燃料電池汽車整車控制器硬件在環實時仿真測試平臺設計

　　虛擬平臺的數字信號和模擬信號通過PCI接口的數據采集卡實現與真實世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅動程序，可以直接用于實時仿真。對于部分不支持Matlab實時仿真環境的數據采集卡，可以采用Matlab／Simulink環境下的S函數編寫，并在Matlab環境下調用動態鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅動程序，因此采用S函數進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入／輸出復用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。

　　虛擬平臺產生或接收的CAN信號通過PCI總線與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過CAN總線與待測整車控制器進行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。

信號調理器硬件設計

　　由于燃料電池客車上的信號比較復雜，數字信號有24V、12V和5V等不同的驅動電平和驅動方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅動功率的不同需求。而從虛擬平臺經過數據采集卡輸出的信號比較單一，故經過信號調理器對信號進行調理后，才能夠完全再現燃料電池客車上的真實控制接口，直接與整車控制器連接進行仿真測試。

　　如圖2所示，虛擬平臺產生或接收的數字模擬信號通過PCI總線與數據采集卡相連。數據采集卡與可配置的信號調理器之間通過專用的數據線進行數據交換，經過可配置的信號調理器對信號進行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換后，輸出信號完全符合實際整車信號規范，并采用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現對整車控制器的無縫連接。通過調整可配置信號調理器的配置方式，可以實現各種車輛的不同信號規范。信號調理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯合工作，可以根據用戶的需要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。

硬件在環實時仿真測試平臺軟件設計

虛擬整車平臺軟件設計

　　虛擬整車平臺基于Matlab／Simulink平臺構建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發動機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動電機及車輛負載。系統各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿足實時性的要求。整個模型在Matlab／Simulink xPC Target實時仿真環境上運行。整車仿真模型通過PCI數據采集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機平臺軟件設計

　　虛擬司機平臺實現了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環境。除了駕駛加速信號由測試人員通過踏板輸入外，其余整車肩停開關、燃料電池開關、電機轉速表、車速表、水溫報警等控制開關和儀表均由虛擬司機平臺實現。整個模型基于Matlab／Simulink RTW Target實時仿真環境實現，并利用Matlab Gauges工具箱實現了整車儀表顯示和控制開關輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監控數據的儀表開發工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發出虛擬車用儀表系統。虛擬司機仿真模型同樣通過PCI數據采集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。

實時性能分析

　　Matlab／Simulink為實時仿真提供了很好的軟件環境。Real-TimeWorkshop代碼自動生成工具可以將仿真模型編譯生成實時C代碼，并支持多種實時仿真目標環境，包括Matlab 工具箱RTW Target、xPC Tar-get以及第三方軟件，如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來構建虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。

　　整車虛擬平臺承擔再現真實燃料電池汽車運行的任務，是整個測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車結構復雜、控制對象較多，為了真實再現整車運行情況，系統各部件模型除了需要滿足精度要求外，還必須嚴格滿足實時性的要求。整車虛擬平臺采用的xPC Target實時仿真環境采用目標機和宿主機的結構，由Matlab生成的實時內核通過軟驅或者USB閃存獨立運行在目標機上，直接調用CPU資源。仿真模型通過宿主機編譯生成實時代碼后下載到目標機上運行，能夠實現嚴格的系統實時仿真。

　　虛擬司機平臺采用的RTW Target實時內核直接運行在Matlab／Simulink環境中，在同一臺PC機上就能夠迅速實現系統的實時仿真。其缺點是由于整個系統在Windows系統下運行，實時內核不能完全占有PC機操作系統資源，實時性受其他運行程序的影響。由于駕駛員模擬操作對實時性要求不高，因此選擇RTW Target實時仿真環境能夠滿足這一要求。

實時仿真信號定義

　　虛擬整車平臺、虛擬司機平臺的信號定義如表1、表2所示，與目標燃料電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺定義了燃料電池汽車各部件控制器CAN網絡節點協議以及整車控制器制動信號輸入和整車車速輸出。虛擬司機平臺系統信號包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入，并定義了一個數據采集CAN節點。虛擬整車平臺與虛擬司機平臺除了車速信號、CAN網絡信號的聯系，其他所有信號均是與整車控制器交互。