（控制科学与工程专业论文）基于vc的电动汽车实验数据分析系统设计.pdf

摘要 2 1 世纪，汽车的发展已经全面进入电子信息时代，汽车电子的发展决定着 各国在世界汽车行业中的地位，对于电动汽车的研究已经成为工业发达国家的 研究重点，如何实现电动汽车的最优控制已近成为一个热点问题。 本文先介绍了电动汽车的研究背景与意义，分析了电动汽车的国内外发展 状况、发展前景，并介绍了数据分析技术，由此提出了本文的研究内容本 文是主要针对四轮驱动电动汽车控制系统的需要，开发上位机实验数据分析软 件。 然后，根据系统的功能需求确定了系统的总体方案，并将系统分为三个模 块：实验数据录入与显示模块、实验数据处理模块、控制器参数整定与仿真模 块。并根据系统需要确定以v c + + 的作为系统开发平台，m a t l a b 实现后台数据处 理，充分发挥v c + + 与m a t l a b 混合编程的强大优势。 在实验数据录入与显示模块中，根据以上四轮驱动电动汽车的控制理论基 础，详细的介绍了四轮驱动电动汽车数据分析系统在v c + + 环境下的编程步骤， 包括使用c s e r i a l p o r t e x 串口类实现串口通信，通过a c c e s s 建立数据库，利用 o d b c 技术实现四轮驱动电动汽车的历史数据的显示，使用m s c h a r t 实现速度实 时动态显示。 在实验数据处理模块中，根据电动汽车结构机械传动装置和与电动机 输出轴有运动学联系的传动轴及主减速器和减速齿轮传动箱或变速器等机械装 置，分析出电动汽车的动力学方程，并详细介绍了四轮驱动电动汽车的实验数 据处理模块设计方法和步骤，以及v c + + 与m a t l a b 混合编程在系统中的应用。 在控制器参数整定与仿真模块中，基于一阶控制系统的f o l p d 模型，根据 采集来的数据用最小二乘法拟合系统模型，并得出理论的系统传递函数。然后 利用薛定宇老师编写的p i d 控制器工具箱来确定四轮驱动电动汽车的控制方案， 找出不同控制器的控制参数，并得出仿真曲线，最后详细介绍了控制器仿真参 数整定与仿真模块的设计步骤与设计方法。 关键字：电动汽车，v c + + ，m a t l a b ，串口通信，控制 a b s t r a c t t h e21s tc e n t u r y t h ed e v e l o p m e n to fc a rh a se n t e r e dt h ee l e c t r o n i ci n f o i t f l a t i o n a g e a n dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e sd e t e r m i n e st h es t a t e h o o di nt h ew o r l do f a u t o m o b i l ei n d u s t r y n o w e l e c t r i cv e h i c l er e s e a r c hh a sb e c o m et h ef o c u so ft h e d e v e l o p e di n d u s t r i a lc o u n t r i e s h o wt oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lo fe l e c t r i cv e h i c l e sf o r a l m o s tb e c o m eah o ti s s u e f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ed e s c r i b e sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ee l e c t r i c v e h i c l e ，a sw e l la sd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s ，a n dp r o p o s e d t h e n ，i n t r o d u c ed a t a a n a l y s i st e c h n i q u e sa n dt h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri ti sd e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a l d a t aa n a l y s i ss y s t e ma i m e da tf o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l ei nt h el a b s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sd e t e r m i n et h e s y s t e m so v e r a l lp r o g r a m a n dt h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ：e x p e r i m e n t a l d a t ae n t r ya n dd i s p l a ym o d u l e 。