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高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統軟件設計
摘要：介紹了基于CAN 總線(xiàn)的高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統的軟件設計。軟件采用Visual C++和I abVIEw 混合編程的方式，構建了發(fā)動(dòng)機仿真模型和硬件在環(huán)仿真系統用戶(hù)界面，實(shí)現了CAN總線(xiàn)通信和系統運行數據的處理與記錄。在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，本軟件為發(fā)動(dòng)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(gè)良好的平臺。
關(guān)鍵詞：內燃機;高壓共軌;柴油機;ECU;硬件
在環(huán)仿真;CAN總線(xiàn)0 概述為了縮短開(kāi)發(fā)周期、降低研發(fā)費用，硬件在環(huán)仿真在發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)過(guò)程中已有較多的應用，如柴油機高壓共軌ECU 的開(kāi)發(fā)_1]，柴油機高壓共軌供油系統的開(kāi)發(fā)_2]，電控單體泵的開(kāi)發(fā)口 等。目前的相關(guān)文獻較偏重于硬件在環(huán)仿真系統的硬件設計，而對于系統軟件設計的描述較為簡(jiǎn)略。本文主要介紹了高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統的軟件開(kāi)發(fā)設計。
作為高壓共軌柴油機ECU 硬件在環(huán)仿真系統的一部分，系統軟件運行于PC機中，實(shí)現了以下幾項功能：(1)構建靈活友好的人機交互界面(用戶(hù)界面);(2)構建高壓共軌柴油機仿真模型;(3)實(shí)現PC機、柴油機ECU和HIL—ECU(仿真ECU)三者之間的CAN總線(xiàn)通信;(4)操作數據采集卡測量噴油脈寬信號;(5)對系統運行時(shí)的相關(guān)數據進(jìn)行保存。
1、硬件在環(huán)仿真系統架構高壓共軌柴油機ECU 硬件在環(huán)仿真系統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、測試設備組成，連接成為一個(gè)閉環(huán)的開(kāi)發(fā)測試系統。
系統運行時(shí)，控制箱將模擬出發(fā)動(dòng)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(kāi)關(guān)量模擬信號等;ECU也會(huì )產(chǎn)生一些開(kāi)關(guān)量控制信號，來(lái)驅動(dòng)控制箱上相應的繼電器、指示燈及儀表。同時(shí)，ECU 對噴油器電磁閥的驅動(dòng)信號通過(guò)數據采集卡發(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(gè)方面接收來(lái)的信號進(jìn)行發(fā)動(dòng)機模型計算，計算出發(fā)動(dòng)機的模擬轉速并通過(guò)HII ECU控制驅動(dòng)電機，帶動(dòng)曲軸盤(pán)和凸輪盤(pán)轉動(dòng)。進(jìn)一步地，發(fā)動(dòng)機ECU將采集曲軸盤(pán)和凸輪盤(pán)的轉速信號，根據自身控制策略再產(chǎn)生對噴油器電磁閥的驅動(dòng)信號，從而實(shí)現硬件在環(huán)仿真系統的閉環(huán)控制。
2、軟件用戶(hù)界面設計高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統的主程序使用LabVIEw 8.5來(lái)開(kāi)發(fā)。用戶(hù)界面如圖2所示。其中包括軟件操作菜單、分頁(yè)標簽、系統名稱(chēng)、仿真顯示頁(yè)面和軟件運行控制欄5個(gè)部分。
軟件操作菜單用來(lái)選擇文本文件以保存系統運行時(shí)的相關(guān)數據，或是選擇退出系統關(guān)閉軟件;分頁(yè)標簽用來(lái)選擇仿真頁(yè)面1、仿真頁(yè)面2或是數據列表頁(yè)面其中之一作為仿真的主顯示頁(yè)面;仿真頁(yè)面1包括發(fā)動(dòng)機轉速儀表、波形圖表、溫度信號、指示燈、繼電器以及開(kāi)關(guān)信號。仿真頁(yè)面2包括壓力信號、霍爾(轉速)信號、噴油電磁閥驅動(dòng)信號。數據列表頁(yè)面使用多列列表框來(lái)顯示系統運行過(guò)程中的重要數據參數;軟件運行控制欄包括水平搖桿開(kāi)關(guān)、數據文件保存路徑、數據保存按鈕、載入初始參數按鈕、啟動(dòng)/停止程序運行按鈕、系統退出按鈕，用以實(shí)現對軟件運行的控制。
3、軟件程序設計
3.1 軟件程序架構高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統軟件程序采用VC和Labview混合編程的方式來(lái)開(kāi)發(fā)。
柴油機仿真模型在Visual C++ 6.0環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。編寫(xiě)好后的C程序將被封裝為D1 I s(dy—namic link libraries，動(dòng)態(tài)鏈接庫)，供I.abview調用。
系統軟件的主程序在Labview 8.5環(huán)境下采用G語(yǔ)言編寫(xiě)。具體分為4個(gè)模塊：發(fā)動(dòng)機仿真模型模塊;用戶(hù)界面模塊;數據采集卡模塊;CAN通信模塊。
