面向發動機臺架測試的整車信號模擬系統

周亞棱，關靜，王鵬，楊凱

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

目前，國內車企對發動機進行正向開發時，核心之一是產品數據的積累，通過積累行業大量先進發動機即標桿機的各種性能數據，掌握其性能所處水平，為在研發動機性能目標的定義和分解提供參考。因此，獲得標桿機準確的性能數據至關重要。

標桿機從整車上拆解得到，再通過發動機臺架測試獲得各種性能數據。然而，隨著現代汽車技術的進步，發動機控制系統（Engine Control Unit，ECU）與整車其他系統通過信號交互逐漸成為一個整體，發動機運行工況不同程度地受到整車相關系統運行狀態的影響，必須保證相關系統的關鍵信號與發動機當前狀態一致，才能使發動機正常工作，否則將導致發動機限速或整車故障。由于在臺架測試過程中其他系統處于靜止狀態，無法提供發動機正常運轉的關鍵信號，所以需要進行整車信號的模擬。隨著混合動力車型發動機對標需求的出現，整車信號模擬的難度越來越大，研究并建立一套行之有效的整車信號模擬系統顯得尤為重要。

朱艷芳等提出利用LabVIEW模擬車速信號。張積萬等提出由車速傳感器檢測變速器輸出軸轉速的方法模擬車速信號。李恒提出通過車速傳感器檢測調速電機輸出軸轉速實現車速的模擬。以上3種模擬方法的優點在于操作簡單，缺點是靈活性不強，易出現整車故障，且只實現了車速的模擬，無法滿足更多信號的模擬需求。高繼東等提出的信號模擬系統可實現多種頻率信號的模擬，該方法的優點在于可實現邏輯關系復雜的信號模擬，缺點是所有信號都為硬件模擬，對于不同特征的信號通用性不強，硬件成本高，隨著混動發動機需求的信號越來越多，該系統將很難滿足要求。

為解決以上問題，本文提出一種信號模擬系統，主要通過網關模擬整車關鍵CAN總線信號。該方案模擬的信號更準確，更易被發動機系統認可，且系統通用性強，成本低，可顯著縮短試驗周期，提高臺架測試效率。

1 系統設計

1.1 系統架構

系統由信號模擬系統電控單元、信號解析模擬控制上位機軟件和系統線束3部分構成，圖1為系統架構與整車電控系統的連接示意圖。其中電控單元集成了專用CAN卡和信號模擬系統，在信號解析時作為專用CAN卡使用，在信號模擬時作為網關控制和信號模擬使用；上位機軟件具有CAN總線信號分析，CAN網關控制和信號模擬控制三大功能；系統線束用于連接系統電控單元硬件、上位機和整車電控系統。

圖1 系統架構

1.2 系統工作原理

工作原理如圖2所示，首先基于整車CAN總線信號的解析結果以及系統網關功能，確定整車端對發動機運行有影響的關鍵信號；然后在信號模擬系統中根據發動機實際運行工況，按一定策略計算得出關鍵信號具體數值，同時將系統作為網關在整車CAN網絡中運行以驗證策略的有效性；最后在臺架試驗時，模擬系統用計算的CAN總線信號值替換實際值發送給ECU，同時將硬線信號通過系統模擬輸出。該系統能夠對發動機的工況變化做出及時響應，可靈活控制整車各控制單元接收的信號值，避免整車系統因模擬信號異常出現故障，同時可覆蓋發動機工作范圍內的所有測試點。

圖2 系統工作原理

1.3 硬件設計

系統電控單元硬件包括專用CAN卡和信號模擬系統。專用CAN卡支持上位機軟件實現信號解析及簡單網關控制功能。信號模擬系統選用了具有5路CAN通道的飛思卡爾16位微控制器（MC9S12 XEP100）作為MCU，可滿足兩路網關控制功能，以及與專用CAN卡通訊；外圍電路還包括通用IO輸入、CAN收發模塊、SCI模塊，以及PWM輸出電路、變速器信號模擬模塊、DA輸出電路等，試驗中根據需求利用硬件可實現各類硬線信號模擬。

