基于Matlab CAN通信的汽車轉向模擬器實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

陳小兵，趙慧勇，鄧召文（汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室,湖北汽車工業(yè)學院，湖北 十堰 442002）

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基于Matlab CAN通信的汽車轉向模擬器實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

陳小兵，趙慧勇，鄧召文
（汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室,湖北汽車工業(yè)學院，湖北 十堰 442002）

摘要：汽車轉向模擬器是實現人-車硬件/軟件在環(huán)仿真試驗的關鍵裝置。文章基于Matlab 圖形化用戶界面（GUI）設計了轉向模擬器監(jiān)控系統(tǒng)，利用Matlab的車載網絡工具箱，通過CAN通信協(xié)議實現轉向模擬器與PC機之間的實時通訊。系統(tǒng)界面簡單，操縱方便，通過參數配置實現轉向模擬器不同的工作模式。實驗結果表明，系統(tǒng)運行快速穩(wěn)定，以100Hz的頻率收發(fā)報文和10Hz的頻率更新界面顯示，能夠精準的控制轉向模擬器在不同的工作模式下運行。

關鍵詞：Matlab GUI；CAN通信；實時監(jiān)控；轉向模擬器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.61Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-110-04

引言

汽車轉向模擬器由方向盤、路感電機、電控單元以及相關傳感器組成，是一種實現車輛轉向動作，并準確的模擬出實際轉向力感的裝置。在汽車產品開發(fā)設計試驗證階段，將轉向模擬器接入ETAS、dSPCAE、RT-Lab、Ni等半實物仿真平臺，實現駕駛員與虛擬實時車輛模型交互，進行測試分析評價整車性能。由于種基于“人-車”閉環(huán)半實物仿真測試手段大大降低了成本，提高了系統(tǒng)的研制質量，因而在越來越多的汽車企業(yè)和高校得到應用。

轉向模擬器有多種工作模式與運行狀態(tài)，在進行半實物仿真測試過程中，需要通過計算機進行實時監(jiān)控。目前，計算機與下位機之間大多采用傳統(tǒng)的RS-232[1,2]和RS-485[3~5]串口通信技術。這些通信技術已非常成熟，但存在傳輸效率低、距離短、網絡調試困難。且沒有容錯機制，容易出現數據覆蓋或丟失等問題，不適應于大數據傳輸。CAN總線與串口通信相比，具有連線簡單、實時性強、可靠性高且可以網絡調試的優(yōu)點[6,7]，已成為汽車電控系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制的標準總線。

Matlab軟件有強大的數據處理和信號處理功能，與VB、Dephi、PLC以及C++相比，MATLAB GUI提供了一種低成本的人機交互和高效率的在線數據處理方式[8]，是開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的最佳選擇。Matlab軟件的車載網絡工具箱(Vehicle Network Toolbox)提供了CAN通信模塊，支持Vector，Kvaser以及Ni公司的多種CAN硬件接口設備。

目前，雖然Matlab在動力學系統(tǒng)仿真與靜態(tài)數據處理方面的應用研究已非常成熟，但在汽車行業(yè)中，利用Matlab CAN通信開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的研究尚比較少見。鑒于以上情況，本文基于MATLAB/GUI CAN總線通信開發(fā)設計轉向模擬器監(jiān)控系統(tǒng)，并進行了測試，結果滿足轉向模擬器工作可靠、穩(wěn)定的要求。

1、系統(tǒng)總體方案設計

汽車轉向模擬器監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。系統(tǒng)利用Vector公司的USABCAN卡實現PC機與轉向模擬器之間的實時通信，并通過GUI界面實現對轉向模擬器的實時監(jiān)控、圖像顯示與數據處理。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)的下位機是轉向模擬器控制單元，負責控制路感電機產生轉向反饋力矩。ECU解析上位機發(fā)送的CAN報文，根據報文信息設置轉向模式、運行狀態(tài)以及方向盤的最大轉角等相關參數，同時實時采集轉向模擬器的工作狀態(tài)、轉向盤實際的轉矩、轉角以及轉速，并回傳給上位機。

系統(tǒng)的上位機部分根據實際試驗需求監(jiān)控轉向模擬器控制，并進行數據處理。通過利用Matlab內置的CAN通信類以及相關函數實現與轉向模擬器之間的通信，并利用GUI界面操作實現下位機控制參數的設置。系統(tǒng)對返回的數據進行實時處理并在界面中顯示。便于后期的數據處理分析，監(jiān)控系統(tǒng)還具有文件存儲功能。

此外，該系統(tǒng)可以用于線控轉向路感模擬算法研究。其它電控單元接入CAN總線中，并向轉向模擬器發(fā)送計算期望轉矩的相關參數，監(jiān)控系統(tǒng)只監(jiān)控轉向模式與運行狀態(tài)，轉向模擬器采集并發(fā)送實際的轉向力矩、轉角以及角速度等信號。