t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i sm o d u l e t h ec o n t r o l l e r p a r a m e t e rt u n i n ga n ds i m u l a t i o nm o d u l e t h es y s t e md e t e r m i n e dt h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mu s i n gv c + + ，d a t ap r o c e s s i n gt oa c h i e v eu s i n gm a t l a b ，a n dg i v ef u l lp l a y t ot h em i x e dw i t hv c + + a n dm a t l a bp o w e r f u la d v a n t a g e i nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ae n t r ya n dd i s p l a ym o d u l e a c c o r d i n gt ot h ea b o v e f o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o lt h e o r y d e s c r i b e dt h ef o u r - w h e e ld r i v e e l e c t r i cv e h i c l ed a t aa n a l y s i ss y s t e mi nt h ev c + + p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t s t e _ p s ，i n c l u d i n gi m p l e m e n t so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nu s i n gt h ec s e r i a l p o r t e xs e r i a l c l a s s ，t h eb u i l d i n go fd a t au s i n ga c c e s s ，t h ed i s p l a yo ft h ef o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i c v e h i c l eh i s t o r yd a t au s i n go d b c d y n a m i cd i s p l a yo fs p e e du s i n gm s c h a r t i nt h et h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i sm o d u l e ，a c c o r d i n gt oe l e c t r i cc a rs t r u c t u r e m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nd e v i c e sa n dt h em o t o rd r i v es h a f ta s s o c i a t e dw i t ht h eo u t p u t s h a f tk i n e m a t i c sa n dt h em a i nr e d u c t i o ng e a rr e d u c e ra n dt r a n s m i s s i o ng e a rb o xo r o t h e rm e c h a n i c a ld e v i c e s ，t oa n a l y z et h ed y n a m i ce q u a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e s ，a n d t h e nd e t a i l so ft h ef o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no f m o d u l a rd e s i g nm e t h o d sa n ds t e p s a sw e l la st h em i x e da p p l i c a t i o nb e t w e e nv c + + w i t hm a t l a b i nt h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e rt u n i n ga n ds i m u l a t i o