基于VS.NET及串口通訊的線(xiàn)控制動(dòng)操控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

張利芬，時(shí)培成，賈慧利

基于VS.NET及串口通訊的線(xiàn)控制動(dòng)操控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

*張利芬1,2，時(shí)培成1，賈慧利2

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽，蕪湖 241000；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)與航空學(xué)院，安徽，蕪湖 241006）

線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)中信號(hào)傳輸處理的速度及穩(wěn)定性會(huì)對(duì)整個(gè)制動(dòng)操控效率產(chǎn)生決定性的影響，是影響制動(dòng)距離及其恒定性的主要因素之一。選擇不同的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和通訊類(lèi)型，其效果也不一樣。本研究基于VS.NET平臺(tái)及串口通訊方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)線(xiàn)控制動(dòng)的操控系統(tǒng)，圍繞制動(dòng)操控效率和可靠性?xún)蓚€(gè)目標(biāo)元素，從生效速度、操控效率的穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)線(xiàn)控制動(dòng)操控系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，包括制動(dòng)需求分析、開(kāi)發(fā)背景介紹、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基于緊急持續(xù)制動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)緩剎、常規(guī)持續(xù)限速三種典型工況下的性能驗(yàn)證。

VS.NET平臺(tái)；C#；線(xiàn)控制動(dòng)；操控系統(tǒng)；測(cè)試驗(yàn)證

0 前言

順應(yīng)的汽車(chē)電動(dòng)化和智能化的兩大發(fā)展趨勢(shì)，x-by-wire（線(xiàn)控操控）成為了最理想的操控方式，目前處于廣泛研發(fā)試驗(yàn)階段。制動(dòng)效能及效能的恒定性是評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)安全的兩個(gè)核心指標(biāo)，對(duì)于線(xiàn)控制動(dòng)而言，亟待解決的是制動(dòng)生效的靈敏性和可靠性問(wèn)題，這些取決于整個(gè)制動(dòng)操控實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的軟件通訊和解碼，而軟件通訊和解碼的速度、準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性取決于軟件模塊的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、通訊類(lèi)型、信號(hào)傳輸、轉(zhuǎn)碼速度及性能穩(wěn)定性等[1]。

目前汽車(chē)x-by-wire系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通訊主要依賴(lài)于CAN和FlexRay總線(xiàn)技術(shù)[2-3]，F(xiàn)lexRay可以更好地滿(mǎn)足制動(dòng)操控高精讀高靈敏的要求，但在汽車(chē)上的應(yīng)用不成熟，成本高，開(kāi)發(fā)工作量大。CAN通訊為目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式，技術(shù)成熟，應(yīng)用成本較低，但實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性不足。目前在線(xiàn)控軟件開(kāi)發(fā)中主要有Java/go和.NET/C#兩種模式，兩者搭建的應(yīng)用程序有類(lèi)似的性能，但在面向?qū)ο罂刂品矫妫珻#使得一些在Java中過(guò)于復(fù)雜的特性變得簡(jiǎn)單，另外據(jù)TechEmpower測(cè)試，.NET Core框架允許在一臺(tái)服務(wù)器上每秒處理的請(qǐng)求數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于任何Java開(kāi)發(fā)的web框架[4]。本項(xiàng)目根據(jù)線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)、常規(guī)制動(dòng)規(guī)律，基于VS.NET平臺(tái)和CAN串口通信模式，擬借VS.NET平臺(tái)及C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言組合開(kāi)發(fā)模式能夠簡(jiǎn)化公共組件、減少繁雜代碼堆砌以及處理速度快的優(yōu)勢(shì)，來(lái)彌補(bǔ)CAN串口通訊實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性的不足，對(duì)制動(dòng)要求的達(dá)成度進(jìn)行探究。結(jié)合程序邏輯的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)獨(dú)立線(xiàn)控制動(dòng)操控系統(tǒng)，并對(duì)不同制動(dòng)工況下的制動(dòng)生效速度和可靠性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1 線(xiàn)控制動(dòng)需求分析

圖1 汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程

制動(dòng)距離=反應(yīng)時(shí)間距離（此處不考慮駕駛員反應(yīng)時(shí)間）+剎車(chē)距離，即[5]

2 基于VS.NET平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

線(xiàn)控系統(tǒng)主要由剎車(chē)踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、伺服電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

采用PWM信號(hào)發(fā)生器模擬油門(mén)踏板，踏板位移傳感器采用線(xiàn)性函數(shù)模擬，ECU采用PC模擬，數(shù)據(jù)總線(xiàn)使用USB_CAN模塊的雙向通訊模擬，剎車(chē)的執(zhí)行單元由.NET進(jìn)行仿真。軟件程序在VS2019平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，核心代碼如下：

系統(tǒng)可視化操作界面如圖2所示。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

1）信號(hào)生效時(shí)間。主要是指剎車(chē)從開(kāi)始踩下到產(chǎn)生剎車(chē)信號(hào)所使用的時(shí)間，即：

信號(hào)生效時(shí)間=開(kāi)始踩下踏板時(shí)間－（預(yù)設(shè)點(diǎn)動(dòng)生效行程/踏板總行程）×預(yù)設(shè)人體剎車(chē)移動(dòng)至最終行程耗時(shí)；

