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摘要:為滿足汽車電子電器控制技術實驗教學的需要,設計開發了汽車總線網絡實驗系統。將CAN總線控制技術運用到實驗教學中,完成汽車總線網絡實驗系統建模、發動機電控ECU軟硬件框架與邏輯設計,開發人機交互系統,實現理論教學與虛擬仿真實驗教學的良好結合。利用該系統,可以開展各類實踐性、探索性及創新性實驗,有效地提高了學生的實踐能力和分析解決復雜工程問題的能力。
關鍵詞:實驗教學;汽車總線網絡;汽車電控
實驗教學是高校教學活動中的重要環節,在深化理論知識、培養學生動手能力、增強創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作為車輛工程專業的必修課,重點介紹底盤、車身電子控制設備的基本理論、基本組成、工作過程和控制原理。實驗課作為車輛工程專業的重要教學環節,實驗項目設置的系統性直接影響學生的培養質量[1-3]。隨著汽車技術的不斷進步,現代汽車已全面采用車載網絡控制系統。因此,開發汽車總線網絡實驗系統并應用于實驗教學,可以提升汽車電子電器控制技術實驗項目設置的系統性[4-5]。同時配合理論教學,實現車輛工程專業學生的理論教學與實踐能力的融合培養,達到“理實一體化”,提升教學質量和學習效果[6-8]。本文在充分了解社會需求、明確車輛工程專業學生能力培養目標的前提下,從教學內容和教學手段兩方面開展汽車總線網絡實驗系統研究與設計。在教學內容上,緊跟汽車技術發展步伐,將汽車總線控制技術及時地運用到教學中;在教學手段上,充分考慮教師的個體化教學差異,提供多種可供選擇的教學手段,保證教學效果。通過汽車總線網絡實驗系統,借助人機交互界面,開展整車控制等內容的實驗教學,調動學生的積極性,提高實驗效率,培養學生的實踐能力和創新能力。
1功能需求分析
車載網絡控制系統已應用于現代汽車的各個功能部件,如燈光儀表控制、發動機電控系統、防盜系統以及整車電器等。汽車總線網絡實驗系統的開發設計,要結合頂層設計和社會需求,確定培養什么樣的人才,制訂專業培養計劃和能力培養要求,進行系統設計及完成建設方案,開設相關的實驗項目[9]。根據功能需求,汽車總線網絡實驗系統應具備可視化的整車電控系統原理圖、電路圖及各功能部件,充分展示各功能部件的結構組成和工作原理,并能實現實車功能模擬、動態演示工作過程和操作方法,使學生能夠通過外接檢測設備對系統的各類傳感器、執行器及電控單元的信號進行檢測、數據流讀取以及波形分析,實現深化理論知識、提升動手能力、完成實驗要求的培養目標。
2系統設計與開發
2.1CAN總線建模
汽車總線網絡實驗系統包含6大功能模塊,分別為組合儀表、轉向燈控制單元、舒適系統中央控制單元、發動機電控ECU、網關以及車窗門鎖模塊,圖1為搭建的汽車總線網絡實驗系統框架。以舒適系統中央控制單元對車窗門鎖的控制為例進行建模,以BCM整車控制器作為CAN主節點,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個從節點,實現車門、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計
以發動機電控ECU為例,設計控制系統硬件框架與軟件邏輯。電控ECU能夠實現進氣道噴射式四缸汽油機的運行控制,測試電子油門、節氣門開度、進氣壓力、進氣溫度、蓄電池電壓等傳感器的信號,實現電子節氣門、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通信控制執行器,實現噴油量、點火時刻、噴油提前角等控制參數的在線修改。基于上述功能需求,筆者搭建了如圖3和圖4所示的發動機電控ECU硬件框架與軟件邏輯。
2.3人機交互系統開發與設計
虛擬仿真實驗平臺的一大特點是實現人機交互操作,使實驗者由被動地觀察變為主動地參與。人機交互系統主要用于實現系統中不同層次的信息交換和控制。外部交互設備包括門鎖、車窗、燈光等開關,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絡模型中。利用MATLAB/GUI設計開發的上位機軟件,實現實驗者與所開發平臺的交互。通過人機交互系統,學生能夠直觀地看到當前系統執行狀態以及變量數據,并可以對這些數據進行編輯與修改,而且編輯后的數據可重新寫入控制系統,從而達到通過修改控制參數來觀察系統執行狀態的目的。同時,控制器將收到的控制信號處理后,及時反饋系統獲取的傳感器數據,并傳輸到人機交互界面中,如圖5所示。
3系統特色與創新
針對高校普遍存在的實驗教學設備相對落后,結合汽車電控的行業特點,不斷吸收先進的汽車電控技術與最新的教學實踐成果,開發了汽車總線網絡實驗系統。通過該系統,將學生的技術應用能力和理論基礎有機結合,實現實驗課與理論課的深度融合。以工程教育專業認證和新工科人才培養為導向,融入CAN總線控制技術的車載網絡控制系統,有效地培養了學生的實踐能力、分析問題能力以及解決復雜工程問題的能力,適用于當前車輛工程專業的電子電器實驗教學[10]。
4結語
基于專業人才培養和專業建設需求,設計開發了汽車總線網絡實驗系統,將汽車電控新技術及時地運用到教學中,滿足汽車電子電器控制實驗教學需求。通過該系統,可以開展各類實踐性、探索性及創新性實驗,加深學生對汽車總線網絡的理解。同時,在實驗過程中積極引導學生探索創新,調動其實驗積極性,提高了實驗效率。
作者:李臣旭 江浩斌 耿國慶 嵇乾 單位:江蘇大學汽車與交通工程學院