一致等。CAN工具采集的部分測試信號如圖3所示。

圖3 CAN工具采集的部分測試信號

3.2 整車集成調試與功能驗證

整車集成調試的主要工作是：將軟硬件集成完成后的換擋手柄安裝到AMT整車的預留位置上，連接好線束接插件，發動機打火后，利用Vector CAN工具進行數據采集監測并觀察整車儀表盤顯示，進一步檢查確認手柄接收到CAN信號及按鍵信號是否正確，手柄發出的CAN信號和換擋請求信號是否被整車AMT和儀表控制單元正確地接收到，如果不一致，則排查該信號涉及到的線束是否連接正確或軟件功能邏輯是否合理，所有信號檢查確認無誤后，進行手柄軟件功能在整車上的驗證測試。

手柄軟件功能在整車上的驗證應依據軟件系統定義時各子功能模塊的需求定義逐一進行，主要包括：靜止和行駛狀態下換擋請求是否能夠被AMT正確地接收并掛入正確的檔位；經濟/動力模式切換驗證；A/M模式切換功能驗證；儀表信息顯示與蜂鳴器報警提示合理性驗證、故障模式下的手柄工作模式功能驗證。圖4為手柄因故障而進入安全工作模式的儀表顯示。

圖4 故障狀態下的安全工作模式顯示

4 結論

基于MATLAB平臺的自動代碼生成工具使得控制系統軟件代碼的開發過程易于實現。本文依據適用于AMT變速器的電子式換擋手柄的控制系統軟件開發需求定義，基于MATLAB平臺開發了該手柄控制軟件，實車驗證測試結果表明：所開發的控制軟件實現了擋位信號在換擋手柄與AMT變速器和整車儀表之間的實時可靠通信，并成功地實現了司機的換擋意圖。