2）信號(hào)持續(xù)時(shí)間。主要是指在踏板持續(xù)踩踏時(shí)，剎車(chē)信號(hào)真正的持續(xù)時(shí)間，即：

信號(hào)持續(xù)時(shí)間=從踏板開(kāi)始踩下到最后抬起的耗時(shí)－信號(hào)生效耗時(shí)；

3）信號(hào)編碼耗時(shí)。從踏板的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN通信幀所需要的的時(shí)間；

4）ECU收到消息耗時(shí)。從踏板發(fā)送CAN信號(hào)到收到ECU的應(yīng)答信號(hào)的耗時(shí)，使用modus協(xié)議轉(zhuǎn)碼來(lái)仿真信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，使用串口線(xiàn)2、串口線(xiàn)3短路的方式模擬信號(hào)收發(fā)；

5）剎車(chē)模塊接收到ECU消息耗時(shí)。從ECU發(fā)送執(zhí)行指令到剎車(chē)模塊確認(rèn)收到信號(hào)的耗時(shí)，測(cè)試原理同上。

3 試驗(yàn)平臺(tái)搭建及多工況試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于所開(kāi)發(fā)操控系統(tǒng)的控制邏輯及功能目標(biāo)所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)邏輯框圖如圖3所示。

串口1通過(guò)短路模塊在軟件仿真中模擬點(diǎn)到點(diǎn)的車(chē)內(nèi)通訊。

PC通過(guò)串口2實(shí)現(xiàn)IO的開(kāi)關(guān)控制，這里IO板模擬剎車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（繼電器結(jié)構(gòu)）。

CAN模塊通過(guò)儀器仿真車(chē)內(nèi)的點(diǎn)到點(diǎn)通訊，不考慮線(xiàn)長(zhǎng)的影響，此處的仿真是為了獲得更精細(xì)的數(shù)據(jù)，可以替換軟件仿真中的“ECU收到消息幀耗時(shí)”和“剎車(chē)收到消息幀耗時(shí)”。

ECU仿真端口號(hào)：用來(lái)模擬ECU的串口模塊所在的串口號(hào)。

IO板端口號(hào)：用來(lái)模擬執(zhí)行器電信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊通訊所使用的串口號(hào)。

CAN1波特率：CAN1口通訊使用的頻率。

CAN2波特率：CAN2口通訊使用的頻率，需將CAN2和CAN1頻率設(shè)置為一致，再點(diǎn)擊打開(kāi)設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)邏輯框圖

基于以上邏輯所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖4所示：1）計(jì)算機(jī)1臺(tái)；2）綠聯(lián)USB轉(zhuǎn)232通訊線(xiàn)2根；3）232控制繼電器模塊1個(gè)（4路LH-04C）；4）雙通道USB轉(zhuǎn)CAN盒1個(gè)（廣成科技USBCAN-II C）；5）手工制作232 2_3短接模塊，使形成回路系統(tǒng)；6）易達(dá)源電子3-24V可調(diào)直流電源1個(gè)。

圖4 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

3.2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)采集

3.2.1 預(yù)設(shè)生效行程

用小數(shù)表示剎車(chē)開(kāi)始反饋有效信號(hào)的行程位置，例如：該數(shù)字為0.08時(shí)，即為當(dāng)剎車(chē)踩下總行程的8%時(shí)，剎車(chē)開(kāi)始反饋給ECU剎車(chē)信號(hào)。

3.2.2 預(yù)設(shè)剎車(chē)踩到底耗時(shí)

預(yù)設(shè)的剎車(chē)從完全釋放狀態(tài)至踩到底所需要的總耗時(shí)，這個(gè)時(shí)間相當(dāng)于設(shè)置了踩剎車(chē)的速度，給的時(shí)間越少，踩剎車(chē)速度越快。

3.2.3 本次工況剎車(chē)行程

當(dāng)前剎車(chē)的踩踏程度，該數(shù)據(jù)只使用在持續(xù)信號(hào)測(cè)試中，當(dāng)設(shè)置為0.8時(shí)，即為當(dāng)前工況設(shè)置中，剎車(chē)最多踩至80%的位置。

CAN傳輸時(shí)間：點(diǎn)擊CAN傳輸模擬按鈕后，該數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)，表示剎車(chē)信號(hào)從剎車(chē)踏板模塊到ECU模塊的耗時(shí)（包括轉(zhuǎn)碼時(shí)間）以及其從ECU到剎車(chē)執(zhí)行模塊的耗時(shí)，因此在總耗時(shí)計(jì)算中該部分需要計(jì)算兩次。

命令發(fā)出耗時(shí)：點(diǎn)擊發(fā)送命令至IO板按鈕后，該數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)，表示剎車(chē)模塊從收到剎車(chē)信號(hào)到發(fā)出執(zhí)行指令所耗時(shí)間。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)城市道路使用汽車(chē)實(shí)際制動(dòng)需求試驗(yàn)選擇：1）緊急全行程持續(xù)制動(dòng)；2）多次部分行程點(diǎn)制動(dòng)；3）常規(guī)部分行程持續(xù)制動(dòng)三種典型工況，對(duì)制動(dòng)時(shí)間及性能的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。具體結(jié)果如下（單位均為毫秒）：