nm o d u l em o d u l e ，b a s e do n f o l p dm o d e la n dd a t ag a t h e r e du s i n gl e a s ts q u a r e sf i t t i n gm o d e l a n di ti sc o n c l u d e d t h a tt h es y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o na p p r o a c h t h e nu s i n gt h ep i dc o n t r o l l e rb o xw r o t e b yx u ed i n g y ut os e a r c h e dt h ew a y so ft h ef o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l e a n df i n d t h ed i f f e r e n tc o n t r 0 1p a r a m e t e r s ，a n dg i v e st h es i m u l a t i o nc 1 1 r v e ，t h e nd e t a i l so ft h e c o n t r o l l e rs i m u l a t i o na n dp a r a m e t e rt u n i n gm o d u l ed e s i g ns t e p so fd a t aa n a l y s i sa n d d e s i g nm e t h o d s k e yw o r d s ：f o u r - w h e e l d r i v ee l e c t r i cv e h i c l e ， v c + + ，m a t l a b ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：姚7 乙导师 ( 签名) ： 日期：劲d e 弓7 武汉理j t ：入学硕十学t i ) = 论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车研究背景及意义 当今，汽车一直是人们的日常生活中不可缺少的部分，已经有越来越多的 人驾驶了这个方便的交通工具，然而，如何更好更安全的驾驶汽车则是人们普 遍关心的问题。随着现代汽车工业技术的不断向前发展，人们对汽车各种性能 的要求越来越高。汽车的电控四轮驱动技术能够根据前后轴的转速等信息，控 制并分配前后轴驱动力，使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶稳定性。 为了改善和提高汽车的性能，需要对汽车的许多系统进行优化控制，由于 计算机具有结构紧凑、工作可靠、功能强大、响应快速和价格低廉等优点，特 别适宜于作为汽车计算机控制系统的控制器。所以，计算机技术的发展为汽车 实现计算机控制提供了技术支持和保证，汽车计算机控制n ，已经成为汽车的一个 主要发展方向。汽车实现计算机控制不仅可以改善和提高汽车的控制质量，还 可以扩展汽车的控制内容，所以，目前的汽车已有很多系统实现了计算机控制， 而且越来越多的汽车采用了计算机控制系统。为了适应汽车大批量多样化的生 产特点，汽车计算机控制系统正朝着标准化、小型化和集成化的方向发展，由 于汽车结构和性能的复杂性和关联性，汽车计算机控制系统实现网络化也是必 然的发展方向。 目前，汽车计算机控制已经涉及到动力性、安全性、可靠性、经济性、净 化性和舒适性瞻1 等诸多方面。然而，四轮驱动电动汽车中如何实现电动汽车的最 优控制已成为世界汽车业热点关注的问题。 电动汽车口1 是指把驱动电机安装在轮毂上形成电动轮直接驱动车轮电动汽 车。四轮驱动技术h 1 也称为f o u rw h e e ld r i v e 技术，简称4 w d 。这种技术是汽 车前后轮子都有驱动力，可以根据行驶路面的状态不同和前后轮的转速等信息， 而将发动机输出扭矩按照合理的分配方式分别分布在前后所有的车轮上，使汽 车具有防滑能力、良好的加速性能和行驶稳定性能，从而提高电动汽车的行驶 能力。 武汉理t 人学硕十学位论文 四轮驱动电动汽车引进了电子计算机控制系统，充分的利用了车轮对地面 的附着，可以获得很好的驱动性能，因其间接地整车结构，高效传动，能借助 微机实时控制技术直接控制各电动轮实现转向差速和驱动防滑等突出优点，渐 渐成为电动汽车发展的一个独特流行方向。在近些年里，四轮驱动与四轮转向 技术近年来发展很快，四轮驱动已经在高档轿车上使用，如德国大众的奥迪、 帕萨特、高尔夫等，四轮转向在同本的日产、马自达，美国的各公司轿车上都 有应用。并且伴随着这两项技术的不断发展，相信今后在更多的轿车上会大批 量装用。 1 2 电动汽车的发展状况 2 l 世纪，汽车的发展已进入一个全新的信息技术时代，一个国家信息技术 的发展水平及其在汽车工业领域的应用状况，决了它在未来世界汽车行业竞争 中的地位瞄1 。所以，信息技术的发展如何将成为汽车技术整体水平的又一个“分 水岭 。 