一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中的信號匹配方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法及裝置，建立在已有的發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的背景和基礎(chǔ)上，在目標(biāo)機(jī)和發(fā)動機(jī)ECU控制器之間設(shè)置信號匹配電路，分別對低速信號和高速信號進(jìn)行匹配處理；主要解決車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真中目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡與發(fā)動機(jī)ECU控制器之間的信號匹配問題，不僅能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，還能利用硬件完成仿真過程中高速信號的生成和采集，可以有效降低仿真對硬件在環(huán)仿真平臺性能的要求，可利用較低配置的仿真平臺，實(shí)現(xiàn)模型以較短步長進(jìn)行的實(shí)時(shí)仿真。
【專利說明】一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中的信號匹配方法及裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中的信號匹配方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代汽車電子開發(fā)流程往往采用V字型模式，相比傳統(tǒng)的開發(fā)流程具有開發(fā)效率高，省時(shí)、省力、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)點(diǎn)，硬件在環(huán)仿真屬于V字型開發(fā)流程中的一個環(huán)節(jié)。在車用發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中，利用硬件在環(huán)仿真的技術(shù)主要是指利用發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型代替實(shí)物發(fā)動機(jī)作為控制對象，通過數(shù)據(jù)采集卡或者其他類型的接口轉(zhuǎn)換電路將仿真模型的運(yùn)行結(jié)果轉(zhuǎn)換成真實(shí)電信號，與真實(shí)發(fā)動機(jī)ECU控制器連接調(diào)試。
[0003]已知發(fā)動機(jī)的仿真模型有很多種，其中應(yīng)用廣泛且具有代表性的仿真方法有兩種。一種是基于計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)的建模方法如GT-Power、AVLBOOSTre、Fluent、KIVA等商業(yè)軟件，其主要關(guān)注發(fā)動機(jī)工作過程中的流體的流動特性和燃燒狀態(tài)，適用于對發(fā)動機(jī)工作過程的模擬計(jì)算以及性能的預(yù)測和評價(jià)，但是由于其復(fù)雜的求解過程不具有實(shí)時(shí)性，在應(yīng)用中不適用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。另一種是基于平均值模型思想的建模方法，該模型忽略了不同曲軸轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的缸內(nèi)變化，采用數(shù)個發(fā)動機(jī)循環(huán)中變量的平均值來描述發(fā)動機(jī)的動態(tài)過程，通過進(jìn)氣歧管壓力模型、燃油蒸發(fā)與補(bǔ)償模型、動力輸出模型，描述發(fā)動機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的工作狀態(tài)，如dSPACE公司的發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)模型、TESIS公司提供的enDYNA發(fā)動機(jī)模型、SimuQuest公司提供的Enginuity等商業(yè)模型以及國內(nèi)外學(xué)者在Matlab Simulink平臺上搭建的自有模型,但是這些模型的實(shí)時(shí)仿真需要依賴實(shí)時(shí)仿真平臺，是發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中硬件在環(huán)仿真的主要技術(shù)方法。
[0004]發(fā)動機(jī)控制過程中需要依賴各種傳感器的信號，但是發(fā)動機(jī)仿真模型重點(diǎn)關(guān)注的是基于發(fā)動機(jī)工作機(jī)理過程的參數(shù)計(jì)算，相對于傳感器信號的更新過程屬于宏觀表象，其反映了發(fā)動機(jī)多個工作循環(huán)過程中的平均現(xiàn)象。而表征發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的曲軸、凸輪軸傳感器、噴油器驅(qū)動、點(diǎn)火線圈驅(qū)動脈沖信號重點(diǎn)表征一共工作循環(huán)內(nèi)的控制過程，其信號的更新頻率遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)仿真模型所描述的發(fā)動機(jī)參數(shù)更新頻率，因此相對于發(fā)動機(jī)仿真模型可以定義為高速信號，其他類型的傳感器和執(zhí)行器信號數(shù)據(jù)更新頻率可以與發(fā)動機(jī)仿真模型的數(shù)據(jù)頻率一致，定義為低速信號。
[0005]真實(shí)發(fā)動機(jī)ECU控制器需要依賴同步的發(fā)動機(jī)曲軸、凸輪軸傳感器信號實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)曲軸位置以及判缸功能的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并在此基礎(chǔ)上控制噴油和點(diǎn)火時(shí)亥IJ。而發(fā)動機(jī)仿真工具包往往忽略發(fā)動機(jī)的微觀變化情況，與實(shí)際發(fā)動機(jī)運(yùn)行所能測量的傳感器信號之間存在差別:仿真生成的數(shù)據(jù)直接是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，而不是實(shí)際的曲軸、凸輪軸傳感器信號；發(fā)動機(jī)仿真模型的需要的控制參數(shù)點(diǎn)火提前角是數(shù)字量，而實(shí)際系統(tǒng)中該參數(shù)是通過點(diǎn)火驅(qū)動信號相對應(yīng)的曲軸位置和氣缸上止點(diǎn)位置的角度差進(jìn)行表征的；發(fā)動機(jī)仿真模型的需要的控制參數(shù)噴油脈寬是數(shù)字量，而實(shí)際系統(tǒng)中則是由噴油器驅(qū)動信號的導(dǎo)通電平時(shí)間表征，因此發(fā)動機(jī)仿真模型無法直接通過AD、DA轉(zhuǎn)換的方式與ECU控制器接口，各自所需的控制信號在形式上有所差別。同時(shí)，硬件在環(huán)仿真平臺的工作電壓往往在0-5V之間，而實(shí)際車用發(fā)動機(jī)ECU控制器的驅(qū)動信號的工作范圍在0-12V或者0-24V之間，需要實(shí)現(xiàn)傳感器信號的電壓匹配。由上可見，在發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中，需要進(jìn)行信號的匹配處理。