2、CAN通信實現

Matlab軟件通過調用車載網絡工具箱的CAN類和相關函數創(chuàng)建CAN接口設備對象，得到設備的文件句柄并配置CAN通道的波特率，從而實現以報文為單位進行信息傳送。

利用Matlab軟件實現CAN通信的流程如圖2所示。在創(chuàng)建CAN通道前，需利用canHWInfo函數檢測CAN接口信息，確保創(chuàng)建的CAN通道與硬件接口相匹配。

圖2　CAN通信流程

為了實現CAN通信操作，建立的函數如下：

(1)創(chuàng)建CAN通道與設置通道屬性

canch=canChannel('vendor', 'device', devicechannelindex) ％創(chuàng)建通道

configBusSpeed(canch, 250000)％設置波特率。

(2)開啟與關閉CAN通道

Start (canch)％啟動通道。

Stop (canch)％關閉通道。

(3)載入CAN通信協(xié)議文件

為了便于發(fā)送報文的封裝與接受報文的解析，可以先將定好好的CAN通信報文協(xié)議存儲為擴展為dbc的文件中，通過canDatabase函數載入。

channel.Database=canDatabase ('C:Database.dbc') ％加載C盤內的dbc文件。

(4)發(fā)送報文

發(fā)送報文可以通過利用載入的dbc文件進行封裝，也可以直接自定義報文。

發(fā)送自定義報文的過程：

msgout=canMessage(500, false, 8)％自定義發(fā)送報文id號為500，擴展幀，數據長度8字節(jié)

pack(msgout, 25, 0, 16, 'LittleEndian')％封裝自定義報文msgout信號，信號在數據幀占第1/2兩個字節(jié)，信號值為25，且低端為終端。

transmit(canch, msgout)％發(fā)送報文。

發(fā)送dbc文件定義報文的過程：

msgout=canMessage(database, messagename) ％利用dbc文件定義發(fā)送報文。

msgout.Signals.SignalName=25；％設置報文msgout中信號SignalName的信號值為25

transmit(canch, msgout)％發(fā)送報文。

(5)接受報文

接收報文可以利用dbc文件進行解析，也可以自定義解析。

解析dbc文件定義報文的過程：

message=receive(canch,5)％接收5個報文

[msgOut, remainder]=extractAll(message, 'msg1')％提取報文msg1

value=msgOut.Signals.SignalName％獲取msg1報文的信號值。

解析自定義報文的過程。

message=receive(canch,5)％接收5個報文

[msgOut, remainder]=extractAll(message, 3000, true)％提取id為3000的報文

value=unpack(msgOut, 0, 16, 'LittlegEndian', 'int16') ％按位解析信號值，信號數據幀的占0~15位，16位整型。

利用matlab中的定時器對象可以實現定周期的重復(5) 和(6)操作進行定時發(fā)送與接收，也可以通過判斷函數進行觸發(fā)發(fā)送與接收。

3、MATLAB GUI設計

轉向模擬器有3種獨立的工作模式（正常模式、基本模式和參考模式）和4種工作狀態(tài)（運行狀態(tài)、等待狀態(tài)、停止狀態(tài)、錯誤狀態(tài)）。每種工作模式都需設置相關的參數，此外還需設置方向盤最大轉角和最大反饋力矩等。因此，監(jiān)控系統(tǒng)需定義4個發(fā)送報文：報文1用于控制工作模式、工作狀態(tài)、方向盤最大轉角與最大反饋力矩等基本參數,其余3個報文用于設置3種不同工作模式下的相關參數。此外，還需定義4個接收報監(jiān)視轉向模擬器的運行。

根據以上要求，本文設計的 GUI監(jiān)控程序運行分三個階段：啟動程序、界面操作、關閉程序，具體流程如圖3所示。

啟動程序，首先初始化GUI界面的操作空間與顯示控件，檢測CAN硬件接口并初始化CAN通信通道。為了提高通信效率，設置波特率為1mkbps。完成之后，初始化定時器對象，用于定時發(fā)送/接收報文和實時更新界面中的數據顯示。為了提高監(jiān)控的可靠性，設計報文收發(fā)周期為10ms，界面更新周期為100ms。

圖3　GUI監(jiān)控程序運行流程圖

GUI程序啟動完成之后，啟動CAN通道和定時器，定時器自動定時發(fā)送/接收報文。由圖3可知，程序中有4個發(fā)送報文和4個接收報文。從上到下，第一個報文用于控制工作模式、工作狀態(tài)以及基本參數，該報文與其它任何一個報文進行組合。GUI程序默認控制轉向模擬器為參考模式、停止狀態(tài)。用戶通過界面操作選擇模式與工作狀態(tài)，GUI程序根據用于操作確定發(fā)送與接收報文。例如用戶選擇正常模式時，GUI程序自動發(fā)送報文1和3。