近几年罩，计算机信息技术、电机以及数字伺服控制等技术不断进步，而 这些技术为轮毂电机驱动型电动汽车的技术开发提供了必要的技术基础和良好 的发展契机。当今，一些工业发达国家如日本、美国等已经进行了相关的研究 开发。 在日本的过去十几年中，由庆应义塾大学环境信息学部的清水浩教授领导 的电动汽车研究小组一直以轮毂电机型电动汽车为理想的研发目标。至今他们 已经试制了五种不同型式的样车。1 9 9 1 年，该研究小组与东京电力共同开发的 电动汽车i z a ，采用了n i c d 电池动力源和四个外转子式直流无刷轮毂电机驱 动，最高时速达1 7 6 k m h 。1 9 9 7 年，他们又推出了双座微型电动汽车l u c i o l e ( 法 文，莹火虫) ，这个电动汽车是采用了四个由内转子式轮毂电机和行星齿轮减速 器一体化而成的电动轮驱动。2 0 0 1 年，由锂离子电池和8 个大功率交流同步轮 毂电机独立驱动的八座电动大轿车k a z 相继研发成功，这款电动汽车的主要特 色是，在它的整车设计过程中充分考虑了轮毂电机驱动方式的特点，提倡通过 各个环节的精细设计和节能弥补动力电池性能不足的缺点。2 0 0 2 年，通用汽车 提出了线控四轮驱动燃料电池汽车概念模型a u t o n o m y ，随后，又推出了h y l i r e 样车。 武汉理1 ：人学硕士学位论文 四轮驱动电动汽车已经越来越引起人们的注意，仪在过去几年中就有多台 轮毂驱动电动汽车亮相。如丰田的f i n e - 一n 和p m 、日本庆应大学研制的e l i c a 、以及g m 公司研究制的雪佛兰s l o 。 目前，我国的汽车工业也正处于一个突飞猛进的发展时期，汽车产业已成 为我国国民经济发展的重要支柱产业。汽车电子在汽车产业中的地位也显得尤 其关键，汽车的信息化、数字化、智能化、网络化是2 1 世纪消费类汽车电子产 品技术发展的必然趋势。与世界其他发达国家一样，我国的电动汽车研发工作 也进行的如火如荼。“十五 期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、 提高汽车工业的竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展等战略高度考虑，设 立了“电动汽车重大科技专项”，组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、 地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。为此，从2 0 0 1 年1 0 月起，国家共计拨款天津大学博士学位论文电动汽车控制策略研究8 8 亿元作 为这一重大科技专项的经费。 在第七届北京国际汽车展上，以开发生产越野车见长的东风汽车公司和北 京吉普汽车有限公司都首次亮相了两款为军方新开发的四驱越野“东风铁甲” 和“勇士”概念车。其中，东风公司推出的是自行设计开发外观造型很像美国 “悍马 的军用四驱越野车，采用东风康明斯发动机，他们拥有自己的设计思 想，采用国内成熟技术开发而成。 同济大学汽车学院在过去几年分别推出了采用轮毂电机驱动系统的四轮驱 动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号和“春晖二号 ，两者均采用四 个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。在第五届 上海国际工业博览会上首次亮相的“春晖二号 ，立刻引起了众多爱车族的关注。 1 3 电动汽车的发展前景 电动汽车主动扭矩分配方式的驱动系统可以获得良好的起步加速性能、转 向性能和通过性能，具有广泛的发展前景。目前，电动汽车的发展所面临的问题 也是未来一段时间需要研究解决的重点问题，主要集中在以下四个方面1 ： ( 1 ) 硬件系统的匹配 驱动系统的结构类型有很多，然而怎样的组合和搭配能够产生最佳的控 制效果是研究人员目前急需解决的问题。 武汉理，i ：人学硕十学位论文 ( 2 ) 驱动系统的优化 开发设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便能够及时准确的检 测汽车的各个运动信号。 ( 3 ) 控制策略的确定 将先进的控制理论与控制方法应用于驱动控制系统，以便找出电动汽车 最优控制策略。 ( 4 ) 控制系统的简化 减小汽车的控制结构与体积，降低控制成本。 i 4 数据分析技术概述 众所周知，任何新产品的产生及科研成果的获得，往往离不开反复的实验， 通过对实验数据的分析总结，以获取尽可能多的有用信息，已达到在工程中解 决实际问题的目的。 所以，数据是研究客观事物的性质，运动规律及事物间相互联系的基本素材， 是进行科学研究的基础。对试验获取的大量数据，采取合理的数据处理方法， 能够方便，有效的解释性能指标和众多影响因素之间的联系。 数据分析技术就是结合系统科学的数据处理与分析，以使对所研究的对象有 一个较为明确的认识，即能从大量的实验观测数据中找出可靠规律性的结论。 它主要是研究实验测量和观测值的分析计算处理方法，并依据所得到的规律和 结果对试验对象进行预报和控制，从而掌握事物的发展规律。在自动控制领域， 它能够间接地获取最优参数组合，从而建立自动控制中的数学模型。 