汽车总线网络实验系统开发

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摘要：为满足汽车电子电器控制技术实验教学的需要，设计开发了汽车总线网络实验系统。将CAN总线控制技术运用到实验教学中，完成汽车总线网络实验系统建模、发动机电控ECU软硬件框架与逻辑设计，开发人机交互系统，实现理论教学与虚拟仿真实验教学的良好结合。利用该系统，可以开展各类实践性、探索性及创新性实验，有效地提高了学生的实践能力和分析解决复杂工程问题的能力。

关键词：实验教学；汽车总线网络；汽车电控

实验教学是高校教学活动中的重要环节，在深化理论知识、培养学生动手能力、增强创新能力等方面具有不可替代的作用。汽车电子电器控制技术作为车辆工程专业的必修课，重点介绍底盘、车身电子控制设备的基本理论、基本组成、工作过程和控制原理。实验课作为车辆工程专业的重要教学环节，实验项目设置的系统性直接影响学生的培养质量[1-3]。随着汽车技术的不断进步，现代汽车已全面采用车载网络控制系统。因此，开发汽车总线网络实验系统并应用于实验教学，可以提升汽车电子电器控制技术实验项目设置的系统性[4-5]。同时配合理论教学，实现车辆工程专业学生的理论教学与实践能力的融合培养，达到“理实一体化”，提升教学质量和学习效果[6-8]。本文在充分了解社会需求、明确车辆工程专业学生能力培养目标的前提下，从教学内容和教学手段两方面开展汽车总线网络实验系统研究与设计。在教学内容上，紧跟汽车技术发展步伐，将汽车总线控制技术及时地运用到教学中；在教学手段上，充分考虑教师的个体化教学差异，提供多种可供选择的教学手段，保证教学效果。通过汽车总线网络实验系统，借助人机交互界面，开展整车控制等内容的实验教学，调动学生的积极性，提高实验效率，培养学生的实践能力和创新能力。

1功能需求分析

车载网络控制系统已应用于现代汽车的各个功能部件，如灯光仪表控制、发动机电控系统、防盗系统以及整车电器等。汽车总线网络实验系统的开发设计，要结合顶层设计和社会需求，确定培养什么样的人才，制订专业培养计划和能力培养要求，进行系统设计及完成建设方案，开设相关的实验项目[9]。根据功能需求，汽车总线网络实验系统应具备可视化的整车电控系统原理图、电路图及各功能部件，充分展示各功能部件的结构组成和工作原理，并能实现实车功能模拟、动态演示工作过程和操作方法，使学生能够通过外接检测设备对系统的各类传感器、执行器及电控单元的信号进行检测、数据流读取以及波形分析，实现深化理论知识、提升动手能力、完成实验要求的培养目标。

2系统设计与开发

2.1CAN总线建模

汽车总线网络实验系统包含6大功能模块，分别为组合仪表、转向灯控制单元、舒适系统中央控制单元、发动机电控ECU、网关以及车窗门锁模块，图1为搭建的汽车总线网络实验系统框架。以舒适系统中央控制单元对车窗门锁的控制为例进行建模，以BCM整车控制器作为CAN主节点，连接汽车各个车窗门锁控制器、尾门控制器、后视镜控制器等信号采集器6个从节点，实现车门、车窗的集中控制，舒适CAN总线车窗门锁控制建模如图2所示。

2.2电控ECU硬件框架与软件逻辑设计

以发动机电控ECU为例，设计控制系统硬件框架与软件逻辑。电控ECU能够实现进气道喷射式四缸汽油机的运行控制，测试电子油门、节气门开度、进气压力、进气温度、蓄电池电压等传感器的信号，实现电子节气门、汽缸的喷油及点火、油泵继电器等的控制。电控ECU控制指令通过CAN通信控制执行器，实现喷油量、点火时刻、喷油提前角等控制参数的在线修改。基于上述功能需求，笔者搭建了如图3和图4所示的发动机电控ECU硬件框架与软件逻辑。

2.3人机交互系统开发与设计

虚拟仿真实验平台的一大特点是实现人机交互操作，使实验者由被动地观察变为主动地参与。人机交互系统主要用于实现系统中不同层次的信息交换和控制。外部交互设备包括门锁、车窗、灯光等开关，以及油门和制动踏板、换挡把手等，用来采集实验者的操作输入信号，并将采集的信号输入搭建的整车总线网络模型中。利用MATLAB/GUI设计开发的上位机软件，实现实验者与所开发平台的交互。通过人机交互系统，学生能够直观地看到当前系统执行状态以及变量数据，并可以对这些数据进行编辑与修改，而且编辑后的数据可重新写入控制系统，从而达到通过修改控制参数来观察系统执行状态的目的。同时，控制器将收到的控制信号处理后，及时反馈系统获取的传感器数据，并传输到人机交互界面中，如图5所示。

3系统特色与创新

针对高校普遍存在的实验教学设备相对落后，结合汽车电控的行业特点，不断吸收先进的汽车电控技术与最新的教学实践成果，开发了汽车总线网络实验系统。通过该系统，将学生的技术应用能力和理论基础有机结合，实现实验课与理论课的深度融合。以工程教育专业认证和新工科人才培养为导向，融入CAN总线控制技术的车载网络控制系统，有效地培养了学生的实践能力、分析问题能力以及解决复杂工程问题的能力，适用于当前车辆工程专业的电子电器实验教学[10]。

4结语

基于专业人才培养和专业建设需求，设计开发了汽车总线网络实验系统，将汽车电控新技术及时地运用到教学中，满足汽车电子电器控制实验教学需求。通过该系统，可以开展各类实践性、探索性及创新性实验，加深学生对汽车总线网络的理解。同时，在实验过程中积极引导学生探索创新，调动其实验积极性，提高了实验效率。

作者:李臣旭 江浩斌 耿国庆 嵇乾 单位:江苏大学汽车与交通工程学院