汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)開發(fā)

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摘要：為滿足汽車電子電器控制技術(shù)實驗教學(xué)的需要，設(shè)計開發(fā)了汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。將CAN總線控制技術(shù)運(yùn)用到實驗教學(xué)中，完成汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)建模、發(fā)動機(jī)電控ECU軟硬件框架與邏輯設(shè)計，開發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)，實現(xiàn)理論教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)的良好結(jié)合。利用該系統(tǒng)，可以開展各類實踐性、探索性及創(chuàng)新性實驗，有效地提高了學(xué)生的實踐能力和分析解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；汽車總線網(wǎng)絡(luò)；汽車電控

實驗教學(xué)是高校教學(xué)活動中的重要環(huán)節(jié)，在深化理論知識、培養(yǎng)學(xué)生動手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新能力等方面具有不可替代的作用。汽車電子電器控制技術(shù)作為車輛工程專業(yè)的必修課，重點介紹底盤、車身電子控制設(shè)備的基本理論、基本組成、工作過程和控制原理。實驗課作為車輛工程專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗項目設(shè)置的系統(tǒng)性直接影響學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代汽車已全面采用車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。因此，開發(fā)汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)并應(yīng)用于實驗教學(xué)，可以提升汽車電子電器控制技術(shù)實驗項目設(shè)置的系統(tǒng)性[4-5]。同時配合理論教學(xué)，實現(xiàn)車輛工程專業(yè)學(xué)生的理論教學(xué)與實踐能力的融合培養(yǎng)，達(dá)到“理實一體化”，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果[6-8]。本文在充分了解社會需求、明確車輛工程專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段兩方面開展汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)研究與設(shè)計。在教學(xué)內(nèi)容上，緊跟汽車技術(shù)發(fā)展步伐，將汽車總線控制技術(shù)及時地運(yùn)用到教學(xué)中；在教學(xué)手段上，充分考慮教師的個體化教學(xué)差異，提供多種可供選擇的教學(xué)手段，保證教學(xué)效果。通過汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，借助人機(jī)交互界面，開展整車控制等內(nèi)容的實驗教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高實驗效率，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

1功能需求分析

車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的各個功能部件，如燈光儀表控制、發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)以及整車電器等。汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，要結(jié)合頂層設(shè)計和社會需求，確定培養(yǎng)什么樣的人才，制訂專業(yè)培養(yǎng)計劃和能力培養(yǎng)要求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計及完成建設(shè)方案，開設(shè)相關(guān)的實驗項目[9]。根據(jù)功能需求，汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)應(yīng)具備可視化的整車電控系統(tǒng)原理圖、電路圖及各功能部件，充分展示各功能部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并能實現(xiàn)實車功能模擬、動態(tài)演示工作過程和操作方法，使學(xué)生能夠通過外接檢測設(shè)備對系統(tǒng)的各類傳感器、執(zhí)行器及電控單元的信號進(jìn)行檢測、數(shù)據(jù)流讀取以及波形分析，實現(xiàn)深化理論知識、提升動手能力、完成實驗要求的培養(yǎng)目標(biāo)。

2系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1CAN總線建模

汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)包含6大功能模塊，分別為組合儀表、轉(zhuǎn)向燈控制單元、舒適系統(tǒng)中央控制單元、發(fā)動機(jī)電控ECU、網(wǎng)關(guān)以及車窗門鎖模塊，圖1為搭建的汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)框架。以舒適系統(tǒng)中央控制單元對車窗門鎖的控制為例進(jìn)行建模，以BCM整車控制器作為CAN主節(jié)點，連接汽車各個車窗門鎖控制器、尾門控制器、后視鏡控制器等信號采集器6個從節(jié)點，實現(xiàn)車門、車窗的集中控制，舒適CAN總線車窗門鎖控制建模如圖2所示。

2.2電控ECU硬件框架與軟件邏輯設(shè)計

以發(fā)動機(jī)電控ECU為例，設(shè)計控制系統(tǒng)硬件框架與軟件邏輯。電控ECU能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)氣道噴射式四缸汽油機(jī)的運(yùn)行控制，測試電子油門、節(jié)氣門開度、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、蓄電池電壓等傳感器的信號，實現(xiàn)電子節(jié)氣門、汽缸的噴油及點火、油泵繼電器等的控制。電控ECU控制指令通過CAN通信控制執(zhí)行器，實現(xiàn)噴油量、點火時刻、噴油提前角等控制參數(shù)的在線修改?；谏鲜龉δ苄枨?，筆者搭建了如圖3和圖4所示的發(fā)動機(jī)電控ECU硬件框架與軟件邏輯。

2.3人機(jī)交互系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

虛擬仿真實驗平臺的一大特點是實現(xiàn)人機(jī)交互操作，使實驗者由被動地觀察變?yōu)橹鲃拥貐⑴c。人機(jī)交互系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)中不同層次的信息交換和控制。外部交互設(shè)備包括門鎖、車窗、燈光等開關(guān)，以及油門和制動踏板、換擋把手等，用來采集實驗者的操作輸入信號，并將采集的信號輸入搭建的整車總線網(wǎng)絡(luò)模型中。利用MATLAB/GUI設(shè)計開發(fā)的上位機(jī)軟件，實現(xiàn)實驗者與所開發(fā)平臺的交互。通過人機(jī)交互系統(tǒng)，學(xué)生能夠直觀地看到當(dāng)前系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)以及變量數(shù)據(jù)，并可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與修改，而且編輯后的數(shù)據(jù)可重新寫入控制系統(tǒng)，從而達(dá)到通過修改控制參數(shù)來觀察系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)的目的。同時，控制器將收到的控制信號處理后，及時反饋系統(tǒng)獲取的傳感器數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)饺藱C(jī)交互界面中，如圖5所示。

3系統(tǒng)特色與創(chuàng)新

針對高校普遍存在的實驗教學(xué)設(shè)備相對落后，結(jié)合汽車電控的行業(yè)特點，不斷吸收先進(jìn)的汽車電控技術(shù)與最新的教學(xué)實踐成果，開發(fā)了汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，將學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力和理論基礎(chǔ)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)實驗課與理論課的深度融合。以工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，融入CAN總線控制技術(shù)的車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力、分析問題能力以及解決復(fù)雜工程問題的能力，適用于當(dāng)前車輛工程專業(yè)的電子電器實驗教學(xué)[10]。

4結(jié)語

基于專業(yè)人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)需求，設(shè)計開發(fā)了汽車總線網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，將汽車電控新技術(shù)及時地運(yùn)用到教學(xué)中，滿足汽車電子電器控制實驗教學(xué)需求。通過該系統(tǒng)，可以開展各類實踐性、探索性及創(chuàng)新性實驗，加深學(xué)生對汽車總線網(wǎng)絡(luò)的理解。同時，在實驗過程中積極引導(dǎo)學(xué)生探索創(chuàng)新，調(diào)動其實驗積極性，提高了實驗效率。

作者:李臣旭 江浩斌 耿國慶 嵇乾 單位:江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院