燃料电池汽车整车控制器硬件在环实时仿真测试平台设计

　　虚拟平台的数字信号和模拟信号通过PCI接口的数据采集卡实现与真实世界的交换。采用的各种通讯卡一般都具有Matlab底层软件驱动程序，可以直接用于实时仿真。对于部分不支持Matlab实时仿真环境的数据采集卡，可以采用Matlab／Simulink环境下的S函数编写，并在Matlab环境下调用动态链接库。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驱动程序，因此采用S函数进行集成。整个虚拟平台共具备32路数字量输入接口、32路数字量输出接口、32路数字量输入／输出复用接口、32路模拟量输入接口和20路模拟量输出接口。

　　虚拟平台产生或接收的CAN信号通过PCI总线与CAN通讯卡相连，由CAN通讯卡通过CAN总线与待测整车控制器进行通讯。虚拟平台支持CAN2.0A和CAN2.0B扩展协议，能够同时输出2路独立的CAN信号。

信号调理器硬件设计

　　由于燃料电池客车上的信号比较复杂，数字信号有24V、12V和5V等不同的驱动电平和驱动方式，模拟信号也有各种电压范围和驱动功率的不同需求。而从虚拟平台经过数据采集卡输出的信号比较单一，故经过信号调理器对信号进行调理后，才能够完全再现燃料电池客车上的真实控制接口，直接与整车控制器连接进行仿真测试。

　　如图2所示，虚拟平台产生或接收的数字模拟信号通过PCI总线与数据采集卡相连。数据采集卡与可配置的信号调理器之间通过专用的数据线进行数据交换，经过可配置的信号调理器对信号进行必要的放大、电平转换、逻辑转换后，输出信号完全符合实际整车信号规范，并采用标准接口与待测整车控制器相连，从而实现对整车控制器的无缝连接。通过调整可配置信号调理器的配置方式，可以实现各种车辆的不同信号规范。信号调理器为灵活的母板子板设计，母板完成通用的信号连接电源供给等任务，子板完成具体的可配置信号处理功能。母板和子板联合工作，可以根据用户的需要随时更换子板电路，以满足不同仿真测试的需要。

硬件在环实时仿真测试平台软件设计

虚拟整车平台软件设计

　　虚拟整车平台基于Matlab／Simulink平台构建了燃料电池汽车仿真模型，该模型包括燃料电池发动机、DC-DC变换器、蓄电池、异步驱动电机及车辆负载。系统各部件模型一方面需考虑模型精度，另一方面必须满足实时性的要求。整个模型在Matlab／Simulink xPC Target实时仿真环境上运行。整车仿真模型通过PCI数据采集卡和PCI CAN卡实现与驾驶员和整车控制器的通讯。

虚拟司机平台软件设计

　　虚拟司机平台实现了可供驾驶员操作的虚拟驾驶环境。除了驾驶加速信号由测试人员通过踏板输入外，其余整车肩停开关、燃料电池开关、电机转速表、车速表、水温报警等控制开关和仪表均由虚拟司机平台实现。整个模型基于Matlab／Simulink RTW Target实时仿真环境实现，并利用Matlab Gauges工具箱实现了整车仪表显示和控制开关输入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于显示监控数据的仪表开发工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地开发出虚拟车用仪表系统。虚拟司机仿真模型同样通过PCI数据采集卡和PCI CAN卡实现与驾驶员和整车控制器的通讯。

实时性能分析

　　Matlab／Simulink为实时仿真提供了很好的软件环境。Real-TimeWorkshop代码自动生成工具可以将仿真模型编译生成实时C代码，并支持多种实时仿真目标环境，包括Matlab 工具箱RTW Target、xPC Tar-get以及第三方软件，如dSPACE等。本文选择了xPC Target和RTW Target来构建虚拟整车平台和虚拟司机平台。

　　整车虚拟平台承担再现真实燃料电池汽车运行的任务，是整个测试平台的核心部件。由于燃料电池汽车结构复杂、控制对象较多，为了真实再现整车运行情况，系统各部件模型除了需要满足精度要求外，还必须严格满足实时性的要求。整车虚拟平台采用的xPC Target实时仿真环境采用目标机和宿主机的结构，由Matlab生成的实时内核通过软驱或者USB闪存独立运行在目标机上，直接调用CPU资源。仿真模型通过宿主机编译生成实时代码后下载到目标机上运行，能够实现严格的系统实时仿真。

　　虚拟司机平台采用的RTW Target实时内核直接运行在Matlab／Simulink环境中，在同一台PC机上就能够迅速实现系统的实时仿真。其缺点是由于整个系统在Windows系统下运行，实时内核不能完全占有PC机操作系统资源，实时性受其他运行程序的影响。由于驾驶员模拟操作对实时性要求不高，因此选择RTW Target实时仿真环境能够满足这一要求。

实时仿真信号定义

　　虚拟整车平台、虚拟司机平台的信号定义如表1、表2所示，与目标燃料电池汽车完全保持一致。虚拟整车平台定义了燃料电池汽车各部件控制器CAN网络节点协议以及整车控制器制动信号输入和整车车速输出。虚拟司机平台系统信号包括各种驾驶员指令输出以及驾驶员面板显示信息输入，并定义了一个数据采集CAN节点。虚拟整车平台与虚拟司机平台除了车速信号、CAN网络信号的联系，其他所有信号均是与整车控制器交互。