一种燃料电池汽车动力性能测试系统的实时同步方法与流程

本发明涉及燃料电池汽车测试技术领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器系统的实时同步方法。

背景技术：

燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，具有较高的发电效率。同时，燃料电池运用能源的方式大幅优于内燃机排放大量危害性废气的方案，其排放物大部份是水。因此，燃料电池汽车具有比传统燃油汽车更好的燃料经济性与环保性，已经成为了现代及未来汽车发展必然选择，其研究与开发也已成为汽车行业的热点。

燃料电池汽车动力系统的测试方法是保证其成功开发的重要支撑。目前的技术现状表明，国内外还没有一套完整的燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器，在复杂仪器系统的实时同步方法的研究与实现上，更是处于起步阶段。因此，基于燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器，需要开发一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器系统的实时同步方法。

中国专利CN103067148A提供了一种可级联仪器间的硬件同步方法,该方法由多台仪器的主控模块通过以太网进行信息交互,按照经由同步模块连接成的串联链路的位置顺序分配地址,确认链路中处于第一位置的仪器；当需要进行同步,第一位置仪器的主控模块通过以太网向其他位置仪器的主控模块发出同步配置要求,并向该仪器内的同步模块发出同步命令；其他仪器主控模块通过以太网接收同步配置要求,完成仪器的同步配置,同时该仪器内的同步模块通过输入信号线接收同步输入信号、时钟输入信号；经过该仪器内的同步模块处理后,其一路通过输出信号线向外发出同步输出信号、时钟输出信号；另一路引入到仪器其他功能电路进行同步操作,从而最终实现系统内所有仪器的同步。

中国专利CN102591996A提供了一种用于多部量测仪器的数据同步架构及方 法,使多部量测仪器能够相互连接进行通道扩充,其中一部量测仪器为主控式量测仪器,其他部量测仪器则为被动式量测仪器,而该主控式量测仪器能够输出同步讯号至该被动式量测仪器内,使该被动式量测仪器能够取样该同步讯号做为数据同步的标记,并存放于存储器中,另外再将所有量测仪器存储器中的数据及标记传输至一处理平台,并透过该处理平台内建的软件将该被动式量测仪器调整成该主控式量测仪器一致的数据波形长度,以便解决因量测仪器本身时脉误差,解决了所造成取样数据长度不一,无法多部量测仪器数据同步处理的问题。

以上专利虽涉及仪器之间的实时同步，但是网络结构较为简单，大多只涉及单一网络，没有涉及到反射内存的应用，并且没有出现针对燃料电池汽车动力系统测试仪器的同步方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种统筹兼顾、多种通信协议、满足荷载要求、分布式网络的燃料电池汽车动力性能测试系统的实时同步方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池汽车动力性能测试系统的实时同步方法，用以对燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络进行时钟同步和数据同步，包括以下步骤：

1)构建燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络；

2)采用NTP网络同步方法使通讯网络内所有设备节点的时钟同步；

3)分别在硬件和软件上配置通讯网络，并制定同步授时规则，使得整个通讯网络的数据同步。

所述的步骤1)中，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络为星形分布式通讯网络，包括系统协调管理子网、核心测试业务子网、数据传输及处理子网、车载兼容子网和测试设备控制局域网，所述的系统协调管理子网采用以太网通讯，核心测试业务子网采用MODBUS通讯，数据传输及处理子网采用反射内存交换机通讯，车载兼容子网采用CAN通讯，测试设备控制局域网通过EtherCat通讯。

所述的燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的节点包括：

燃料电池发动机整车测试模块监控计算机、燃料电池系统仿真模块计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块电源控制机柜、综 合仪器主控模块计算机、数据库工作站、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机、电驱动匹配测试模块计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机、电堆匹配测试模块计算机、噪声环境模块计算机、振动环境模块计算机、温度湿度压力环境模块计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机。

所述的数据库工作站通过以太网分别与燃料电池发动机整车测试模块监控计算机、燃料电池系统仿真模块计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、综合仪器主控模块计算机、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机、电堆匹配测试模块计算机、噪声环境模块计算机、振动环境模块计算机和温度湿度压力环境模块计算机通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机与测功机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机与燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机之间均通过MODBUS通讯，所述的燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机与附件测试试验台传感器、燃料电池系统仿真模块执行计算机与燃料电池汽车车载传感器之间均通过CAN通讯，所述的反射内存交换机分别与综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机和燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机与综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机与和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机之间通过EtherCat通讯。

所述的步骤2)中，NTP网络同步采用客户端/服务器模式。

所述的步骤3)中，通讯网络的硬件配置为：

在通讯网络中的综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机采用NI RTOS操作系统，并且通讯网络中的所有计算机节点均采用NI VeriStand引擎。

所述的步骤3)中，通讯网络的软件配置为：

在NI VeriStand引擎设置多个精度为微妙的定时循环，并且采用多循环构架。

所述的步骤3)中，同步授时规则包括：

1、将通讯网络的燃料电池发动机整车测试模块监控计算机作为网络通讯的服 务器和数据库，其中的数据以固定格式和寄存器地址在ModBUS、反射内存、ethercat、CAN和Ethernet上通信，固定格式包含数据校验和通信协议固有特征，并且在应用层的数据均由时间标签和有效时间组成；

2、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机校验每段数据的有效性，并且基于通讯网络的冗余性进行相互校验；

3、通讯网络中所有处于任务状态的节点均发送心跳信号以及更新心跳信号和状态标识。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、统筹兼顾：本发明目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器系统的实时同步方法，该方法统筹整个测试系统中的仪器和被测元件，并兼顾模型运行和通讯速率要求，为燃料电池汽车动力系统的开发与测试提供同步性保障。