[0006]根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)顯示，已知硬件在環(huán)仿真的信號匹配方法有如下:1)針對曲軸、凸輪軸信號發(fā)生直接利用硬件在環(huán)仿真平臺計(jì)算生成并且通過數(shù)據(jù)采集卡輸出，但是這種方法對實(shí)時(shí)仿真平臺的運(yùn)算速度要求較高，且在轉(zhuǎn)速較高時(shí)會出現(xiàn)采樣率低造成的失真；
2)利用曲軸、凸輪軸信號模擬發(fā)生的方式，包括使用FPGA、CPLD等高速可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的曲軸、凸輪軸信號模擬發(fā)生和利用模擬電路實(shí)現(xiàn)的兩種方法，前者利用專用的數(shù)據(jù)板卡實(shí)時(shí)計(jì)算成本較高且功能單一應(yīng)用不靈活，后者電路結(jié)構(gòu)固定無法模擬不同種類的傳感器；3)對ECU控制器修改數(shù)據(jù)接口，利用通信接口的方式或者簡化傳感器信號使其滿足硬件在環(huán)仿真平臺的數(shù)據(jù)類型，但是這種方法已經(jīng)修改了真實(shí)發(fā)動機(jī)控制ECU的功能，沒有辦法對產(chǎn)品的全部功能進(jìn)行測試，應(yīng)用有局限。
[0007]以上現(xiàn)有的已知發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真用的信號匹配方法尚有缺點(diǎn)。若采用仿真平臺直接處理這些仿真過程中的高速信號，需要實(shí)時(shí)仿真平臺具有更高的運(yùn)算速度，在相同仿真步長和運(yùn)算速率下，發(fā)動機(jī)仿真模型的數(shù)據(jù)更新頻率較低，消耗大量的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算資源用于高速信號的生成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:提供一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法及裝置，在已有的發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的背景和基礎(chǔ)上，解決車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真中目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡與發(fā)動機(jī)ECU控制器之間的信號匹配問題，不僅能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，還能利用硬件完成仿真過程中高速信號的生成和采集，可以有效降低仿真對硬件在環(huán)仿真平臺性能的要求，可利用較低配置的仿真平臺，實(shí)現(xiàn)模型以較短步長進(jìn)行的實(shí)時(shí)仿真。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0010]一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法，利用主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、發(fā)動機(jī)ECU控制器進(jìn)行發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)平臺進(jìn)行仿真測試，其中，主機(jī)上建立有硬件在環(huán)仿真的工作環(huán)境，目標(biāo)機(jī)由實(shí)時(shí)仿真模型平臺配合數(shù)據(jù)采集卡予以實(shí)現(xiàn)，其上設(shè)置有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、傳感器接口模型、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動，通過主機(jī)對發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的配置后編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行；其特征在于:在目標(biāo)機(jī)和發(fā)動機(jī)ECU控制器之間設(shè)置信號匹配電路，分別對低速信號和高速信號進(jìn)行匹配處理；所述信號匹配電路包括高速信號處理電路和低速信號調(diào)理電路，主要涉及對高速信號處理以及低速信號調(diào)理；高速信號處理包括:將發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型輸出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號還原成真實(shí)曲軸、凸輪軸傳感器信號,將發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出的噴油、點(diǎn)火信號轉(zhuǎn)換成噴油脈寬信號和點(diǎn)火提前角信號發(fā)送給發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型作為仿真輸入，利用所述高速信號處理的方法，將高速信號的產(chǎn)生過程從硬件在環(huán)平臺上剝離；低速信號調(diào)理包括:將溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號經(jīng)實(shí)時(shí)仿真模型仿真發(fā)生后與ECU控制器接口之間的信號進(jìn)行調(diào)理，主要包括電壓轉(zhuǎn)換、限流保護(hù)，將工作電壓、電流調(diào)理至目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)動機(jī)ECU控制器的工作范圍之內(nèi)。
