基于仿真技术的客车电子电气架构开发研究

林明（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450016）

基于仿真技术的客车电子电气架构开发研究

林明
（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450016）

针对客车电子电气系统配置复杂、种类繁多、开发要求时间短的特点，提出基于仿真技术的开发方法，并结合客车网络架构开发的实例，使用CANoe对客车网络进行建模和仿真，通过反复迭代测试，对网络架构进行优化设计。

电子电气架构；仿真技术；网络架构

客车产品定制化程度高，开发和生产均采用小批量、多品种模式，导致电子电气系统开发时间长、效率低和成本高。仿真分析是汽车电子电气开发中的一项重要技术，通过合理有效的仿真分析，可以加快开发进度，节约开发成本［1］。本文介绍基于仿真技术的客车电子电气架构开发研究，并针对客车企业比较关心的整车网络架构设计进行仿真应用举例。

1　 EEA设计方法

从戴姆勒-奔驰汽车公司的技术人员开发出世界首款基于电子电气架构（简称EEA）概念的汽车，EEA的开发模式在国外主流的整车厂得到普及。欧美的乘用车和商用车开发部门均采用平台化的EEA设计方法［2］，而且形成了自己独有的工具链和方法［3］。国内乘用车EEA起步较晚，基本上都还处于摸索阶段［4］，商用车基本还未涉足。电子电气架构涉及到的内容有电气系统设计、功能安全评估、功能逻辑设计、网络架构设计、线束设计以及零部件规范设计等（见图1）。如按照传统的设计方法进行各个部分的设计，设计周期长，人力物力投入大，效率低，很难适应现代客车行业的开发速度。因此，笔者通过引入仿真技术以及工具链解决以上问题。

如图1所示，EEA设计的各个阶段可使用相应的工具进行建模和仿真：使用PREEvision进行总体架构设计［5］。该软件是一个基于图形的模型设计及开发工具，用于电子电气系统的可视化开发和评估，具有良好的版本管理以及产品发布和变更管理功能；电气系统、线束设计和仿真使用CHS以及Catia；功能逻辑建模和仿真一般使用Matlab的Simulink工具箱；通信和诊断架构设计、仿真和测试使用Vector公司的CANoe和CANstess工具。EEA的各个部分设计均可通过相应的软件进行建模仿真和测试［6］，从而形成基于仿真技术的电子电气架构开发方法。本文以国内车企普遍关心的网络架构设计为例进行详细分析。

2　仿真研究和应用

网络架构开发的流程主要包括：需求分析与开发、架构设计、软件仿真/半实物仿真、性能测试、方案输出等步骤。各个开发阶段使用的工具如图2所示。

2.1需求分析与开发

通过对需求人群的调研，并根据市场状况及对未来市场的评估，确定待开发车型的定位、风格、销售地区、市场前景等内容。该定位决定了后续对标工作的车型以及网络架构的复杂程度，确定了对标车型后，需要对对标车型的网络拓扑、信号分布和定义等进行细致的拆解，并绘制出对标车型的网络架构。另外，网络架构的专家还需要共同制定评判准则，其作用是用于网络架构建模之后的模型评估与变型比较。

2.2架构设计

在需求分析之后，综合客车行业的法规要求，并充分考虑整车电子技术发展的趋势、车辆功能的扩展等因素，设计出适应自身需求的整车网络架构系统。图3是某车型的网络拓扑图。

该架构将整车网络划分为6路CAN网络，分别为动力CAN网络、底盘车身CAN网络、人机交互CAN网络、信息CAN网络、车联网CAN网络以及诊断CAN网络。6路CAN网络主要通过中央控制器进行数据交换，实现信息共享；信息CAN网络中使用车联网终端作为网关，实现车联网设备与整车网络的隔离以及信息交互。中央控制器作为整车网络的核心，实现了车辆各智能部件的系统性管理。主要功能：管理整车网络、融合和共享车联网、车内网与车际网信息；管理整车综合性能，全局优化客车性能目标，实现整车性能管理功能；管理整车控制系统执行机构，通过网络实现执行机构控制，实现整车控制功能。

2.3软件仿真/半实物仿真

初始的网络架构设计完成后，如果立即着手进行各个控制器的开发，若网络架构设计不合理，将会存在大量的返工工作。因此，先引入软件仿真/半实物仿真的方法对网络架构进行建模，并在CANoe模拟的网络环境下进行网络功能和性能测试。CANoe是德国Vector公司开发的一个网络集成开发环境，具有网络建模、网络仿真、监听和分析的功能，适用于基于CAN、LIN等协议开发的网络；接入CANoe环境中的节点，既可以是物理节点，又可以是仿真节点。在设计之初，没有任何实物节点。因此，采用纯软件仿真形式；在部分节点完成开发后，具备部分调试条件的情况下，可以进行半实物仿真。如图4所示。

