馮瑞東，姚勝華，付玉，劉森

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

對于傳統(tǒng)的機械式換擋結(jié)構(gòu)而言，電子換擋系統(tǒng)對換擋過程的控制更加精準(zhǔn)，同時能夠預(yù)防錯誤的換擋操作、減少錯誤換擋所造成的變速器機械損傷等諸多優(yōu)勢。在汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的背景下，車企對汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)效率要求越來越高，依靠手工編寫軟件程序代碼的傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)方法逐漸不適應(yīng)于當(dāng)下的電控系統(tǒng)開發(fā)［1］?；谀Ｐ驮O(shè)計的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法（modelbased design，MBD）可以有效提升軟件開發(fā)效率，縮短電控系統(tǒng)研發(fā)周期。文中利用S32K系列單片機作為電子換擋控制單元（shift control unit，SCU），在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行MBD軟件程序設(shè)計，完成汽車電子換擋系統(tǒng)的軟件開發(fā)，同時使用CANoe軟件建立系統(tǒng)測試環(huán)境，對換擋系統(tǒng)控制策略進(jìn)行系統(tǒng)測試。

1 電子換擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 擋位結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證汽車在換擋過程的穩(wěn)定性，設(shè)計的汽車電子換擋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，擋位由駐車擋P、倒車擋R、空擋N和前進(jìn)擋D組成。在換擋手柄底部安裝1塊永磁體，同時在換擋手柄下方設(shè)置2個MLX90333霍爾傳感器來檢測換擋手柄的位置信息。駐車狀態(tài)下，換擋手柄處于P擋位置，當(dāng)撥動換擋手柄進(jìn)入其他擋位后，設(shè)置在換擋手柄下方的霍爾傳感器能夠感應(yīng)永磁體在X軸向和Y軸向所產(chǎn)生的不同的磁通量，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓輸入電控單元SCU，由SCU對其處理并進(jìn)行相應(yīng)的擋位判斷。

圖1 基于某車型的電子換擋結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用板載S32K144微控制器的開發(fā)板作為系統(tǒng)的主控制單元，在開發(fā)板上方設(shè)計了1塊能夠搭載2個MLX90333霍爾傳感器的PCB，并在PCB上安裝1個底部附帶永磁體的模擬換擋手柄來實現(xiàn)換擋操作。系統(tǒng)的硬件功能如圖3所示，主控制器S32K144實時采集由MLX90333霍爾傳感器模塊所檢測到的換擋手柄位置信息，完成相應(yīng)的換擋控制與故障處理后，再由擋位顯示模塊實時顯示擋位信息，并通過CAN通訊進(jìn)行擋位信號傳輸。

圖2 電子換擋系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 電子換擋系統(tǒng)硬件功能框圖

2 電子換擋系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1 軟件總體設(shè)計

基于模型設(shè)計的方法進(jìn)行程序設(shè)計。底層與中間層的相關(guān)驅(qū)動程序采用MBDT工具包，在MATLAB/Simulink環(huán)境下完成，主要包括系統(tǒng)時鐘配置、I/O配置、A/D配置、定時器配置、中斷配置、CAN收發(fā)和緩沖區(qū)配置［2-3］。中間層主要利用CAN協(xié)議，完成底層程序與應(yīng)用層程序的接口對接。應(yīng)用層主要使用MATLAB/Simulink建立控制策略模型，通過對傳感器信號進(jìn)行一定的控制與故障診斷處理。為了使整個系統(tǒng)的軟件編寫、調(diào)試與修改方便快捷，在軟件設(shè)計中采取了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方式。圖4為電子換擋系統(tǒng)主程序流程圖，系統(tǒng)上電以后，主控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)實時接收車速與制動踏板信息，并通過傳感器實時獲取換擋手柄的位置信息；接著根據(jù)這些信息進(jìn)行策略控制與故障診斷后，得到不同的擋位處理信號；最后，將處理后的擋位信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以供整車網(wǎng)絡(luò)上的其他控制器使用。

圖4 電子換擋系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 系統(tǒng)故障診斷

為了保證傳感器信號的可靠性，確保SCU能接收到正確的擋位信息，防止因系統(tǒng)硬件故障而產(chǎn)生錯誤擋位信號，由MLX90333霍爾傳感器對換擋手柄進(jìn)行擋位檢測。每個霍爾傳感器都有對應(yīng)的模擬電壓信號輸出，依據(jù)不同的傳感器狀態(tài)和設(shè)定的故障碼來對傳感器信號進(jìn)行故障分類，擋位信號故障狀態(tài)如表1所示［4］。當(dāng)故障碼為0x00時，表示2個傳感器的信號都正確，此時故障狀態(tài)為T0，在Fault_Process中設(shè)定系統(tǒng)默認(rèn)輸出傳感器U1所檢測到的換擋手柄在X軸向與Y軸向信號，如圖6所示。若在該狀態(tài)下任意路信號出現(xiàn)錯誤，則會在Fault_Process中進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。當(dāng)傳感器U1或傳感器U2中任意X軸向信號或Y軸向信號只有1路信號出現(xiàn)錯誤時，圖5中Fault_Diagnosis模塊會輸出對應(yīng)的故障碼0x01，即進(jìn)入T1故障狀態(tài)。在T1故障狀態(tài)下，會將正確的換擋手柄X軸向信號或Y軸向信號輸出，并將T1故障狀態(tài)的故障碼上傳至CAN網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)傳感器U1與傳感器U2都出現(xiàn)X軸向信號故障或者Y軸向信號故障時，則會輸出故障碼0x02，進(jìn)入T2故障狀態(tài)。因為T2故障狀態(tài)下，至少有1路軸向信號無法被正常獲取，因此無法正確判斷當(dāng)前擋位信息，所以系統(tǒng)此時保持原擋位狀態(tài)不變，同時將故障碼0x02上傳至CAN網(wǎng)絡(luò)。