[0011]按上述技術(shù)方案，上述信號匹配方法具體包括如下步驟:
[0012]S1:首先根據(jù)所仿真的發(fā)動機(jī)參數(shù)以及其對應(yīng)的傳感器類型，對信號匹配電路中高速信號處理電路中的單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)定和參數(shù)配置；具體包括:根據(jù)發(fā)動機(jī)裝配特性明確曲軸、凸輪軸傳感器信號的相位差，計(jì)算得到曲軸凸輪軸同步相位控制字參數(shù)；根據(jù)曲軸、凸輪軸傳感器類型，修改曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM中的曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)；
[0013]S2:給發(fā)動機(jī)ECU控制器上電，發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出初始化多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號到信號匹配電路；發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出的初始化的多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號經(jīng)過信號匹配電路的電平轉(zhuǎn)換電路將電壓值轉(zhuǎn)換到0-5V的直流電壓區(qū)間，送入信號匹配電路中高速信號處理電路單片機(jī)的輸入捕獲IO接口，通過計(jì)算將多路信號處理成單路信號，隨后通過計(jì)算得到初始化的點(diǎn)火提前角信號和噴油脈寬信號，利用信號匹配電路中高速信號處理電路的DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)輸出，作為仿真用參數(shù)輸送給目標(biāo)機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡供發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；
[0014]S3:然后，啟動主機(jī)和目標(biāo)機(jī)使發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型工作，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型根據(jù)目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡采集得到的仿真用點(diǎn)火提前角信號、噴油脈寬信號開始運(yùn)行，模擬發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，仿真得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和溫度、進(jìn)氣壓力、排氣空燃比參數(shù)信號，并通過傳感器接口模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的傳感器信號值，通過目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出；
[0015]S4:目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出的仿真后的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值信號再次進(jìn)入信號匹配電路中的高速信號處理電路；仿真后的轉(zhuǎn)速信號模擬電壓通過0-5V的直流電壓表征發(fā)動機(jī)O-1OOOOrpm的轉(zhuǎn)速特征，之后，通過信號匹配電路中的高速信號處理電路的AD采集端口采集后，計(jì)算得到頻率控制字，結(jié)合SI中預(yù)設(shè)的曲軸凸輪軸同步相位控制字參數(shù)和曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)，單片機(jī)內(nèi)部的DDS累加器開始工作，得到同步后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號，再通過高速信號處理電路中的DA轉(zhuǎn)換器輸出該仿真后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號；并且可以根據(jù)所選擇的傳感器特性，自動控制輸出電路選擇開關(guān)，選擇交流或者直流工作方式供發(fā)動機(jī)ECU控制器采集；
[0016]S5:目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出的仿真后的的溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號送入低速信號調(diào)理電路；之后，通過低速信號調(diào)理電路中的電阻網(wǎng)路電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路處理以后，送入發(fā)動機(jī)ECU控制器，實(shí)現(xiàn)信號的電平轉(zhuǎn)換和電路接口保護(hù)；
[0017]S6:發(fā)動機(jī)E⑶控制器通過米集仿真后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號、以及仿真后的溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號，根據(jù)發(fā)動機(jī)ECU控制器內(nèi)置的控制內(nèi)核模塊，調(diào)整多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號和多路噴油器驅(qū)動信號；
[0018]S7:重復(fù)上述步驟S2，得到供發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的仿真用點(diǎn)火提前角信號和噴油脈寬信號；由于發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型此時(shí)已經(jīng)初始化運(yùn)行成功，此時(shí)點(diǎn)火提前角的計(jì)算，需要結(jié)合曲軸傳感器波形ROM輸出的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的點(diǎn)火提前角，而不再是初始化參數(shù)。