3.2 軟件程序流程發(fā)動(dòng)機硬件在環(huán)仿真系統的一個(gè)仿真循環(huán)不能太長(cháng)，否則無(wú)法真實(shí)反映出發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)響應速度，從而影響系統的實(shí)時(shí)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)仿真系統軟件將采用Labview環(huán)境下的多線(xiàn)程技術(shù)，其主程序中的發(fā)動(dòng)機仿真模型模塊、用戶(hù)界面模塊、數據采集卡模塊和CAN通信模塊將設計成為4個(gè)獨立的while循環(huán)并列執行。通過(guò)在循環(huán)中使用等待函數來(lái)設置各模塊運行的優(yōu)先級，從而保證整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性。
軟件運行流程可分為軟件啟動(dòng)、軟件初始化、啟動(dòng)程序運行、停止程序運行以及軟件退出等部分。
3.3 各模塊程序代碼設計
3.3.1 發(fā)動(dòng)機模型模塊本軟件采用均值發(fā)動(dòng)機模型(mean valueengine mode1)，主要包括渦輪增壓器、發(fā)動(dòng)機以及供油系統3個(gè)子模塊，用以模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機的運轉狀態(tài)。
3.3.2 用戶(hù)界面模塊軟件的用戶(hù)界面模塊程序可進(jìn)行子模塊劃分，包括數據分析處理子模塊、波形圖表顯示子模塊、數據列表顯示子模塊、數據文件保存子模塊、程序停止判定子模塊。
數據分析處理子模塊負責PC機上數據以及相關(guān)信息的分析和處理。波形圖表顯示子模塊將系統運行過(guò)程中的6個(gè)重要數據參數描繪曲線(xiàn)。數據列表顯示子模塊使用多列列表框來(lái)顯示系統運行過(guò)程中的14個(gè)重要數據參數。數據文件保存子模塊負責將系統運行過(guò)程中的相關(guān)數據信息保存在格式為。txt的文本文件中。程序停止判定子模塊在每個(gè)循環(huán)中都將查詢(xún)“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 數據采集卡模塊系統使用ADVANTECH PCF1712數據采集卡對噴油器的噴油脈寬信號進(jìn)行采集。安裝好數據采集卡對LabVIEW 的驅動(dòng)程序后，打開(kāi)LabVIEW，在程序框圖中的函數選板一用戶(hù)庫中，將出現數據采集卡的操作函數。通過(guò)使用DeviceOpen.vi、PM W StartRead.vi、CounterReset.vi、DeviceClose.vi等函數，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)仿真系統軟件通過(guò)USBCAN接口卡來(lái)實(shí)現PC機的CAN總線(xiàn)通信，USBCAN接口卡專(zhuān)門(mén)提供了應用程序接口Vir—tual CAN Interface(VCI)函數庫，庫里的函數從ControlCAN.dll中導出E 7]。
首先在LabVIEw 環(huán)境下通過(guò)使用‘Call LibraryFunction Node依次調用打開(kāi)設備函數VCI～OpenDe—vice、初始化CAN函數VCI—InitCAN和啟動(dòng)CAN 函數VCI—StartCAN，完成對USBCAN設備的初始化。
之后根據高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統的CAN總線(xiàn)通信協(xié)議，循環(huán)調用ControlCAN.dll中的發(fā)送數據函數VCI—Transmit和接收數據函數VCI—Receive，即可實(shí)現CAN總線(xiàn)通信。
4、仿真驗證
對于GI>I高壓共軌柴油機ECU，圖7和圖8分別為軌壓和轉速對油門(mén)動(dòng)態(tài)響應的硬件在環(huán)仿真結果和試驗結果。
在負荷不變的情況下，增加柴油機油門(mén)開(kāi)度，高壓共軌油壓和柴油機轉速也將上升;維持油門(mén)開(kāi)度不變，軌壓和轉速均將保持穩定。對比圖7和圖8可見(jiàn)：軌壓和轉速對油門(mén)動(dòng)態(tài)響應的硬件在環(huán)仿真結果與試驗結果是一致的，驗證了本硬件在環(huán)仿真系統軟硬件的有效性。
圖9為本硬件在環(huán)仿真系統在空載情況下，油門(mén)從0 至50%時(shí)的運行效果。系統在穩態(tài)和過(guò)渡工況下運行良好，達到了硬件在環(huán)仿真系統的開(kāi)發(fā)目的。
5、結論
(1)基于CAN總線(xiàn)的高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真系統軟件中的均值發(fā)動(dòng)機仿真模型具有較快的運算速度，可以反映真實(shí)發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)響應速度，且各硬件設備之間的通信基于CAN 總線(xiàn)，具有較高的傳輸速率，可達1 Mbit/s，保證了系統仿真的實(shí)時(shí)性。
(2)軟件通過(guò)數據采集卡對ECU 噴油控制信號進(jìn)行了實(shí)測，增加了硬件在環(huán)仿真系統的真實(shí)性。
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