i 5 本文的研究内容 本文是主要针对四轮驱动电动汽车控制系统的需要，开发上位机实验数据 分析软件，该系统以v c + + 作为软件开发平台，完成数据的录入，分离，存储与 显示，利用v c + + 与m a t l a b 混合编程技术，以m a t l a b 作为后台分析软件实现电 动汽车相关性能指标的计算，并根据数据分析技术利用采集来的实验数据建立 系统模型，最后利用m a t l a b 的p i d 工具箱整定p i d 控制器的控制参数，从而为 电动汽车控制器的设计给予理论参考与指导。 4 武汉理一l = 人学硕十学位论文 第2 章系统的设计方案 2 1 系统的功能分析 电动汽车实验数据分析系统需要完成实验数据的录入、存储、显示，以及 根据电动汽车的实时数据与参数进行性能指标分析计算、并能够利用数据建立 系统的模型，对建立起来的模型进行p i d 控制参数整定与仿真。所以，根据系 统的功能要求把系统分为三个模块：数据录入与显示模块、实验数据处理模块、 控制器参数整定与仿真模块。 1 r、r、 ， 数据录入与实验数据控制器参数整 显示模块处理模块定与仿真模块 图2 一l四轮驱动电动汽车实验数据分析系统结构 2 2 1 数据录入与显示模块功能分析 在电动汽车实验数据录入与显示模块中，需要完成对电动汽车实时数据的 录入、信息存储与信息显示等任务。所以，在此模块中，要实现上位机与下位 机之间的通讯，接受下位机传递来的数据流，在系统运行时，可以进行串口设 置，接受串口的数据信息。 此外，对于采集来的实验数据，在后台建立数据库实现电动汽车各项实时 数据的存储，为数据处理模块提供数据源。电动汽车数据采集模块在系统运行 时，可以显示并存放最近采集到的电动汽车的数据信息；可以通过工具栏上的 记录移动按钮滚动查看记录；可以以网格形式显示电动汽车的历史信息，方便 武汉理工人学硕十学位论文 用户查看；除此之外，还可以动态的显示各项数据的动态睦线。 2 2 2 实验数据处理模块的功能分析 在电动汽车实验数据处理模块中，需要完成四轮驱动电动汽车的各项参数 的输入与性能指标的计算。 所以，在数据分析模块中需要在平台软件的环境下写入电动汽车的各项基 本数据，能够根据数据进行复杂的性能指标的计算，并返回到可视窗口中供用 户查看。 2 2 3 控制器参数整定与仿真模块的功能分析 在电动汽车控制器参数整定与仿真模块设计中，需要根据实验数据仿真出 控制系统的模型口3 ，根据控制系统的模型完成p i d 参数的整定随州。 所以，在电动汽车p i d 参数整定模块中，需要从建立起来的数据库中读取 电动汽车的历史数据，并将利用这些实验数据拟合出控制系统的模型，并得出 其传递函数，将模型的参数返回到用户的可视界面。 另一方面，根据得到的系统模型，进行p i d 参数整定，并得到k 、t 、l 的 值，并能够观测到的整定后仿真曲线。 根据以上分析，系统的原理框图如下： 图2 - 2 系统原理框图 2 2 系统设计方案的选定 2 2 1 平台软件的选择 在电动汽车的实验数据分析系统设计中，根据实验数据录入与显示模块的 6 武汉理工人学硕+ 学位论文 功能要求，需要选择一种软件开发平台，它可以编写出友好的系统界面，与独 立运行的应用程序。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的可视化集成开发环境n 引。目前，它是 最强大的综合性软件开发工具之一，是软件开发的主流平台，应用极为广泛 v i s u a lc + + 具有多种多样的可视化编程工具，并拥有功能强大的编辑器、编译 器、链接器、调试器等，可以很容易的实现菜单、工具条等，其功能强大， m i c r o s o f t 的基本类库m f c 简化了w i n d o w s 应用程序的开发，从而具有很强大的 图形界面编程能力，用v i s u a lc + + 写出来的界面友好、而且可以独立运行的应用 程序，这种应用程序可以脱离v i s u a lc + + 编译环境。另外，v i s u a lc + + 适用于 底层交流信息，执行速度快，运行稳定，深受编程人员的喜爱，最重要的一点 是它有利于程序的保密，保护作者的劳动成果。但是，v i s u a lc + + 同样存在些 不足，当用v i s u a lc + + 来完成诸如小波分析、信号处理、绘制图形界面时，就 需要程序员编写庞大的函数代码，非常繁琐，使用起来很不方便，大大降低了 程序员的工作效率。 所以，在本系统中，选用v c 抖作为系统的软件开发平台。 2 2 2 后台软件的选择 在电动汽车的实验数据分析系统设计中，根据实验数据分析模块与控制器 仿真与参数整定模块的功能要求，需要完成大量实验数据的计算与分析处理， 控制器参数整定等功能。 最早出现的m a t l a b n 妇是美国的c l e v em o l e r 博士编写的，当时仅仅用于数 值计算。在二十世纪八十年代，c l e v em o l e r 博士与j o h nl i t t l e 等同事共同成 立了m a t h w o r k s 公司，并把m a t l a b 正式推出，投放市场的m a t l a b 不仅拥有开 始的计算能力，还添加了数据视图功能，到了二十世纪九十年代，m a t l a b 逐渐 发扬光大，并且成为国际上公认的标准计算软件。