[0019]按上述技術(shù)方案，在單片機(jī)MCU中，實(shí)現(xiàn)基于DDS原理的曲軸、凸輪軸信號發(fā)生，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號還原成真實(shí)曲軸、凸輪軸傳感器信號。[0020]按上述技術(shù)方案，所述步驟SI中:可選擇的曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)包括:按傳感器原理分為的霍爾式、磁電式、磁阻式、光電式曲軸信號傳感器，按發(fā)動機(jī)飛輪磁盤分為60-2齒和36-2齒曲軸信號；凸輪軸信號傳感器按照凸輪齒數(shù)分為2齒和6+1齒凸輪軸信號，對于剩余類型的傳感器通過手動模式完成波形ROM參數(shù)設(shè)定。
[0021]一種采用上述方法的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配裝置，應(yīng)用于包括主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、發(fā)動機(jī)ECU控制器的硬件在環(huán)平臺；其中，主機(jī)上建立有硬件在環(huán)仿真的工作環(huán)境，目標(biāo)機(jī)由實(shí)時(shí)仿真模型配合數(shù)據(jù)采集卡予以實(shí)現(xiàn)，其上設(shè)置有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、傳感器接口模型、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動，通過主機(jī)在主機(jī)對發(fā)動機(jī)仿真模型的配置后編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行；其特征在于:在目標(biāo)機(jī)和發(fā)動機(jī)ECU控制器之間設(shè)置信號匹配電路，分別對低速信號和高速信號進(jìn)行匹配處理；所述信號匹配電路包括高速信號處理電路和低速信號調(diào)理電路；所述高速信號處理電路主要由集成了 CPU、RAM、ROM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和多種I / 0接口的單片機(jī)MCU電路構(gòu)成；所述低速信號調(diào)理電路中包括電阻網(wǎng)路電平轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路，主要包括電壓轉(zhuǎn)換、限流保護(hù)，用以將工作電壓、電流調(diào)理至目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)動機(jī)ECU控制器的工作范圍之內(nèi)。
[0022]按上述技術(shù)方案，高速信號處理電路中還包括:
[0023]電平轉(zhuǎn)換電路，將驅(qū)動電壓高于單片機(jī)的工作范圍的信號調(diào)理到單片機(jī)工作電壓范圍以內(nèi)；
[0024]AD / DA轉(zhuǎn)換器，將模擬信號和頻率控制字的數(shù)字信號進(jìn)行互轉(zhuǎn)；
[0025]交直流切換電路，通過交直流切換電路可以根據(jù)不同的波形ROM特點(diǎn)，設(shè)置輸出直流、交流信號。
[0026]按上述技術(shù)方案，所涉及的AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器為單片機(jī)內(nèi)部的AD、DA轉(zhuǎn)換模塊，或者是片外獨(dú)立AD、DA轉(zhuǎn)換器電路。
[0027]相比與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明的信號調(diào)理方法一次性完成了所有接口信號的調(diào)理；采用外置硬件裝置實(shí)現(xiàn)了高速信號的發(fā)生、采集與轉(zhuǎn)換，降低了發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真對仿真平臺性能的要求，在同等設(shè)備性能的情況下可以大大提高發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真的精度；信號匹配采用單片機(jī)，降低了成本，編程簡單使用靈活。本發(fā)明方法可針對不同類型的發(fā)動機(jī)及配置的不同類型的傳感器進(jìn)行配置仿真，同時(shí)《仿真平臺和ECU控制器采用模擬信號方式連接，具有良好的普遍適用性和通用性。
[0028]具體有益效果為:
[0029]由于車用發(fā)動機(jī)仿真模型中所需的輸入?yún)?shù)為點(diǎn)火提前角、噴油脈寬信號，皆為具有物理意義的數(shù)字量，輸出的發(fā)動機(jī)參數(shù)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等具有物理意義的數(shù)字量；而真實(shí)發(fā)動機(jī)ECU控制器中表征這些參數(shù)的信號依次為點(diǎn)火線圈驅(qū)動脈沖信號、噴油器驅(qū)動脈沖信號、曲軸與凸輪軸傳感器波形信號、溫度傳感器電壓、壓力傳感器電壓等真實(shí)模擬信號，信號在形式上存在差別，往往無法直接對接?，F(xiàn)有的解決辦法所述的方法或多或少部有前述的缺點(diǎn)。本發(fā)明的信號調(diào)理方法一次性完成了所有接口信號的調(diào)理。
[0030]曲軸、凸輪軸傳感器、噴油器驅(qū)動、點(diǎn)火線圈驅(qū)動脈沖信號數(shù)據(jù)的更新頻率遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)仿真模型所描述的發(fā)動機(jī)參數(shù)更新頻率，若采用實(shí)時(shí)仿真平臺直接計(jì)算與處理這些高速信號，需要實(shí)時(shí)仿真平臺具有更高的運(yùn)算速度，同時(shí)消耗大量的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算資源，在相同仿真步長和運(yùn)算速率下，發(fā)動機(jī)仿真模型的數(shù)據(jù)更新頻率較低，無法最大程度的將實(shí)時(shí)仿真平臺的運(yùn)算能力全部用于發(fā)動機(jī)機(jī)理過程的仿真。本發(fā)明方法針對發(fā)動機(jī)仿真模型和真實(shí)發(fā)動機(jī)ECU控制器的信號特點(diǎn)，利用外置硬件裝置實(shí)現(xiàn)了高速信號的發(fā)生、采集與轉(zhuǎn)換，可以降低發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真對仿真平臺性能的要求，通過將高速信號的計(jì)算與處理從實(shí)時(shí)仿真平臺剝離，將仿真平臺的運(yùn)算能力與運(yùn)算時(shí)間最大限度的用于發(fā)動機(jī)工作機(jī)理的處理，在同等設(shè)備性能的情況下可以大大提高發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真的精度。
