用在Pistenbully雪坡修整车中的CAN

任何曾经参与过冬季运动的人士都不会对它们感到陌生：雪坡修整车不知疲倦地修正滑雪斜坡并将货物运送到高山站，或将伤员安全地转移到山谷中。它们不仅是特殊类型的全地形履带式车辆，而且也是重型车辆建造中真正的高性能精品。车辆的电子设备对于实现这些机器难以置信的本领起着至关重要的作用。这篇技术文章深入考察了由凯斯鲍尔公司制造的最新一代PistenBully雪坡修整车的车辆技术、开发过程和开发工具。

极端条件 – 最高安全性

PistenBully面临的技术挑战是应对寒冷、大雪和夜间条件下作业时身处6,000 m的高度可能遭遇到的许多极端恶劣的状况。机器能够在倾角达45°的斜坡上向任何方向移动，通过其multiflex刮板作业效率可达到96,000 m2/h。车辆的设计理念着重体现可靠性、安全性和低疲劳度驾驶控制、支持智能化的自动操作功能。在这里起作用的专用功能件包括防刺穿挡风玻璃、众多工作指示灯、探照灯和作业灯、后部摄像机和全转式液压钢丝绳卷筒。
新型PistenBully 600雪坡修整车由梅赛德斯-奔驰公司的12缸8升排量发动机提供动力，该款发动机输出功率为295 kW (400马力)、扭矩高达1,900 Nm，配备具备极限负荷控制功能的发动机控制器。不带断路离合器的两台独立式静液压传动回路负责控制左右驱动器。每台驱动器的初始速度连续可变，且驱动器可反向运转。在众多功能中，这一功能使得全电子转向系统能够支持在合适位置转弯、预选择驱动方向以及减速。简单的脚踏板用于加速或减速(制动)，即没有工作制动。“转向主动性”可根据驾驶速度而发生变化，所以转弯半径不受影响。车轮传感器以及直线和均匀曲线控制可精确地维持理想的驾驶分布图，甚至是不对称的分布图。
如果不借助电子设备或由CAN实现的大范围车辆联网(包括车辆的分散控制结构)，在复杂的车辆部件之间实现任何有意义的相互作用都是不可想象的。车辆电子设备无处不在、随时待命：从转向到发动机和液压系统控制、车辆导航功能、操作数据采集的执行控制和功能、远程信息处理技术以及GPS。将所有电子和机械部件集成到一个控制模块中，这大大降低了布线成本。几乎所有的通讯都通过五根CAN总线中的两根首要总线CAN1和CAN2来进行传输。而总线CAN3则用于车队管理的外部通讯，总线CAN4和CAN5系统保留备用，以便在技术上能够满足未来功能的需要。此外，CAN总线还可用于软件升级、参数配置以及测量系统。
PistenBully雪坡修整车通用的PSX控制模块负责集中控制所有的功能，例如性能和动力管理、发动机控制、驱动泵和耙雪泵的液压技术、工作液压设备的液压油流动分布(前后)以及对所有传感器和执行器的监测。它性能还可通过“中央电子设备”单元得到增强，该单元除提供众多具有诊断功能和短路保护的输入/输出外，还集成了其它功能，例如中央锁定、RF远程控制、照明控制和12 V电压转换器。

首要总线系统CAN1和CAN2

驾驶舱控制和显示元件连接到内部车辆总线(CAN1)。除符合人体功效学的半圆形方向盘外，这些还包括带触摸屏的多功能显示器、圆形CAN仪表、集成在扶手和操纵杆上的终端控制中心(TCC)。CAN2充当发动机控制和阀门控制以及传感器界面的传感器-执行器总线。通过CAN对液压阀进行全面控制，即无需辅助的模拟或数字I/O信号。在传感器/执行器总线上，所谓的多重模块可提供输入通道、数字输出、PWM输出以及桥接输出。同时凯斯鲍尔公司利用其内部的KGF协议作为CAN1功能总线的协议；而对于CAN2，将J1939协议用作动力传动系的协议。基于SAE J1939的标准化驱动管理的优势可移植到独立于车辆生产商的外部供应商的部件中，包括配套的诊断系统。对于功能性而言，专有协议专门用于防止未授权的操作控制，同时又能保护技术诀窍。这就是决定在ECU应用中放弃使用CCP (CAN标定协议)标准的原因。通过笔记本电脑可使CAN总线系统实现参数化以及对其进行诊断。如果X-by-wire系统出现故障 - 即转向电位计、驱动方向按钮或脚踏板出现故障，那么驱动性能不受影响。如果发动机出现紧急状况，车辆可关小油门以5 km/h的低速安全驶回到山谷中。即使两根CAN总线都失灵，PistenBully雪坡修整车通过脉冲宽度调制信号仍能控制行驶。