當關閉GUI程序時，依次關閉、刪除定時器與CAN通道，完成之后退出GUI程序。

系統(tǒng)GUI設計方便用戶操作應、布局合理且清楚直觀[9]。轉向模擬裝置監(jiān)控界面設計如圖4所示。該界面由5個模塊組成：

(1)控制狀態(tài)設置模塊：用戶在非參考模式下用于控制轉向模擬器的運行狀態(tài)。

(2)參數設置模塊：用戶可以選擇不同的運行模式、設置方向盤最大轉角。此外，用戶可以通過滾動條控件調節(jié)力矩T、摩擦力矩F、阻尼系數D以及剛度K。該四個參數用于計算期望轉向反饋力矩。

在正常模式下期望的反饋力矩為：

在基本模式下，期望的反饋力矩為：

在參考模式下，通過設置偏移量調整轉向盤的零位置。

(3)輔助功能模塊：用戶可以通過兩個復選框控件分別用于設置CAN總線看門狗是否工作和當方向盤轉角超過預定的最大轉角時電機是否產生振動；在參考模式下，可以對方向盤初始角位置進行修正。

(4)方向盤模塊：為了便于用戶監(jiān)視方向盤轉角，利用動畫形象實時更新顯示方向盤的位置；同時數值顯示方向盤的轉角、角速度以及實際反饋力矩。

(5)狀態(tài)顯示模塊，利用多個指示燈控件組合，實時顯示當前電機的工作狀態(tài)信息。便于用戶直觀地了解轉向模擬器的運行狀態(tài)。

圖4　GUI界面

4、實驗測試

為了測試GUI界面的監(jiān)控能力，分別在GUI中選擇不同的模式，設置不同的控制參數進行測試。通過轉動方向盤，觀察GUI界面中方向盤動畫顯示、運行狀態(tài)顯示以及方向盤轉角、轉矩與角速度的數值變化情況。其調試過程如圖5所示。

圖5　調試過程

圖6　GUI測試顯示

為了方便觀察與分析，進行了向左右慢打方向至最大轉角后撒手試驗，GUI界面的參數設置如圖6所示。從圖中可以看出是正常模式，方向盤最大轉角為450deg，力矩T為0Nm，摩擦力矩F為0.004Nm,阻尼系數為0.007Nm/rmp；剛度為0.005Nm/deg。

圖7是通過公式(1)計算的理想力矩和測試的實際反饋力矩。從圖中可以看出：當轉向盤轉角超過450deg時反饋力矩急劇增大，提示方向盤已轉到最大位置；在轉向時實際反饋值與期望值非常吻合且與方向盤轉角近似呈線性關系；當撒手后，由于阻尼系數設置值非常小，方向盤快速回到中間位置且在中間出現了振動。

圖7　測試結果

5、結束語

本文基于Matlab/GUI 的CAN 通信方法設計了一種轉向模擬器監(jiān)控系統(tǒng)。開發(fā)過程簡單快捷，整個程序源文件只有80kb，與其他編程環(huán)境相比開發(fā)成本較小。從測試結果來看滿足滿足高效性和穩(wěn)定性要求。此外界面簡單、功能完備，硬件在環(huán)仿真測試中，便于用戶調試監(jiān)控。本文方法擴展了Maltab的實際應用范圍，對基于CAN通信的監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。

參考文獻

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A real-time monitoring system ofvehicle steering simulator design based on Matlab CAN communication

Chen Xiaobing, Zhao Huiyong, Deng Zhaowen
( Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002 )

Abstract:Vehicle steering simulator is the key device to realize driver-vehicle hardware/softwarein the loop simulation experiments . This paper, the monitoring system of the steering simulator was designed based on Matlab GUI. Vehicle Network Toolbox in Matlab and CAN communication protocol were used to realize the real-time communication between steering simulator and PC. The interface of the system is simple and easy to operation. Variety work models were achieved by setting different parameters. The test results show that, the system runs stability and fast , and can accurately control steering simulator workingin different models with transmitting message at 100 Hz and updating interface display at 10 Hz.

keywords:Matlab GUI; CAN communication; real-time monitor; steering simulator

中圖分類號：U463.61

文獻標識碼：A文章編碼：1671-7988（2016） 05-110-04

作者簡介：陳小兵，湖北十堰人，主要從事汽車動力學仿真與控制方向研究。基金項目：國家自然科學基金（51175155），湖北省自然科學基金（2012FKC14801）。