[0031]該信號匹配方法的實(shí)現(xiàn)核心器件為單片機(jī)，配合不同的軟件算法完成，相比已有的文獻(xiàn)采用FPGA、CPLD等高速可編程邏輯器件為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)板卡實(shí)現(xiàn)，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，具有編程簡單使用靈活的特點(diǎn)。
[0032]該方法可以適配不同類型的發(fā)動機(jī)，及其上配置的不同種類的傳感器、不同數(shù)量的點(diǎn)火線圈、噴油器，針對不同類型參數(shù)的發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真具有良好的普遍適用性。
[0033]該方法及裝置與實(shí)時(shí)仿真平臺和發(fā)動機(jī)ECU控制器的連接采用模擬信號的方式，因此可以適用于不同類型的發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺，也可以適用于不同的發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型，局限性小，具有通用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的信號匹配裝置在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中的硬件連接結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖2為硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)及本發(fā)明的信號匹配裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖3為本發(fā)明的信號匹配方法流程示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明根據(jù)軟硬件布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行的參數(shù)匹配示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖1-4對本發(fā)明【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039]如圖1-4本發(fā)明的實(shí)施需要建立在已有的發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真平臺上，即已經(jīng)構(gòu)建了發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型并且可以在實(shí)時(shí)仿真平臺上運(yùn)行；發(fā)動機(jī)控制ECU具備基本的控制邏輯，其硬件接口滿足實(shí)際發(fā)動機(jī)對象配置的各類傳感器。通過硬件在環(huán)仿真平臺的發(fā)動機(jī)仿真模型代替真實(shí)發(fā)動機(jī)運(yùn)行，用于發(fā)動機(jī)ECU控制器開發(fā)過程中的實(shí)驗(yàn)步驟。發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型輸出的具有物理意義的信號，通過傳感器接口模型可以轉(zhuǎn)換成符合傳感器特性的模擬電信號物理量，并通過數(shù)據(jù)采集卡輸出。
[0040]該信號匹配方法中所述的高速信號處理方法中，曲軸、凸輪軸信號的發(fā)生采用DDS的原理實(shí)現(xiàn)，利用低成本單片機(jī)MCU實(shí)現(xiàn)。發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型輸出的信號只有轉(zhuǎn)速信號，通過數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成0-5V之間的模擬電壓，該信號通過AD采集電路轉(zhuǎn)化成頻率控制字，控制DDS信號發(fā)生器輸出的信號頻率；同時(shí)由于不同類型的發(fā)動機(jī)其曲軸、凸輪軸信號的同步相位差不同，可以根據(jù)實(shí)際仿真對象的特點(diǎn)調(diào)整曲軸、凸輪軸同步相位控制字實(shí)現(xiàn)兩路傳感器信號的硬件同步；曲軸、凸輪軸信號波形數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的波形ROM中，通過修改ROM波形數(shù)據(jù)，可以適配不同發(fā)動機(jī)上所有不同類型的傳感器，按傳感器原理分為霍爾式、磁電式、磁阻式、光電式曲軸信號傳感器，按發(fā)動機(jī)飛輪磁盤分為60-2齒、36-2等類型曲軸信號；凸輪軸信號傳感器按照凸輪齒數(shù)分為2齒、6+1齒等；經(jīng)計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過DA轉(zhuǎn)換電路輸出，由于前述磁電式、磁阻式傳感器工作在交流狀態(tài)，其他類型的傳感器工作在直流狀態(tài)，通過交直流切換電路可以根據(jù)不同的波形ROM特點(diǎn)，設(shè)置輸出直流、交流信號。
[0041]該信號匹配方法中所述的高速信號處理方法中，噴油脈寬、點(diǎn)火信號的采集采用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。不同類型的發(fā)動機(jī)其匹配的發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出的點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號和噴油器驅(qū)動信號數(shù)量不一樣，其驅(qū)動電壓高于單片機(jī)的工作范圍，通過電平轉(zhuǎn)換電路調(diào)理到單片機(jī)工作電壓范圍以內(nèi)，連接單片機(jī)輸入捕獲IO端口 ；通過軟件計(jì)算將多路信號處理成單路信號；結(jié)合曲軸信號傳感器進(jìn)行計(jì)算得到點(diǎn)火提前角，通過對噴油器驅(qū)動信號的計(jì)時(shí)得到噴油脈寬；然后通過DA轉(zhuǎn)換器電路將信號輸出至發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真平臺的數(shù)據(jù)采集卡接口。
