基于VS.NET及串口通訊的線控制動操控系統開發與驗證

張利芬，時培成，賈慧利

基于VS.NET及串口通訊的線控制動操控系統開發與驗證

*張利芬1,2，時培成1，賈慧利2

（1.安徽工程大學機械工程學院，安徽，蕪湖 241000；2.蕪湖職業技術學院汽車與航空學院，安徽，蕪湖 241006）

線控制動系統中信號傳輸處理的速度及穩定性會對整個制動操控效率產生決定性的影響，是影響制動距離及其恒定性的主要因素之一。選擇不同的開發平臺和通訊類型，其效果也不一樣。本研究基于VS.NET平臺及串口通訊方式，設計開發線控制動的操控系統，圍繞制動操控效率和可靠性兩個目標元素，從生效速度、操控效率的穩定性兩個方面對線控制動操控系統進行性能驗證，包括制動需求分析、開發背景介紹、系統設計以及基于緊急持續制動、點動緩剎、常規持續限速三種典型工況下的性能驗證。

VS.NET平臺；C#；線控制動；操控系統；測試驗證

0 前言

順應的汽車電動化和智能化的兩大發展趨勢，x-by-wire（線控操控）成為了最理想的操控方式，目前處于廣泛研發試驗階段。制動效能及效能的恒定性是評價機動車制動安全的兩個核心指標，對于線控制動而言，亟待解決的是制動生效的靈敏性和可靠性問題，這些取決于整個制動操控實現過程中的軟件通訊和解碼，而軟件通訊和解碼的速度、準確度和實時性取決于軟件模塊的開發平臺、通訊類型、信號傳輸、轉碼速度及性能穩定性等[1]。

目前汽車x-by-wire系統開發，通訊主要依賴于CAN和FlexRay總線技術[2-3]，FlexRay可以更好地滿足制動操控高精讀高靈敏的要求，但在汽車上的應用不成熟，成本高，開發工作量大。CAN通訊為目前車載網絡的主要通信方式，技術成熟，應用成本較低，但實時性和容錯性不足。目前在線控軟件開發中主要有Java/go和.NET/C#兩種模式，兩者搭建的應用程序有類似的性能，但在面向對象控制方面，C#使得一些在Java中過于復雜的特性變得簡單，另外據TechEmpower測試，.NET Core框架允許在一臺服務器上每秒處理的請求數量遠遠領先于任何Java開發的web框架[4]。本項目根據線控制動系統的常規結構、常規制動規律，基于VS.NET平臺和CAN串口通信模式，擬借VS.NET平臺及C#開發語言組合開發模式能夠簡化公共組件、減少繁雜代碼堆砌以及處理速度快的優勢，來彌補CAN串口通訊實時性和容錯性的不足，對制動要求的達成度進行探究。結合程序邏輯的優化，開發獨立線控制動操控系統，并對不同制動工況下的制動生效速度和可靠性進行測試驗證。

1 線控制動需求分析

圖1 汽車制動過程

制動距離=反應時間距離（此處不考慮駕駛員反應時間）+剎車距離，即[5]

2 基于VS.NET平臺的系統設計及功能實現

2.1 系統設計

線控系統主要由剎車踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數據總線、伺服電動機和制動執行機構組成。

采用PWM信號發生器模擬油門踏板，踏板位移傳感器采用線性函數模擬，ECU采用PC模擬，數據總線使用USB_CAN模塊的雙向通訊模擬，剎車的執行單元由.NET進行仿真。軟件程序在VS2019平臺進行開發，核心代碼如下：

系統可視化操作界面如圖2所示。

2.2 功能實現

1）信號生效時間。主要是指剎車從開始踩下到產生剎車信號所使用的時間，即：

信號生效時間=開始踩下踏板時間－（預設點動生效行程/踏板總行程）×預設人體剎車移動至最終行程耗時；

2）信號持續時間。主要是指在踏板持續踩踏時，剎車信號真正的持續時間，即：

信號持續時間=從踏板開始踩下到最后抬起的耗時－信號生效耗時；

3）信號編碼耗時。從踏板的電信號轉換成CAN通信幀所需要的的時間；

4）ECU收到消息耗時。從踏板發送CAN信號到收到ECU的應答信號的耗時，使用modus協議轉碼來仿真信號轉換過程，使用串口線2、串口線3短路的方式模擬信號收發；

5）剎車模塊接收到ECU消息耗時。從ECU發送執行指令到剎車模塊確認收到信號的耗時，測試原理同上。

3 試驗平臺搭建及多工況試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

基于所開發操控系統的控制邏輯及功能目標所搭建的試驗平臺邏輯框圖如圖3所示。

串口1通過短路模塊在軟件仿真中模擬點到點的車內通訊。

PC通過串口2實現IO的開關控制，這里IO板模擬剎車的執行機構（繼電器結構）。

CAN模塊通過儀器仿真車內的點到點通訊，不考慮線長的影響，此處的仿真是為了獲得更精細的數據，可以替換軟件仿真中的“ECU收到消息幀耗時”和“剎車收到消息幀耗時”。