目前，m a t l a b 在控制界已经 成为最流行、功能最强大的科技应用软件之一，它易学易用，同时拥有科学计 算和数据可视功能，内置丰富的矩正处理函数，编程效率极高，并附带多种工 具箱，在控制、通信、语音处理、图像处理、电子仿真、信号处理等不同领域， 具有非常广泛的应用前景，它可以使工程技术领域的工作人员致力于验证自己 的模型与算法，摆脱繁琐的程序代码。 m a t l a b 与其他多种编程语言相比，具有以下众多优点n 羽： 7 武汉理j ：大学硕士学位论文 语言简洁高效：m a t l a b 是一种可靠性高，易于维护的高级语言，语言集成 度高、简洁。往往别的语言设计数百条语句的程序，m a t l a b 可以一句话解决， 大大提高了程序员的工作效率； 强大的科学计算能力：m a t l a b 以矩阵为基本单元，可以方便地进行矩阵的 各种运算，除此之外，它还有专门用于数值微分、积分、微分方程的求解等函 数，这些函数可以高效地解决图像处理、控制策略等问题； 强大的绘图功能：m a t l a b 拥有图形化显示矩阵和数组的能力，它可以很方 便的绘制出二维、三维图形，甚至可以将隐函数用曲线绘制出来； 庞大的工具箱与模块集：m a t l a b 是控制界公认的流行语言，在控制领域， 几乎所有的研究方向都有自己的工具箱； 强大的动态系统仿真功能：m a t l a b 提供的可以面向框图的仿真s i m u l i n k ， 它可以很容易的建立复杂的系统模型，并对它进行仿真分析； 可扩充性强：混合编程用户可以很方便的调用f o r t r a n 或c 语言编写的代 码，还可以在f o r t r a n 和c 语言调用m a t l a b 代码； 易学易用：m a t l a b 是一种边解释边执行的计算机语言，所以它还称为“草 稿式语言”，m a t l a b 编写的程序就像在草稿纸上排列公式，它可以快速方便地验 证工程技术人员的算法。 所以，在本系统中，选择m a t l a b 作为系统的后台软件。 2 2 3 v c + + 与m a t l a b 混合编程技术 m a t l a b 与v i s u a lc + + 相比起来，m a t l a b 的编程思想n 3 1 更贴近人的思维方式， 语法简洁，如同在草稿纸上列公式求解。但m a t l a b 自身的一些如可移植性差、 执行效率低、界面开发能力不够高、保密性差等缺点，大大限制了m a t l a b 在更 多方面的应用。而v i s u a lc + + 与m a t l a b n 钔相比，可以进行从底层软件到面向用 户的软件开发，但是v i s u a lc + + 在数值处理分析和算法方面不如m a t l a b 的效率 高，在数据绘图方面也没有m a t l a b 准确。利用v i s u a lc + + 与l d a t l a b 混合编程 能够轻松回避这两种语言存在的不足，把m a t l a b 在数值计算、算法设计等方面 的优势与v i s u a lc + + 开发友好用户界面的优势结合起来n 朝，可以完全满足系统 在数据运算与界面处理的设计需求，还能够提高系统的效率和稳定性，大大减 少了开发人员繁重的算法处理任务，缩短了软件的开发周期，从而提高软件的 质量，快速实现软件的使用价值。采用m a t l a b 与v i s u a lc + + 混合编程的优势主 8 武汉理工人学硕十学位论文 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 发挥了m a t l a b 数据可视化的强大功能； ( 2 ) 提供了m a t l a b 的大量函数； ( 3 ) 发挥了开发工具v i s u a lc + + 的w i n d o w s 的平台优势； ( 4 ) 可脱离m a t l a b 运行环境。 2 2 4 v c + + 与m a t l a b 混合编程接口选择 在电动汽车的实验数据分析系统设计中，需要在v c + + 与m a t l a b 之间建立起 桥梁，实现两种软件间的相互调用，以充分发挥两种开发软件的各自优势。在 本文中，选用m a t l a b 引擎作为混合编程的接口。 m a t l a b 引擎是采用c 语言和f o r t r a n 语言编写的一组和外部程序结合使用 的函数库，程序员用户在自己其他语言编得的应用程序中可以通过m a t l a b 引擎 来调用m a t l a b 。此时，m a t l a b 作为计算引擎在后台运行，这样可以简化前台用 户程序的设计任务。它用来启动、停止m a t l a b 进程，并传输数据到m a t l a b 中 去处理。m a t l a b 引擎在用户程序与m a t l a b 进程之间建立起交换数据的桥梁，完 成数据的交换和命令传送。