[0042]該信號匹配方法中所述的高速信號處理方法中所涉及的AD、DA轉(zhuǎn)換器可以采用單片機(jī)內(nèi)部的AD、DA轉(zhuǎn)換器，也可是片外獨(dú)立AD、DA轉(zhuǎn)換器電路。
[0043]該信號匹配方法中所述的高速信號處理方法在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，包括不同廠家不同型號的可編程微處理器。
[0044]該信號匹配方法中所述的低速信號調(diào)理方法中，主要利用電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器等其他發(fā)動機(jī)控制必須的傳感器信號的匹配，將工作電壓、電流調(diào)理至發(fā)動機(jī)仿真平臺數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)動機(jī)控制ECU的工作范圍之內(nèi)。
[0045]如圖1_2、4所示，完成實(shí)時(shí)仿真平臺、信號匹配電路、發(fā)動機(jī)控制ECU之間的電氣物理連接。
[0046]以下，結(jié)合附圖3-4對本發(fā)明信號匹配的方法和過程進(jìn)一步闡述。
[0047]首先，根據(jù)所仿真的發(fā)動機(jī)參數(shù)及其相應(yīng)的傳感器類型來配置高速信號匹配電路中的單片機(jī)程序:
[0048]根據(jù)發(fā)動機(jī)裝配特性確定曲軸、凸輪軸傳感器信號的相位差，計(jì)算得到曲軸凸輪軸同步相位控制字參數(shù)；根據(jù)曲軸、凸輪軸傳感器類型，修改相應(yīng)的波形ROM中的數(shù)據(jù)?？蛇x擇的波形ROM參數(shù)包括:按傳感器原理分為的霍爾式、磁電式、磁阻式、光電式曲軸信號傳感器，按發(fā)動機(jī)飛輪磁盤分為的60-2齒、36-2等類型曲軸信號；凸輪軸信號傳感器按照凸輪齒數(shù)分為2齒、6+1齒等，對于其他類型的傳感器可以通過手動編程的形式完成波形ROM數(shù)據(jù)的設(shè)定。
[0049]完成上述的軟件初始化設(shè)定后，系統(tǒng)可以連通進(jìn)行工作，其工作過程如圖3-4所示。步驟如下:
[0050](I)首先，給發(fā)動機(jī)控制ECU上電，ECU輸出初始化多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號。多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號經(jīng)過信號匹配電路的電平轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換到0-5V的直流電壓區(qū)間，再輸入到高速信號匹配電路中單片機(jī)的IO 口，通過軟件計(jì)算將多路信號處理成單路信號，計(jì)算得到初始化的點(diǎn)火提前角、噴油脈寬，利用高速信號匹配電路的DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)輸出，作為發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真的初始化控制輸入?yún)?shù)。
[0051](2)然后，利用主機(jī)上的開發(fā)環(huán)境啟動目標(biāo)機(jī)內(nèi)的發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型開始工作。根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡采集得到的仿真用點(diǎn)火提前角、噴油脈寬信號發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型開始運(yùn)行，模擬發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，仿真得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和溫度、進(jìn)氣壓力、排氣空燃比等其他參數(shù)信號并通過傳感器模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的傳感器信號，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出。
[0052](3)發(fā)動機(jī)仿真模型輸出0-5V轉(zhuǎn)速模擬信號,該信號通過直流電壓表來表征發(fā)動機(jī)O-1OOOOrpm的轉(zhuǎn)速特征，高速信號匹配電路中AD采集端采集到轉(zhuǎn)速信號后，結(jié)合前述的預(yù)設(shè)的曲軸凸輪軸同步相位控制字和曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM，單片機(jī)內(nèi)部的DDS累加器工作，得到同步后的曲軸、凸輪軸傳感器信號，然后通過高速信號處理電路中的DA轉(zhuǎn)換器輸出，并且可以根據(jù)所選擇的傳感器特性，自動控制輸出電路選擇開關(guān)，選擇交流或者直流工作方式供發(fā)動機(jī)ECU控制器采集。
[0053](4)發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型通過實(shí)時(shí)仿真平臺數(shù)據(jù)采集卡輸出溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器等其他發(fā)動機(jī)控制必須的傳感器信號，輸入到低速信號調(diào)理電路，然后通過電阻網(wǎng)路電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路處理以后，最后輸入到發(fā)動機(jī)ECU控制器，實(shí)現(xiàn)信號的電平轉(zhuǎn)換和電路接口保護(hù)。
[0054](5)發(fā)動機(jī)ECU控制器，根據(jù)采集曲軸、凸輪軸傳感器信號、其他各類傳感器信號以及內(nèi)置的控制程序，調(diào)整多路點(diǎn)火線圈、噴油器驅(qū)動信號。
