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高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計
摘要：介紹了基于CAN 總線的高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計。軟件采用Visual C++和I abVIEw 混合編程的方式，構(gòu)建了發(fā)動機仿真模型和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)用戶界面，實現(xiàn)了CAN總線通信和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的處理與記錄。在滿足實時性要求的同時，本軟件為發(fā)動機ECU控制策略、控制功能以及工作可靠性的測試和評估提供了一個良好的平臺。
關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;高壓共軌;柴油機;ECU;硬件
在環(huán)仿真;CAN總線0 概述為了縮短開發(fā)周期、降低研發(fā)費用，硬件在環(huán)仿真在發(fā)動機的開發(fā)過程中已有較多的應(yīng)用，如柴油機高壓共軌ECU 的開發(fā)_1]，柴油機高壓共軌供油系統(tǒng)的開發(fā)_2]，電控單體泵的開發(fā)口 等。目前的相關(guān)文獻較偏重于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計，而對于系統(tǒng)軟件設(shè)計的描述較為簡略。本文主要介紹了高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計。
作為高壓共軌柴油機ECU 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)軟件運行于PC機中，實現(xiàn)了以下幾項功能：(1)構(gòu)建靈活友好的人機交互界面(用戶界面);(2)構(gòu)建高壓共軌柴油機仿真模型;(3)實現(xiàn)PC機、柴油機ECU和HIL—ECU(仿真ECU)三者之間的CAN總線通信;(4)操作數(shù)據(jù)采集卡測量噴油脈寬信號;(5)對系統(tǒng)運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)進行保存。
1、硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)架構(gòu)高壓共軌柴油機ECU 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要由高壓共軌柴油機ECU、控制箱、HIL—ECU、PC機以及其他一些外圍通信、測試設(shè)備組成，連接成為一個閉環(huán)的開發(fā)測試系統(tǒng)。
系統(tǒng)運行時，控制箱將模擬出發(fā)動機ECU工作所需的多種信號提供給ECU，包括溫度傳感器模擬信號、壓力傳感器模擬信號以及開關(guān)量模擬信號等;ECU也會產(chǎn)生一些開關(guān)量控制信號，來驅(qū)動控制箱上相應(yīng)的繼電器、指示燈及儀表。同時，ECU 對噴油器電磁閥的驅(qū)動信號通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給PC機，HII 一ECU也將采集控制箱產(chǎn)生的傳感器模擬信號發(fā)送給PC機，PC機使用從兩個方面接收來的信號進行發(fā)動機模型計算，計算出發(fā)動機的模擬轉(zhuǎn)速并通過HII ECU控制驅(qū)動電機，帶動曲軸盤和凸輪盤轉(zhuǎn)動。進一步地，發(fā)動機ECU將采集曲軸盤和凸輪盤的轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)自身控制策略再產(chǎn)生對噴油器電磁閥的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
2、軟件用戶界面設(shè)計高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的主程序使用LabVIEw 8.5來開發(fā)。用戶界面如圖2所示。其中包括軟件操作菜單、分頁標簽、系統(tǒng)名稱、仿真顯示頁面和軟件運行控制欄5個部分。
軟件操作菜單用來選擇文本文件以保存系統(tǒng)運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)，或是選擇退出系統(tǒng)關(guān)閉軟件;分頁標簽用來選擇仿真頁面1、仿真頁面2或是數(shù)據(jù)列表頁面其中之一作為仿真的主顯示頁面;仿真頁面1包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速儀表、波形圖表、溫度信號、指示燈、繼電器以及開關(guān)信號。仿真頁面2包括壓力信號、霍爾(轉(zhuǎn)速)信號、噴油電磁閥驅(qū)動信號。數(shù)據(jù)列表頁面使用多列列表框來顯示系統(tǒng)運行過程中的重要數(shù)據(jù)參數(shù);軟件運行控制欄包括水平搖桿開關(guān)、數(shù)據(jù)文件保存路徑、數(shù)據(jù)保存按鈕、載入初始參數(shù)按鈕、啟動/停止程序運行按鈕、系統(tǒng)退出按鈕，用以實現(xiàn)對軟件運行的控制。
3、軟件程序設(shè)計
3.1 軟件程序架構(gòu)高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件程序采用VC和Labview混合編程的方式來開發(fā)。
柴油機仿真模型在Visual C++ 6.0環(huán)境下采用C語言編寫。編寫好后的C程序?qū)⒈环庋b為D1 I s(dy—namic link libraries，動態(tài)鏈接庫)，供I.abview調(diào)用。
系統(tǒng)軟件的主程序在Labview 8.5環(huán)境下采用G語言編寫。具體分為4個模塊：發(fā)動機仿真模型模塊;用戶界面模塊;數(shù)據(jù)采集卡模塊;CAN通信模塊。
3.2 軟件程序流程發(fā)動機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的一個仿真循環(huán)不能太長，否則無法真實反映出發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)速度，從而影響系統(tǒng)的實時性，失去硬件在環(huán)仿真的意義。