（1）緊急全行程持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 緊急全行程持續(xù)制動(dòng)測(cè)試

多次部分行程點(diǎn)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 多次部分行程點(diǎn)制動(dòng)測(cè)試

3.2.3 常規(guī)部分行程持續(xù)制動(dòng)

1）預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.5持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)設(shè)0.5行程制動(dòng)測(cè)試

預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.6持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 預(yù)設(shè)0.6行程制動(dòng)測(cè)試

預(yù)設(shè)行程參數(shù)為0.7持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)設(shè)0.7行程制動(dòng)測(cè)試

在測(cè)試數(shù)據(jù)中：剎車(chē)總時(shí)間=信號(hào)持續(xù)時(shí)間+信號(hào)傳輸編碼時(shí)間（信號(hào)編碼用時(shí)+ECU收到信號(hào)用時(shí)+剎車(chē)模塊收到信息用時(shí)），從測(cè)試結(jié)果可以打得出以下三點(diǎn)結(jié)論（除去個(gè)別測(cè)試操作抖動(dòng)情況）：

2）持續(xù)制動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示，在信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)任何中斷或跳動(dòng)現(xiàn)象，且信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)碼時(shí)間基本與信號(hào)持續(xù)時(shí)間成正比，不受踏板行程影響。另外從點(diǎn)制動(dòng)結(jié)果也可以看出，在連續(xù)多次踩踏的情況下，信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)碼速度依然保持原有的規(guī)律，不受踩踏頻率影響，展示了所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)操控性能的高穩(wěn)定性。

3）按照機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能恒定性要求，車(chē)輛在所允許的任何工況下，都能保持靈敏、準(zhǔn)確的操控性能[5]，本實(shí)驗(yàn)研究基于不同制動(dòng)工況的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果顯示，信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)碼時(shí)間按照統(tǒng)一規(guī)律，滿(mǎn)足各種制動(dòng)工況下均能穩(wěn)定發(fā)揮制動(dòng)操控性能的需求，展示了所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)操控性能的高實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

線(xiàn)控操控用計(jì)算機(jī)手段來(lái)代替機(jī)械液壓手段，智能化程度、操控效率等都顯著提高，但其穩(wěn)定性、可靠性還是需要繼續(xù)深入研究。本研究在VS.NET平臺(tái)搭建的線(xiàn)控操控系統(tǒng)上，這兩方面都得到了驗(yàn)證。但不同的操控系統(tǒng)，不同的通信方法，不同的解碼方式均有待進(jìn)一步探究，在后續(xù)研究還需從在不同溫度濕度等環(huán)境因素干擾下操控性能的穩(wěn)定性，以及在與動(dòng)力模塊、防滑模塊、車(chē)身穩(wěn)定模塊協(xié)同控制中，進(jìn)一步提高智能化程度等方面繼續(xù)展開(kāi)。

[1] 周?chē)?guó)憲.基于多物理量的制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2018.

[2] 楊甲豐.基于CAN＿FD總線(xiàn)的線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)次測(cè)量與控制,2021(8):9.

[3] 劉杰.基于FlexRay總線(xiàn)的汽車(chē)線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2021(10):205-206.

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[7] 袁瑩靜.基于VS.NET的研究生教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件,2020,41(3):278-282.

DEVELOPMENT AND VERIFICATION OF BRAKE-BY-WIRE CONTROL SYSTEM BASED ON VS.NET AND SERIAL COMMUNICATION

*ZHANG Li-fen1,2, SHI Pei-cheng1, JIA Hui-li2

（1. School of Mechanical engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. School of Automobile and Aaviation, Wuhu Institute and Technology, Wuhu, Anhui 241006, China）

The speed and stability of signal transmission and processing in the brake-by-wire control system has a decisive impact on the whole braking control efficiency, also is one of the main factors affecting the braking distance and constancy. Different development platforms and communication types have different effects. Based on VS.NET platform and serial port communication mode, the brake-by-wire control system was designed and developed, focusing on the two objective elements of braking control efficiency and reliability, the performance verification of the line control brake control system was carried out, including braking demand analysis, development background introduction, system design, and performance verification under three typical working conditions as emergency continuous braking, inching braking and conventional continuous speed limit.

VS.NET platform; c#; brake-by-wire; control system; test verification

TP311.51

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.06.013

1674-8085（2022）06-0081-06

2021-08-09；

2022-02-10

安徽省優(yōu)秀青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪(fǎng)學(xué)研修項(xiàng)目(gxgnfx2021189)；安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2020A0909)；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)自然重點(diǎn)科學(xué)研究項(xiàng)目(wzyzrzd202003)

*張利芬(1989-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，主要從事新能源汽車(chē)電控方向、汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等教學(xué)與研究(E-mail:zhanglf@whit.eddu.cn).