[0055](6)重復(fù)上述步驟(I)，得到仿真用點(diǎn)火提前角、噴油脈寬信號。由于發(fā)動機(jī)仿真模型此時(shí)已經(jīng)初始化運(yùn)行成功，此時(shí)計(jì)算點(diǎn)火提前角需要結(jié)合曲軸傳感器波形ROM輸出的數(shù)據(jù)，而不再是初始化參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法，利用主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、發(fā)動機(jī)ECU控制器進(jìn)行發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)平臺進(jìn)行仿真測試，其中，主機(jī)上建立有硬件在環(huán)仿真的工作環(huán)境，目標(biāo)機(jī)由實(shí)時(shí)仿真模型平臺配合數(shù)據(jù)采集卡予以實(shí)現(xiàn)，其上設(shè)置有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、傳感器接口模型、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動，通過主機(jī)對發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的配置后編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行；其特征在于:在目標(biāo)機(jī)和發(fā)動機(jī)ECU控制器之間設(shè)置信號匹配電路，分別對低速信號和高速信號進(jìn)行匹配處理；所述信號匹配電路包括高速信號處理電路和低速信號調(diào)理電路，主要涉及對高速信號處理以及低速信號調(diào)理；高速信號處理包括:將發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型輸出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號還原成真實(shí)曲軸、凸輪軸傳感器信號，將發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出的噴油、點(diǎn)火信號轉(zhuǎn)換成噴油脈寬信號和點(diǎn)火提前角信號發(fā)送給發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型作為仿真輸入，利用所述高速信號處理的方法，將高速信號的產(chǎn)生過程從硬件在環(huán)平臺上剝離；低速信號調(diào)理包括:將溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號經(jīng)實(shí)時(shí)仿真模型仿真發(fā)生后與ECU控制器接口之間的信號進(jìn)行調(diào)理，主要包括電壓轉(zhuǎn)換、限流保護(hù)，將工作電壓、電流調(diào)理至目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)動機(jī)ECU控制器的工作范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 51:首先根據(jù)所仿真的發(fā)動機(jī)參數(shù)以及其對應(yīng)的傳感器類型，對信號匹配電路中高速信號處理電路中的單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)定和參數(shù)配置；具體包括:根據(jù)發(fā)動機(jī)裝配特性明確曲軸、凸輪軸傳感器信號的相位差，計(jì)算得到曲軸凸輪軸同步相位控制字參數(shù)；根據(jù)曲軸、凸輪軸傳感器類型，修改曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM中的曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)； 52:給發(fā)動機(jī)ECU控制器上電， 發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出初始化多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號到信號匹配電路；發(fā)動機(jī)ECU控制器輸出的初始化的多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號、多路噴油器驅(qū)動信號經(jīng)過信號匹配電路的電平轉(zhuǎn)換電路將電壓值轉(zhuǎn)換到0-5V的直流電壓區(qū)間，送入信號匹配電路中高速信號處理電路單片機(jī)的輸入捕獲IO接口，通過計(jì)算將多路信號處理成單路信號，隨后通過計(jì)算得到初始化的點(diǎn)火提前角信號和噴油脈寬信號，利用信號匹配電路中高速信號處理電路的DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)輸出，作為仿真用參數(shù)輸送給目標(biāo)機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡供發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真； 53:然后，啟動主機(jī)和目標(biāo)機(jī)使發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型工作，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型根據(jù)目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡采集得到的仿真用點(diǎn)火提前角信號、噴油脈寬信號開始運(yùn)行，模擬發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，仿真得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和溫度、進(jìn)氣壓力、排氣空燃比參數(shù)信號，并通過傳感器接口模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的傳感器信號值，通過目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出； 