1.4 軟件開發

（1）上位機軟件

系統軟件包括上位機軟件和電控單元軟件兩部分。上位機軟件界面如圖3所示，可實現的功能包括：總線信號解析、網關控制、參數標定等。

圖3 上位機軟件界面

（2）電控單元軟件

電控單元軟件采用模塊化思想并結合嵌入式操作系統構架，對軟件進行規范化開發，增強了軟件的可靠性和可移植性，如圖4所示。本系統軟件基于芯片MC9S12XEP100，開發環境為CodeWarrior for S12（X）V5.1。整個軟件系統包括硬件抽象層、服務層、應用層以及操作系統，其中硬件抽象層只與微控制器硬件相關，用于實現硬件的各模塊功能；服務層是硬件抽象層與應用層的接口，主要用于數據的傳遞；操作系統分時調度各功能模塊，并設置計時器監控各任務執行情況，防止出現超時。

圖4 軟件架構

應用層軟件包括6個模塊：輸入采集模塊、CCP模塊、參數標定模塊、信號模擬模塊、網關模塊和校驗算法模塊。其中，輸入采集模塊、CCP模塊、參數標定模塊主要為網關模擬CAN總線信號提供依據，以及提高模擬軟件開發的效率；信號模擬模塊提供硬線信號模擬，包括PWM信號、數字及模擬信號。下面主要對網關模塊和校驗算法模塊進行詳細介紹。

（1）網關模塊

主要功能是轉發CAN總線上的數據幀，以及根據工況修改CAN總線上的數據并轉發給ECU。與CCP模塊不同，網關模塊的數據修改是實時的且自動運行完成。

（2）校驗算法模塊

為保證CAN總線上數據的可靠性，通常整車廠會和零部件供應商約定重要信號所在報文的校驗算法及校驗信息。校驗信息是將傳輸的數據通過一定算法得到，目的是防止總線數據在傳輸中改變或人為篡改的情況，一般為一個字節。網關模塊修改整車電控系統信號值的同時需修改相應的校驗碼，否則接收控制器（如ECU）認為相關信號不可信，導致系統無法正常工作。由此可見，為生成正確的校驗碼，首先需要進行校驗算法的解析。

本系統的校驗模塊包括校驗算法解析及校驗碼生成兩部分，其中校驗算法解析主要針對CRC8，可根據記錄的數據自動解析算法對應的初始值、多項式和異或值；校驗碼生成適用于所有的校驗算法，即修改數據后，計算校驗碼替換原有的校驗字節。

就目前研究的國內外20余款車型來看，不同品牌車型控制器的校驗算法差別較大，同一品牌不同車型的校驗算法也會不斷改進。表1列出了具有代表性的6款車型的校驗算法（定義數據幀的8個字節分別為byte1～byte8），其中車型A和B，車型C和D分別屬于同一品牌的不同車型。從表中可以看出，簡單的算法可通過將傳輸數據做異或運算或者取余運算等實現，如車型E和F的校驗算法；稍復雜的需要經過多個計算步驟實現，如車型A～D的校驗算法。下面對車型A和C兩種校驗算法進行說明。

表1 校驗算法列表

（1）CRC-8校驗算法

車型A為CRC-8校驗算法，圖5為車輛運行過程中某數據幀的數值變化，校驗字節位于第1字節，第2字節為丟幀校驗碼。該校驗字節的變化特點為：傳輸數據的很小改變都會導致校驗碼的劇烈波動。通過查閱資料并驗證確定該算法為CRC8，計算第2～8字節組成的待校驗數組，解析獲得了CRC-8算法的初始值、多項式和異或值，具體解析流程如圖6所示。