為此，高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件將采用Labview環(huán)境下的多線程技術(shù)，其主程序中的發(fā)動機仿真模型模塊、用戶界面模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊和CAN通信模塊將設(shè)計成為4個獨立的while循環(huán)并列執(zhí)行。通過在循環(huán)中使用等待函數(shù)來設(shè)置各模塊運行的優(yōu)先級，從而保證整個系統(tǒng)的實時性。
軟件運行流程可分為軟件啟動、軟件初始化、啟動程序運行、停止程序運行以及軟件退出等部分。
3.3 各模塊程序代碼設(shè)計
3.3.1 發(fā)動機模型模塊本軟件采用均值發(fā)動機模型(mean valueengine mode1)，主要包括渦輪增壓器、發(fā)動機以及供油系統(tǒng)3個子模塊，用以模擬真實發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
3.3.2 用戶界面模塊軟件的用戶界面模塊程序可進行子模塊劃分，包括數(shù)據(jù)分析處理子模塊、波形圖表顯示子模塊、數(shù)據(jù)列表顯示子模塊、數(shù)據(jù)文件保存子模塊、程序停止判定子模塊。
數(shù)據(jù)分析處理子模塊負責PC機上數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息的分析和處理。波形圖表顯示子模塊將系統(tǒng)運行過程中的6個重要數(shù)據(jù)參數(shù)描繪曲線。數(shù)據(jù)列表顯示子模塊使用多列列表框來顯示系統(tǒng)運行過程中的14個重要數(shù)據(jù)參數(shù)。數(shù)據(jù)文件保存子模塊負責將系統(tǒng)運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息保存在格式為。txt的文本文件中。程序停止判定子模塊在每個循環(huán)中都將查詢“停止程序運行”按鈕是否被按下，以決定是否要停止程序運行。
3.3.3 數(shù)據(jù)采集卡模塊系統(tǒng)使用ADVANTECH PCF1712數(shù)據(jù)采集卡對噴油器的噴油脈寬信號進行采集。安裝好數(shù)據(jù)采集卡對LabVIEW 的驅(qū)動程序后，打開LabVIEW，在程序框圖中的函數(shù)選板一用戶庫中，將出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的操作函數(shù)。通過使用DeviceOpen.vi、PM W StartRead.vi、CounterReset.vi、DeviceClose.vi等函數(shù)，即可完成對噴油脈沖寬度的測量。
3.3.4 CAN通信模塊高壓共軌柴油機ECU 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件通過USBCAN接口卡來實現(xiàn)PC機的CAN總線通信，USBCAN接口卡專門提供了應(yīng)用程序接口Vir—tual CAN Interface(VCI)函數(shù)庫，庫里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出E 7]。
首先在LabVIEw 環(huán)境下通過使用‘Call LibraryFunction Node依次調(diào)用打開設(shè)備函數(shù)VCI～OpenDe—vice、初始化CAN函數(shù)VCI—InitCAN和啟動CAN 函數(shù)VCI—StartCAN，完成對USBCAN設(shè)備的初始化。
之后根據(jù)高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的CAN總線通信協(xié)議，循環(huán)調(diào)用ControlCAN.dll中的發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)VCI—Transmit和接收數(shù)據(jù)函數(shù)VCI—Receive，即可實現(xiàn)CAN總線通信。
4、仿真驗證
對于GI>I高壓共軌柴油機ECU，圖7和圖8分別為軌壓和轉(zhuǎn)速對油門動態(tài)響應(yīng)的硬件在環(huán)仿真結(jié)果和試驗結(jié)果。
在負荷不變的情況下，增加柴油機油門開度，高壓共軌油壓和柴油機轉(zhuǎn)速也將上升;維持油門開度不變，軌壓和轉(zhuǎn)速均將保持穩(wěn)定。對比圖7和圖8可見：軌壓和轉(zhuǎn)速對油門動態(tài)響應(yīng)的硬件在環(huán)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果是一致的，驗證了本硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟硬件的有效性。
圖9為本硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)在空載情況下，油門從0 至50%時的運行效果。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和過渡工況下運行良好，達到了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的開發(fā)目的。
5、結(jié)論
(1)基于CAN總線的高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件中的均值發(fā)動機仿真模型具有較快的運算速度，可以反映真實發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)速度，且各硬件設(shè)備之間的通信基于CAN 總線，具有較高的傳輸速率，可達1 Mbit/s，保證了系統(tǒng)仿真的實時性。
(2)軟件通過數(shù)據(jù)采集卡對ECU 噴油控制信號進行了實測，增加了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的真實性。
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