从模拟仿真到真实电子设备

涉及所有控制模块的软件开发和车辆校准全在凯斯鲍尔公司完成。这一点可以让来自Laupheim的生产商灵活地适应新的操作状况。由于软件和电子功能日趋复杂，对于像PistenBully雪坡修整车这样大型项目的开发者，他们也必须依赖于强大的工具来进行软件开发。在整个开发过程中，实现设计功能、试验以及对子系统和整个系统的模拟仿真很重要。这为来自Vector的J1939选项提供了大显身手的机会。CANoe作为开发和仿真工具，其功能可覆盖对单个网络节点的仿真一直到试验和诊断，再到对整个CAN网络的再现。在整个开发过程中，以初步研究纯粹的虚拟模型作为开始，虚拟模型可一步步地逐渐被真实的硬件所代替。这种情况下，通过OSEK仿真中的虚拟ECU来执行车辆功能。在众多功能中，这一功能可实现对虚拟传感器和执行器状态的显示和控制。也可以自动生成相关的控制面板。

开发时间

在凯斯鲍尔公司，有些情况下使用软件工具是为了模拟总线负荷、充当测量工具以及通过专有的KGF协议使ECU实现参数化。例如在温度试验、EMC试验以及阀门控制的反应试验中，开发者使用此协议来生成诊断和设置信息，这有助于开发者为车辆的精益生产保留解决方案。在没有使用真实的液压泵、阀或电机的情况下，只用了极短的时间便完成了PistenBully雪坡修整车中双通道风扇控制的开发。在这些例子中，工具逼真地模拟了所有必需的CAN节点、传感器信号和ECU信息。在ECU设置中，通过内部的Flash协议，软件能够访问EEPROM的内容。使用集成的编程语言CAPL (通讯访问编程语言)，很容易进行编程。储存在硬盘驱动器上的EEPROM数据能随时被加载到控制器中。

开发工具的实时功能

一位雇员解释道：“作为开发者，我们依赖于良好的工具，CANoe的可靠性非常棒！实时功能对我们尤其重要。我们已经有过在其它项目上使用类似软件的负面教训。我们花费数日进行故障诊断，最后却发现工具只是不能与我们的采样率要求保持同步而已，而这导致了许多错误结果。”经常要用到的内部用户界面、面板和其他工具通常都在凯斯鲍尔公司内部使用Borland C++进行了编程。即使在这些自定义开发中，软件数据库也始终充当基础作用。此外，它还为和供应商进行最佳合作提供了便利，因为可以事先测试组件性能。PistenBully雪坡修整车开发者唯一感到遗憾的是，并非所有的系统供应商都提供其产品的CANoe模拟仿真或在早期提供。另一个重要方面是工具的机动性。由于雪况不断变化，通常只能在山上就地对传动系统进行微调。当完善应对各类坡面状况的控制回路以及使它们适应当地条件显得很重要时，运行在笔记本电脑中的软件工具就体现出其价值了：它是一种高效的移动式诊断和测量实验室。通过连接到CAN诊断插头的编程PC，车辆可随时实现完全参数化。对于每辆PistenBully雪坡修整车，都有一台车辆电子记录仪，可全程记录软件升级、每个部件的寿命、当前软件级别等。可以随时恢复到出厂状态。如果客户遇到问题，板载诊断系统可通过驾驶舱显示器提供快速而方便的故障定位。所有的液压功能、传感器和执行器都被设计成可用电子仪器进行诊断。车内故障诊断所需的全部物品就是一张电路图和显示器；不需要其他设备。错误历史和错误次数被储存在默认的存储器中。