根据前述设计的网络架构以及仿真的型式，在CANoe中建立模拟的网络架构模型，最终配置成的仿真模型如图5所示。在这个仿真系统中包括有中央控制器、车身控制器、仪表、行驶记录仪等电控单元，节点可根据纯软件仿真或者半实物仿真配置在线或者离线状态。

在对网络架构建模时，可以利用CANdb建立网络消息库。CANdb是集成在CANoe环境中的数据库操作工具，利用它可以把网络架构中应用层定义的消息参数引入到CANoe的开发环境中，每一个数据帧以消息的形式定义，而数据帧中的参数以信号的形式定义。CANoe开发环境中也自带了大量的标准数据库，如在项目设计中引入了开发环境自带的标准J1939数据库，可以大大节省开发时间。

在图5中的模型建立后，已经有了网络架构的轮廓，但是各个节点中并没有控制逻辑，需要利用CAPL语言对节点仿真。CAPL语言是一种类C的编程语言，用它可以对每一个虚拟节点进行编程，CAPL语言编写的程序是事件触发的程序。它的触发事件诸如总线上的消息、环境变量、键盘输入或者定时器的溢出，而对于一个事件的响应可能是向总线发送消息或者改变环境变量的值。另外，为了仿真测试中的便利性，利用Panel Designer编辑出操作面板，如图6所示。CANoe自带的PanelDesigner用来创建和编辑图形化的操作面板和状态显示，用户可以利用其自带的文本框、开关、按钮、进度条、仪表盘等组件创建良好的用户交互界面。

仿真/半实物仿真的网络架构搭建完成后，就可以对整个网络进行调试和测试。测试内容包括消息的频率、数据通信情况、总线数据的动态跟踪、负载率等，如实时地跟踪总线上的数据，显示总线上数据的标识符、帧名称、传输方向、数据长度和数据内容等，验证各个帧数据的发送间隔时间，检查与定义是否相符；分析网络的平均负载率以及峰值负载率，对网络负载进行优化和均衡，如图7所示。另外，还可以利用CANstress对网络的健壮性进行测试［7］，从而分析出该网络架构的性能优劣。根据仿真测试的结果，反复迭代建模和测试过程，发现架构设计中存在的问题，对网络架构方案不断地调整和优化，确保最终达到最优的网络架构，将该架构输出成设计文档，并分配给各个零部件供应商用于实物开发。

3　结束语

为了实现客车电子电气的安全可靠运行，需要大量的人员和车辆的参与，时间长、成本高、效率低；而通过在客车电子电气开发中引入仿真的方法，实现设计与仿真测试的反复迭代，提前发现并解决问题，缩短了开发周期，提高了设计质量，降低了开发成本。

［1］雍建军，章一舫.仿真技术在汽车电子设计中的应用［J］.汽车电器，2010，（5）：8-11.

［2］Joachim Lassmann.商用车电气电子（E/E）架构现状与全球趋势［J］.商用汽车，2009，（3）

［3］李白.技术整合的解决之道德尔福派克电气罗伯特·赛德勒谈汽车电子电气架构［J］.汽车与配件，2010，（16）：22-23.

［4］刘明辉.本土整车企业要掌握E/E架构和动力总成电子［EB/OL］.盖世汽车网，2010-03-16.（2010-03-16）http：//auto.gasgoo. com/News/2010/01/11090358358146376125.shtm l

［5］VECTOR Informatik.PREEvision_Release Notes_7. 0.1_EN.Germany：Vector Informatik GmbH.

［6］VECTOR Informatik.CANoe Help Files About CANdb++ and PanelDesigner.Germany：Vector Informatik GmbH.

［7］VECTOR Informatik.CANstress_Manual_EN.Germany：Vector Informatik GmbH.

修改稿日期：2015-06-03

Research on Developmentof Electronic&ElectricalArchitecture for Bus/Coach Based on Simulation Technology

Lin Ming
（Zhengzhou Yutong BusCo.，Ltd，Zhengzhou 450016，China）

According to the characteristics with comp lex configurations，many varieties，short development time of the bus/coach electronic&electricalsystem，the author proposes the developmentmethodsbased on thesimulation technology，and combineswith theexampleofabusnetwork architecture developmenttouse CANoe for itsmodeling and simulation.Through repeated iteration tests，thestructuredesign of thebusnetwork isoptimized.

electronic and electricalarchitecture；simulation technology；network architecture

U463.61

B

1006-3331（2015）04-0011-03

林明（1980-），男，架构师；主要从事商用车车联网、客车电子电气架构设计与研发工作。