圖5 某CRC8校驗數據幀數值變化

圖6 CRC-8校驗算法解析流程

（2）校驗和算法

車型C采用校驗和算法，圖7為某數據幀的數值變化情況，其中第8字節為校驗字節。該校驗字節的特征為每4個數據重復從小到大的變化趨勢，具體數值與傳輸數據有關，經分析校驗算法為：將第1～7字節按一定校驗和計算得出數值為0～15的16個數據，根據該數值從二維數組array［16］［4］相應行中循環取值得到對應的校驗碼，校驗碼為check_code，具體算法流程如圖8所示，相鄰兩幀數據的校驗碼位于array［16］［4］相鄰列（第4列和第1列也看做相鄰列），若相鄰兩幀校驗碼不在相鄰列，則說明出現了丟幀。

圖7 某校驗和數據幀數值變化

圖8 車型C校驗算法流程

由以上分析可知：車型A的算法通過兩個字節驗證當前數據幀的完整性和丟幀情況；而車型C只需1個字節就能實現數據幀完整性及丟幀情況的驗證，為傳輸信息節省了空間。車型B和D分別在車型A和C的算法基礎上進行了改進。由此可見，隨著校驗算法的不斷升級，總線信號的可靠性不斷提高，同時也導致算法解析難度增加。

2 系統應用

在某混動車型的發動機對標項目中，系統構型如圖9所示，對標發動機的最大功率110 kW，最大轉矩250 Nm。分別使用傳統方法與本文設計的系統實現信號模擬并進行對比，驗證該系統的有效性。

圖9 系統構型

2.1 傳統模擬方法應用

根據傳統發動機對標經驗，并查閱混動車型控制策略相關資料，確定發動機臺架測試需模擬的硬線信號，包括車速、電機轉速、離合器K0狀態、變速器輸入軸轉速及SOC等。采用傳統模擬方式，首先在不同工況下采集各部件原始信號，再按照原始信號進行模擬。該方法的難點在于離合器K0狀態、變速器輸入軸轉速等原始信號采集困難，且模擬的信號之間同步性較差，易出現整車故障。經過長時間調試，最終臺架測試功率轉矩外特性曲線如圖10所示，實際轉矩與目標轉矩曲線有一定差距，且發動機在3 500 r/min左右限速。

圖10 傳統模擬方法的功率轉矩外特性曲線

2.2 本文設計的系統應用

根據1.2所述步驟，確定對發動機有影響的關鍵整車信號包括離合器K0狀態、電機轉矩、電機轉速、變速器輸入軸轉速、擋位信號、車速、電池SOC，以及轉速限制標志位。該車型的校驗算法為改進的CRC-8校驗，通過信號模擬系統的網關功能實現關鍵信號模擬，該功能在CAN中斷函數中實現，如圖11所示。

圖11 網關示意圖

最終在臺架上成功完成對標試驗，功率轉矩外特性曲線如圖12所示，實際測試結果與目標功率和轉矩曲線擬合較好。

圖12 本系統模擬方法的功率轉矩外特性曲線

2.3 兩種方法對比說明

分析2.1節和2.2節中的模擬信號可知，由于傳統方法中未實現轉速限制標志位的模擬，導致發動機在3 500 r/min左右限速，該方法不能支持試驗完成。表2將本文提出的方法與傳統模擬方法進行了對比，結果表明：傳統方法模擬難度大、成本高、并且由于模擬的硬線信號較多，導致調試難度和試驗周期大幅增加。本文設計的系統模擬的信號更準確、且同步性好，試驗周期縮短27%。

表2 本系統與傳統信號模擬方法對比

3 總結

經過大量試驗證明，本文設計的系統具有以下特點：

（1）該系統不受模擬信號特征及類型的限制，可滿足任意類型發動機對標測試的信號模擬。

（2）該模擬技術靈活性強，增加了測試的穩定性，節約了試驗成本。

（3）該模擬技術的難點在于校驗算法的解析，因此，后續還需要在這方面做更深入的研究。