54:目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出的仿真后的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值信號再次進(jìn)入信號匹配電路中的高速信號處理電路；仿真后的轉(zhuǎn)速信號模擬電壓通過0-5V的直流電壓表征發(fā)動機(jī)O-1OOOOrpm的轉(zhuǎn)速特征，之后，通過信號匹配電路中的高速信號處理電路的AD采集端口采集后，計(jì)算得到頻率控制字，結(jié)合Si中預(yù)設(shè)的曲軸凸輪軸同步相位控制字參數(shù)和曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)，單片機(jī)內(nèi)部的DDS累加器開始工作，得到同步后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號，再通過高速信號處理電路中的DA轉(zhuǎn)換器輸出該仿真后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號；并且可以根據(jù)所選擇的傳感器特性，自動控制輸出電路選擇開關(guān)，選擇交流或者直流工作方式供發(fā)動機(jī)ECU控制器采集；S5:目標(biāo)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡輸出的仿真后的的溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號送入低速信號調(diào)理電路；之后，通過低速信號調(diào)理電路中的電阻網(wǎng)路電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路處理以后，送入發(fā)動機(jī)ECU控制器，實(shí)現(xiàn)信號的電平轉(zhuǎn)換和電路接口保護(hù)； S6:發(fā)動機(jī)ECU控制器通過采集仿真后的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號、以及仿真后的溫度、進(jìn)氣壓力、氧傳感器信號，根據(jù)發(fā)動機(jī)ECU控制器內(nèi)置的控制內(nèi)核模塊，調(diào)整多路點(diǎn)火線圈驅(qū)動信號和多路噴油器驅(qū)動信號； S7:重復(fù)上述步驟S2，得到供發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的仿真用點(diǎn)火提前角信號和噴油脈寬信號；由于發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型此時(shí)已經(jīng)初始化運(yùn)行成功，此時(shí)點(diǎn)火提前角的計(jì)算，需要結(jié)合曲軸傳感器波形ROM輸出的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的點(diǎn)火提前角，而不再是初始化參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法，其特征在于:在單片機(jī)MCU中，實(shí)現(xiàn)基于DDS原理的曲軸、凸輪軸信號發(fā)生，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號還原成真實(shí)曲軸、凸輪軸傳感器信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配方法，其特征在于:所述步驟SI中:可選擇的曲軸、凸輪軸傳感器波形ROM參數(shù)包括:按傳感器原理分為的霍爾式、磁電式、磁阻式、光電式曲軸信號傳感器，按發(fā)動機(jī)飛輪磁盤分為60-2齒和36-2齒曲軸信號；凸輪軸信號傳感器按照凸輪齒數(shù)分為2齒和6+1齒凸輪軸信號,對于剩余類型的傳感器通過手動模式完成波形ROM參數(shù)設(shè)定。
5.一種采用上述權(quán)利要求1-4之一所述方法的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配裝置，應(yīng)用于包括主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、發(fā)動機(jī)E⑶控制器的硬件在環(huán)平臺；其中，主機(jī)上建立有硬件在環(huán)仿真的工作環(huán)境，目標(biāo)機(jī)由實(shí)時(shí)仿真模型配合數(shù)據(jù)采集卡予以實(shí)現(xiàn)，其上設(shè)置有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、傳感器接口模型、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動，通過主機(jī)在主機(jī)對發(fā)動機(jī)仿真模型的配置后編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行；其特征在于:在目標(biāo)機(jī)和發(fā)動機(jī)ECU控制器之間設(shè)置信號匹配電路，分別對低速信號和高速信號進(jìn)行匹配處理；所述信號匹配電路包括高速信號處理電路和低速信號調(diào)理電路；所述高速信號處理電路主要由集成了 CPU、RAM、R0M、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和多種I / 0接口的單片機(jī)MCU電路構(gòu)成；所述低速信號調(diào)理電路中包括電阻網(wǎng)路電平轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路，主要包括電壓轉(zhuǎn)換、限流保護(hù)，用以將工作電壓、電流調(diào)理至目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)動機(jī)ECU控制器的工作范圍之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配裝置，其特征在于:高速信號處理電路中還包括: 電平轉(zhuǎn)換電路，將驅(qū)動電壓高于單片機(jī)的工作范圍的信號調(diào)理到單片機(jī)工作電壓范圍以內(nèi)； AD / DA轉(zhuǎn)換器，將模擬信號和頻率控制字的數(shù)字信號進(jìn)行互轉(zhuǎn)； 交直流切換電路，通過交直流切換電路可以根據(jù)不同的波形ROM特點(diǎn)，設(shè)置輸出直流、交流信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的車用發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)仿真過程中使用的信號匹配裝置，其特征在于:所涉及的AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器為單片機(jī)內(nèi)部的AD、DA轉(zhuǎn)換模塊，或者是片外獨(dú)立AD、DA轉(zhuǎn)換器電路。
【文檔編號】G05B19/042GK103699035SQ201310685575
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】曾春年, 孟磊, 李向華, 羅文 , 魏曉旭 申請人:武漢理工大學(xué)