m a t l a b 引擎的典型功能如下： 调用强大的计算分析函数进行运算，m a t l a b 有强大的计算能力，特别是矩 阵运算，利用m a t l a b 可以轻松实现复杂度高的计算操作；为特定任务构建完整 系统，m a t l a b 引擎几乎可以使用m a t l a b 的所有功能，利用其他语言，比如v i s u a l c + + 编写前台客户机程序，通过w i n d o w s 的动态控件与m a t l a b 通信，并向m a t l a b 引擎传递命令与数据信息，在m a t l a b 完成数值计算、分析之后，再利用m a t l a b 引擎接收反馈数据。这样可以使用户程序员在开发过程中取得事半功倍的效果。 2 3 系统具体实现 在v c + + 环境下编译电动汽车实验数据分析系统，采用异步串行传送方式， 通过r s 一2 3 2 串口类c s e r i a l p o r t e x n 刚实现串口通信接收电动汽车的各项数据， 对之进行处理后通过o d b c 接口将电动汽车的四个车轮的速度、加速度、左右前 轮转角、车辆纵向加速度，车辆横向加速度、车辆横摆角速度、四个轮毂电机 电流、电动汽车的运行速度等数据保存到a c c e s s 建立起来的数据库“d c d a t a 中，利用m s c h a r t 控件实现数据的动态显示，利用d b g r i dc o n t r o l 控件和 9 武汉理t ：大学硕士学位论文 m i c r o s o f tr e m o t e d a t ac o n t r o l 控件实现历史数据的显示。 在v c + + 环境下输入电动汽车的各项基本数据，将这些数据通过m a t l a b 引擎 传递给m a t l a b ，利用在m a t l a b 环境下编译用于性能指标计算的m 文件 “c o m p u t e m ”计算电动汽车的三个性能指标。 从建立起来的数据库“d c d a t a 中，读取电动汽车的实时数据，根据这些 数据在m a t l a b 环境下利用“a r x 函数拟合出电动汽车的控制模型，并利用薛 定字老师编写的p i d 控制箱设计校正控制器，在该控制箱中输入模型参数，选 择不同的控制器，可以找出不同的k 、l 、t 参数，并对闭环控制系统进行仿真。 2 4 本章小结 在本章中，首先详细描述了电动汽车实验数据分析系统的功能分析，并把 系统划分为三个模块：数据录入与显示模块、实验数据处理模块、控制器参数 整定与仿真模块，接着根据功能需求，确定以v c + + 作为软件的开发平台，以 m a t l a b 作为后台软件，以m a t l a b 引擎作为混合编程的接口，并给出了电动汽车 的实验数据分析系统软件的设计方案。 l o 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 第3 章实验数据录入与显示模块设计 3 1 数据录入与显示模块结构设计 根据电动汽车数据录入与显示模块功能分析，大致可将其可分为五个部分： 串口通讯、数据库处理、控制、数据显示和实时曲线显示。 串口通讯技术可以使用串口类c s e r i a l p o r t e x 来实现；接收串口数据时使 用隐式调用，c s e r i a l p o r t e x 在串口数据到达时将数据发送到程序主窗口。控制 模块每隔一段时间去查看一次串口数据缓冲区，并对符合要求的数据进行处理， 然后通过数据库处理模块存储到a c c e s s 建立起的数据库中，并同时请求显示模 块更新记录，而数据动态曲线的显示是利用m s c h a r t 口7 3 控件来实现的。 下图为各模块关系图，宽箭头表示的是电动汽车数据的流向。 画一 3 2 关键技术与算法 3 2 1 串口通讯协议 电动汽车数据录入使用如下串行通信参数n 8 1 ：数据传输率为4 8 0 0 b i t s ；数 据位为8 b i t ；停止位为l b i t ；无奇偶校验；读取串口数据时，每隔1 秒采样一 次数据，本程序每隔1 秒更新一次电动汽车的各项数据口9 1 。 各字段含义如下： ( 1 ) s d d c m c ：数据起始字段； ( 2 ) 编号1 到2 2 都是数据字段，每个字段的其实都为一个逗号，表示分隔； 武汉理 ：人学硕+ 学位论文 ( 3 ) 编号1 的字段代表u t c _ t i m e ( 2 4 小时) 制的标准时间，格式为“， h h m m s s ，其中h h 表示小时、删表示分钟、s s 表示秒钟； ( 4 ) 编号2 的字段表示表示通信状态，值为a 或者v ，其中a 表示数据“0 k ”， v 表示一个警告； ( 5 ) 编号3 、4 、5 、6 的字段表示前左轮速度、前右轮速度、后左轮速度、 后右轮速度精确到小数点后两位。格式为“，x x x x ”； ( 6 ) 编号7 、8 、9 、1 0 的字段表示f j 左轮加速度、前右轮加速度、后左轮 加速度、后右轮加速度，精确到小数点后两位。格式为“，x x ) ( ) ( ”； 编号6 的字段表示车辆的纵向加速度，精确到小数点后两位。格式为 “，x x x x ”： ( 7 ) 编号1 1 、1 2 、1 3 、1 4 的字段表示前左轮毂电机电压、前右轮毂电机电 压、后左轮毂电机电压、后右轮毂电机电压。格式为“，x x x x ； ( 8 ) 编号1 5 、1 6 、1 7 、1 8 的字段表示前左轮毂电机电流、前右轮毂电机电 流、后左轮毂电机电流、后右轮毂电机电流。