ECU仿真端口號：用來模擬ECU的串口模塊所在的串口號。

IO板端口號：用來模擬執行器電信號轉換模塊通訊所使用的串口號。

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頻率設置為一致，再點擊打開設備。

圖3 系統邏輯框圖

基于以上邏輯所搭建的試驗系統物理結構如圖4所示：1）計算機1臺；2）綠聯USB轉232通訊線2根；3）232控制繼電器模塊1個（4路LH-04C）；4）雙通道USB轉CAN盒1個（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；6）易達源電子3-24V可調直流電源1個。

圖4 系統物理結構

3.2 測試方法及數據采集

3.2.1 預設生效行程

用小數表示剎車開始反饋有效信號的行程位置，例如：該數字為0.08時，即為當剎車踩下總行程的8%時，剎車開始反饋給ECU剎車信號。

3.2.2 預設剎車踩到底耗時

預設的剎車從完全釋放狀態至踩到底所需要的總耗時，這個時間相當于設置了踩剎車的速度，給的時間越少，踩剎車速度越快。

3.2.3 本次工況剎車行程

當前剎車的踩踏程度，該數據只使用在持續信號測試中，當設置為0.8時，即為當前工況設置中，剎車最多踩至80%的位置。

CAN傳輸時間：點擊CAN傳輸模擬按鈕后，該數值開始出現，表示剎車信號從剎車踏板模塊到ECU模塊的耗時（包括轉碼時間）以及其從ECU到剎車執行模塊的耗時，因此在總耗時計算中該部分需要計算兩次。

命令發出耗時：點擊發送命令至IO板按鈕后，該數值開始出現，表示剎車模塊從收到剎車信號到發出執行指令所耗時間。

3.3 試驗結果分析

根據城市道路使用汽車實際制動需求試驗選擇：1）緊急全行程持續制動；2）多次部分行程點制動；3）常規部分行程持續制動三種典型工況，對制動時間及性能的穩定性進行測試。具體結果如下（單位均為毫秒）：

（1）緊急全行程持續制動試驗結果如表1所示。

表1 緊急全行程持續制動測試

多次部分行程點制動試驗結果如表2所示。

表2 多次部分行程點制動測試

3.2.3 常規部分行程持續制動

1）預設行程參數為0.5持續制動試驗結果如表3所示。

表3 預設0.5行程制動測試

預設行程參數為0.6持續制動試驗結果如表4所示。

表4 預設0.6行程制動測試

預設行程參數為0.7持續制動試驗結果如表5所示。

表5 預設0.7行程制動測試

在測試數據中：剎車總時間=信號持續時間+信號傳輸編碼時間（信號編碼用時+ECU收到信號用時+剎車模塊收到信息用時），從測試結果可以打得出以下三點結論（除去個別測試操作抖動情況）：

2）持續制動測試結果顯示，在信號持續時間內，信號傳輸穩定，不會出現任何中斷或跳動現象，且信號傳輸轉碼時間基本與信號持續時間成正比，不受踏板行程影響。另外從點制動結果也可以看出，在連續多次踩踏的情況下，信號傳輸轉碼速度依然保持原有的規律，不受踩踏頻率影響，展示了所開發系統操控性能的高穩定性。

3）按照機動車制動性能恒定性要求，車輛在所允許的任何工況下，都能保持靈敏、準確的操控性能[5]，本實驗研究基于不同制動工況的各項測試結果顯示，信號傳輸轉碼時間按照統一規律，滿足各種制動工況下均能穩定發揮制動操控性能的需求，展示了所開發系統操控性能的高實用性。

4 結束語

線控操控用計算機手段來代替機械液壓手段，智能化程度、操控效率等都顯著提高，但其穩定性、可靠性還是需要繼續深入研究。本研究在VS.NET平臺搭建的線控操控系統上，這兩方面都得到了驗證。但不同的操控系統，不同的通信方法，不同的解碼方式均有待進一步探究，在后續研究還需從在不同溫度濕度等環境因素干擾下操控性能的穩定性，以及在與動力模塊、防滑模塊、車身穩定模塊協同控制中，進一步提高智能化程度等方面繼續展開。

[1] 周國憲.基于多物理量的制動性能測試系統研究[D].昆明:昆明理工大學,2018.

[2] 楊甲豐.基于CAN＿FD總線的線控制動系統設計[J].計算機次測量與控制,2021(8):9.

[3] 劉杰.基于FlexRay總線的汽車線控制動系統仿真研究[J].內燃機與配件,2021(10):205-206.

[4] 吳睿.基于VS.NET平臺的第二煉鋼廠生產執行系統設計與實現[D].大連:大連理工學報.2016.

[5] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009:97-99.

[6] 孟憲羅. 基于串口通信的PTB220氣壓傳感器誤差自動調整系統設計[J].氣象科技,2017,45(5):811-817.

[7] 袁瑩靜.基于VS.NET的研究生教學管理系統的設計與實現[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

安徽省優秀青年骨干教師國內訪學研修項目(gxgnfx2021189)；安徽高校自然科學研究重點項目（KJ2020A0909)；蕪湖職業技術學院校級自然重點科學研究項目(wzyzrzd202003)

*張利芬(1989-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，主要從事新能源汽車電控方向、汽車設計與制造技術等教學與研究(E-mail:zhanglf@whit.eddu.cn).