半實物模擬仿真試驗臺通信控制系統(tǒng)研究

李勝凱，桂 勇，李勝澤

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系，北京 100072；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，電子與信息工程學(xué)院，遼寧 興城 125100)

對試驗過程進行相關(guān)模擬仿真技術(shù)稱為半實物仿真，在相關(guān)的模擬仿真系統(tǒng)中對受控對象進行模擬仿真研究，及時在線調(diào)整一些相關(guān)通信控制參數(shù)，從而改進試驗系統(tǒng)的精度性和基本性能。半實物模擬仿真試驗臺主要檢驗通信控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，推導(dǎo)準(zhǔn)確的算法，可以改進通信測控系統(tǒng)。在分析相關(guān)研究設(shè)計的基礎(chǔ)上，對模擬試驗臺開發(fā)完善進行總體規(guī)劃。因此，半實物模擬仿真試驗臺要完成以下要求：1) 模擬部件在不同工況下的狀況；2) 對通信控制系統(tǒng)的運作參數(shù)進行實時和準(zhǔn)確地測試；3) 進行零部件的選型與匹配；4) 進行系統(tǒng)通信控制策略研究。

1 模擬仿真試驗臺設(shè)計目標(biāo)

通過硬件和軟件的匹配設(shè)計，研究模擬仿真試驗臺通信控制系統(tǒng)，促進試驗平臺搭建便捷有效。因此，在模擬試驗臺軟、硬件的設(shè)計中，既要考慮研究的需要，又要最大限度地著眼其通用性和擴展性，使其有更加廣泛的應(yīng)用前景。模擬仿真試驗臺需適時采集系統(tǒng)的溫度、壓力等信號參數(shù)；運用控制軟件對反應(yīng)的信號進行綜合分析、運算和決策，并依據(jù)控制策略對數(shù)據(jù)信號處理，有效地對執(zhí)行機構(gòu)進行掌握；依托上座機適時檢測通信控制系統(tǒng)的信號參數(shù)和運行狀況[1]。

1.1 模擬仿真試驗臺設(shè)計方案

根據(jù)以上的設(shè)計目標(biāo)，智能化冷卻控制系統(tǒng)模擬試驗臺的設(shè)計可分為：系統(tǒng)信號模擬發(fā)生器、ECU、執(zhí)行機構(gòu)(電機和比例式電控閥門)、上位機等組成部分，其構(gòu)成原理如圖1所示。

圖1 通信控制系統(tǒng)組成示意圖

1.2 控制系統(tǒng)基本工作過程

ECU接收到控制系統(tǒng)信號發(fā)生器的模擬信號后，經(jīng)過A/D的處理，輸出為數(shù)字參數(shù)信號，然后發(fā)送給單片機，依據(jù)設(shè)定好的程序經(jīng)過相關(guān)運算后發(fā)出下級指令，各電路模塊接收相關(guān)PWM信號后，可以對電機運動轉(zhuǎn)速、電控閥門有關(guān)開度進行控制，同時接收反饋信號，單片機利用通信模塊和上座機來實時聯(lián)系。

2 模擬仿真試驗臺硬件設(shè)計

模擬仿真試驗臺的通信測控系統(tǒng)在運行時，傳感器收集試驗臺管路中工作狀態(tài)信號，RS485模塊收集處理后的參數(shù)信號并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過RS485與RS232通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換板卡轉(zhuǎn)換后將信號傳到工控機，工控機對采集的信號進行分析和處理，顯示并保存測試結(jié)果，然后根據(jù)既定的控制策略輸出控制信號，經(jīng)模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換后由驅(qū)動電路傳到執(zhí)行器。

模擬仿真試驗臺的ECU是一個復(fù)雜單片機實時控制系統(tǒng)，硬件電路由多個子模塊電路組合而成。單片機選定后，還要用合理的電路來支持其工作[2]。

通信電路的研究對實現(xiàn)ECU與上位間的參數(shù)信號傳輸非常重要。此單片機大都運用異步串聯(lián)接口通信方式[3]，由于MC9S12DP512采用內(nèi)置串聯(lián)接口通信SCI數(shù)據(jù)接口，所以可依靠上位機串聯(lián)口RS-232和MC9S12DP512的串聯(lián)接口來通訊聯(lián)系，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的工作監(jiān)控(圖2)。

大體情況下，電子線路設(shè)計要在結(jié)構(gòu)性和原理性設(shè)計后，刻印電路板(PCB)把結(jié)構(gòu)原理中的電氣原件進行連接，并將各種元件焊接在PCB上，經(jīng)過調(diào)試后，PCB能完成原理圖上要求的功能。將PCB設(shè)計出的各電路模塊組裝在控制盒中，構(gòu)成的ECU電路實物圖如圖3。

圖3 ECU電路連接圖

3 模擬仿真試驗臺軟件設(shè)計

通信測控系統(tǒng)通過狀態(tài)參數(shù)信號顯示情況檢測模擬仿真試驗臺工作狀態(tài)，并紀(jì)錄工作計算得數(shù)據(jù)，下步將各電路模塊進行組合，完成C語言程序軟件的設(shè)計調(diào)試[4]，設(shè)計出控制系統(tǒng)的主程序，同時將需用的特定開關(guān)、按鍵等進行安裝和調(diào)試。

在本文中，串聯(lián)通信模塊包括單片機和上座機間的通聯(lián)模塊，還有單片機與其它ECU的通聯(lián)模塊。通信程序流程如圖4。

圖4 串聯(lián)通信程序流程

4 結(jié)論

單片機根據(jù)檢測的工況信號，再通過查表確定出電控閥門的開度應(yīng)該增大到40%，然后輸出PWM信號以改變控制電壓，從而改變電控閥門的開度[5]。此時在一個示波器上可以看到單片機輸出PWM參數(shù)信號的頻率動態(tài)情況(如圖5)，在另一個示波器上可以看到電控閥門開度上的動態(tài)情況(如圖6)。

圖5 單片機輸出PWM參數(shù)信號圖

圖6 電控閥門開度動態(tài)圖

可以看到電控閥門從30%的開度增大到45%的開度，其反饋電壓從3.5V逐漸增大到4.5V，而不是階躍式的上升，這是因為電控閥門的開度變化需要一定的響應(yīng)時間。每變化10%的開度，需要大約6s的響應(yīng)響應(yīng)時間。

本文采用模塊化思想進行ECU硬件電路設(shè)計，使得各電路模塊既相對獨立，又相互聯(lián)系并協(xié)調(diào)工作，易于維護和功能的擴展。在單片機通信控制系統(tǒng)軟件開發(fā)中，清楚程序控制研究的狀態(tài)過程。而模塊化的統(tǒng)信控制程序設(shè)計研究方式，方便控制程序的調(diào)整，易進行軟件程序的功能擴展與進步開發(fā)。半實物模擬仿真試驗臺的開發(fā)在理論研究和臺架試驗之間搭建了一個快捷的過渡平臺，對試驗臺智能化控制系統(tǒng)快速研發(fā)有重要指導(dǎo)意義和實用價值。