格式为“，x x x x ； ( 9 ) 编号1 9 的字段表示车辆的横向加速度速度，精确到小数点后两位。格 式为“，x x x x ： ( 1 0 ) 编号2 0 的字段表示车辆的纵向加速度速度，精确到小数点后两位。格 式为“，x x x x ； ( 1 1 ) 编号2 1 、2 2 的字段表示前左轮转角、右前轮转角，精确到小数点后两 位。格式为“，x x x x ”； ( 1 2 ) 编号2 3 的字段表示车辆的角速度，精确到小数点后两位。格式为“， x x x x ： ( 1 3 ) 编号2 4 的字段表示车辆的速度，精确到小数点后两位。格式为“， x x x x ： ( 1 4 ) 编号2 5 的字段表示车辆的加速度，精确到小数点后两位。格式为“， x x x x ： ( 1 5 ) 编号2 6 的字段表示车辆的加速时间。格式为“，x x ”； ( 1 6 ) 编号2 7 的字段表示校验和，格式为“x x ，其中x x 表示校验和、 四轮驱动电动汽车定位语句最末是回车换行( c r l f ，即0 x o d0 x o a ) ，为语 句结束标志。 1 2 武汉理工人学硕+ 学位论文 【塑p ! 竺! l ! ；翟5 jl 一生一l ! ! ：翌j ：! ! 2 4l ，2 3 堑j _ 兰笆j 一，2 5 受l 翌：竺l 踅銎- j l 23456789 i ：f 互工递f 万工翌西- 了丑堑；巨7 j 圃 1 0 l l1 2 1 31 4 1 5 1 61 71 81 9 竺! 丝：翌 竺! 型! 翌! 竺! l ：! ! 竺；! 坠! i 2 0 2 l2 22 32 4 2 52 6 2 7 图3 2 串口通讯语句结构 如果与串口通信正常的话，则可能接受的的数据格式如下所示： $ d d c m c ，2 0 4 7 0 0 ，a ，1 2 2 3 ，1 2 3 4 ，2 3 2 5 ，3 3 5 6 ，4 4 3 4 ，2 6 3 4 ，3 4 5 6 ， 4 5 6 7 ，3 4 4 5 ，3 4 6 7 ，3 4 6 8 ，6 7 2 2 ，3 4 4 5 ，4 5 6 7 ，5 6 7 7 ，4 4 3 3 ，4 5 3 3 ， 6 7 3 3 ，4 5 4 5 ，6 6 3 3 ，7 7 2 4 ，4 4 2 5 ，3 6 3 3 ，0 9 0 7 c r l f 如果与串口通信不正常的话，则可能接受的数据格式如下所示： $ d d c m c ，2 0 4 7 0 0 ，v ，c r l f 3 2 2 关键技术 ( 1 ) 串口技术 我们一般在m i c r o s o f tw i n d o w s 下进行串行通讯有以下四种方法啪3 ：使用 w i n d o w sa p i 通信函数；使用w i n d o w s 的读写端口函数或开发驱动程序直接对端 口进行操作；使用自己编写通信类或者利用第三方提供的通信类；使用串口通 信组件m s c o m m 。 在以上四种方法中，第一种方法使用w i n d o w sa p i 函数法使用面比较广， 但是它比较复杂，使用起来比较困难。第二种方法需要用户对硬件很了解，熟 悉电路结构原理。第三种方法使用面向对象技术封装的w i n 3 2 a p i 函数，它提供 一个用于串行通信的类，用户只要了解这个类的几个成员函数，就能方便的使 用它。最后一种方法就是利用m s c o m m 控件对串口进行简单配置，但是它存在 v a r i a n t 类，用户在使用时容易出现错误。在本次设计中，串口通信我们使用第 三种方法，使用第三方提供的串口通信类乜c s e r i a l p o r t e x 。 c s e “a 1 p o r t e x 主要使用异步方式操作串口，但也提供其他方式操作串口的 函数。他的目标是提供串口通信细节，并支持多串口、多线程，而使用 c s e r i a l p o r t e x 只用加入几个公共成员函数，就能够轻易的在自己的程序中加入 串口支持。 武汉理t 大学硕+ 学位论文 下面是串口c s e r i a l p o r t e x 类的基本工作流程，用户可以根据需要调用分 散在不同的成员函数中的部分。 第一步，建立e v e n t ，通常这个步骤是在c s e r i a l p o r t e x ：i n it p o r t 初始化 中实现的。注意在异步方式操作串口必须要定义o v e r l a p p e d 结构m _ o v ，h e v e n t 称冠必须由自己创建，它用来负责e v r x c h a r 、e v b r e a k 、e v _ c t s 、e v d s r 等 串口通信事件。 第二步，打开串口，通常这个步骤是在c s e r i a l p o r t e x ：i n i t p o r t 初始化 中实现的。注意用异步方式必须指定f i l e _ f l a g _ o v e r l a p p e d ，而这个文件必须 o p e n e x i s t i n g ，与此同时读写必须是g e n e r i c r e a dg e n e r i c _ w r i t e 。 第三