表1 傳感器故障狀態(tài)表

圖5 系統(tǒng)硬件故障處理模型圖

為了盡可能降低或消除由于人為操縱而產(chǎn)生的錯誤換擋，在換擋控制邏輯中引入了行駛車速信號與制動踏板信號來對換擋過程進(jìn)行控制，從而保證正常行駛過程中駕駛員的換擋動作，控制邏輯模型如圖6所示［4-6］。系統(tǒng)上電默認(rèn)處于P擋狀態(tài)，若車輛需要進(jìn)行起步，由駐車狀態(tài)進(jìn)入行駛狀態(tài)時，需要踩下制動踏板，通過換擋手柄使系統(tǒng)進(jìn)入其他任意擋位。當(dāng)車輛正常行駛時，可由任意動力擋直接進(jìn)入N擋，但為了防止駕駛員錯誤掛擋，設(shè)定D擋與R擋之間互換時車速處于5km·h?1以下且制動踏板被踩下。同時在車輛高速行駛時，系統(tǒng)不會響應(yīng)P擋信號，若車輛需要由行駛狀態(tài)進(jìn)入駐車狀態(tài)，應(yīng)踩下制動踏板直至車速降至5km·h?1以下，系統(tǒng)才會響應(yīng)P擋信號，從而切斷整車動力。為了防止車輛行駛過程中出現(xiàn)跳擋或換擋過快，設(shè)定換擋手柄需要在待切換擋位停留0.5s以上才能正常進(jìn)行擋位切換，否則視為換擋過快或跳擋，將保持原擋位狀態(tài)不變［7-8］。

圖6 控制邏輯模型圖

2.3 自動代碼生成

通過MATLAB/Simulink建立整個控制系統(tǒng)的模型，采用Embedded Coder自動代碼生成功能，將電子換擋系統(tǒng)控制模型（圖7）經(jīng)編譯后自動生成的代碼刷寫進(jìn)SCU中，然后使用Vector CANoe所建立的測試環(huán)境對換擋手柄信號的控制與故障處理進(jìn)行測試。

圖7 電子換擋模型

3 電子換擋系統(tǒng)測試

仿真測試界面如圖8a所示，采用Vector CANoe設(shè)置仿真測試界面，并將VN1630作為CAN信號收發(fā)監(jiān)控設(shè)備與S32K144控制器進(jìn)行連接，CAN通信速率設(shè)置為500kb·s?1，通過Panel中的控件對信號進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，由Trace對信號進(jìn)行實時分析。模型經(jīng)編譯自動生成C代碼并被刷寫進(jìn)S32K144主控制器后，將VT2004A激勵模塊連接至S32K144主控制器，再通過VN1630對設(shè)備之間進(jìn)行互連，然后使用Vector CANoe軟件控制VT2004A模塊產(chǎn)生激勵電壓以模擬傳感器信號對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)測試，其測試結(jié)果如圖8b所示。

圖8 電子換擋系統(tǒng)測試

系統(tǒng)上電默認(rèn)處于P擋狀態(tài)，在系統(tǒng)運行至11s時請求掛入D擋，但此時尚未踩下制動踏板，控制器不響應(yīng)D擋信號，待系統(tǒng)運行至16s制動踏板被踩下時控制器才響應(yīng)D擋信號，成功掛入D擋。在系統(tǒng)運行至35s時，駕駛員請求掛入R擋，但此時系統(tǒng)處于D擋且車速為40km·h?1，因此為保證車輛正常行駛，控制器保持D擋狀態(tài)，不響應(yīng)R擋信號，禁止D擋與R擋之間進(jìn)行互相切換。在系統(tǒng)運行至55s時，請求掛入P擋進(jìn)行駐車動作時，車速仍處于40km·h?1且駕駛員沒有踩下制動踏板，此時控制器不響應(yīng)P擋信號，待系統(tǒng)第64s駕駛員踩下制動踏板且車速降至5km·h?1時，控制器響應(yīng)P擋信號，成功掛入P擋直至車輛駐車。最終測試結(jié)果表明，整個模型程序能夠按照預(yù)先設(shè)定的控制邏輯正常運行，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

文中設(shè)計的電子換擋系統(tǒng)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及CANoe測試界面都能正常工作，滿足要求，且具有一定的擴展性?；谀Ｐ驮O(shè)計的軟件控制程序，可以正確按照控制邏輯分類處理因系統(tǒng)硬件和人為誤操作而產(chǎn)生錯誤擋位信號，保證了擋位信號的可靠性。