二、多种通信协议：本发明根据燃料电池汽车动力系统动态性能测试的需求，针对不同的测试对象和测试设备，使用了Ethernet、反射内存、CAN、EtherCat等不同通讯协议，符合被测对象和测试设备的物理特性。

三、满足荷载要求：针对不同通讯协议和整个燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器，设计的时钟同步规则，能够充分满足系统大数据载荷情况下的要求。

四、分布式网络：本发明的基本网络架构为星型分布式网络，软件平台在通用软件基础上二次开发，有助于系统的拓展。

附图说明

图1为燃料电池汽车动力性能测试系统通讯网络的网络结构示意图。

图2为同步授时方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

本发明提供一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器系统的实时同步方法，该方法统筹整个系统中的测试仪器及被测元件，并兼顾模型运行和通讯速率要求，为燃料电池汽车动力系统的开发与测试提供同步性保障，该测试仪器系统的网 络结构如图1所示，内部的节点名称及功能如表1所示。

表1燃料电池汽车动力性能测试系统通讯网络内部的节点名称及功能

本测试系统设计主要采用星形分布式以太网组网形式，将实验中通过标准以太网将各业务单元联系在一起。通过以太网互联接口与综合仪器主控模块连通的功能模块包括：控制仿真综合仪器主控模块，燃料电池发动机实验系统的数据采集功能 模块，负载控制与仿真系统，燃料电池发动机验证系统，燃料电池电堆实验系统，燃料电池单体实验系统和电驱动测试功能模块。在模型数据的交互中为保证数据传输的速率和同步性我们采用反射内存的方案，通过反射内存交换机交互所有高速数据传输的仿真计算设备。通过反射内存互联接口与控制仿真综合仪器主控模块连通的功能模块包括：燃料电池发动机实验系统，负载控制与仿真系统，燃料电池发动机验证系统。EtherCAT网络相比于Ethernet网络，同步性有了很大提高，因此在一些系统内部，采用EtherCAT网。不同子网之间的数据通过网关节点计算机统一上传于整个系统内，同时设计了一台专门用于通信信号处理的主机，监管各个网关和整个网络系统。

网络通讯设计中的关键节点是通讯中心设备MR03，作为所有通讯节点的汇集点，可以全网监控数据情况，对网络状况监控和评价。各通讯组网形成星型网络连接节点交换机，将有效数据通过自身节点作用分发给各个节点。

本发明的具体流程如下：

首先，基于燃料电池汽车动力系统的测试需求，构建出燃料电池汽车动力系统动态性能测试仪器的通讯架构及网络拓扑，如图2所示。该通讯架构包括系统协调网络，业务核心网络，数据核心网络，车载兼容网络和设备控制局域网。其中，系统协调网络采用以太网通讯，业务核心网络采用MODBUS通讯；数据核心网络用于模型数据的通信和燃料电池发动机测试数据的通信，对数据实时性要求较高，因此采用反射内存的通讯方式；车载兼容网络采用CAN通讯；设备控制局域网络即为测功机和服务器等高速设备与主控系统的通讯网络，采用EtherCat通讯。

之后，该系统应用NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)网络同步技术。NTP是由RFC 1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其他时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其他的时钟，并且可以和其他设备互相同步。

设备可以采用多种NTP工作模式进行时间同步，这里选择“客户端/服务器模式”(Client/Server-C/S)。在客户端/服务器模式中，客户端向服务器发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为3(客户模式)。服务器端收到报文后会自动 工作在服务器模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为4(服务器模式)。客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并同步到优选的服务器。

接着，进行系统实时性保障与设计。在一般情况下，一个操作系统(操作系统)负责管理计算机的硬件资源和在计算机上运行的应用程序。这里采用NI RT的硬件支持系统PXI，操作系统选择NI RTOS，实时性可以充分验证性能优于1ms的闭环周期。该操作系统主要部署在MR01-03节点计算机中，其中MR03对于通讯数据和系统状态的判断最终会产生诊断策略和故障信息，指导协调系统解决当前问题。

其次，实施管理配置层在实时测试中将实时操作系统作为测试系统的一部分。与使用通用操作系统相比，推动实时测试系统最常见的需求是需要实现更高的可靠性和更高的性能。NI VeriStand引擎是非可见执行机制，负责执行硬件I/O、模型、过程、预警和在系统定义文件中指定的其他测试系统任务。引擎不但控制整个系统的定时，而且控制NI VeriStand引擎和工作区的主机之间的通信。该NI VeriStand引擎部署在所有节点计算机中。

NI VeriStand引擎包括多个定时循环，其执行定时由硬件事件控制，精度为微秒。确定性内存缓冲器在不同循环任务间提供通信，不会在引擎执行中引起数据抖动。采用多循环架构，NI VeriStand引擎自然利用了多核处理器并行处理能力的优势，提升了系统性能。创建系统定义时，包括在高吞吐量、并行性和低延时、顺序结构间选择的能力，可以配置各种不同的引擎执行设置。

最后，进行同步授时方法与规则的设计。整个系统授时工作是基础性设计，涉及到诸多关键数据同步。授时工作主要包含如下部分业务：网络授时协议支持；时间标记；同步时钟(心跳脉冲)。

DB01作为网络通讯的服务器和数据库所在地主要负责服务器搭建和数据存储的功能。数据以固定格式和寄存器地址在ModBUS、反射内存、ethercat、CAN和Ethernet传递，格式中包含数据校验和协议固有特征，在应用层每段数据都由时间标签和有效时间组成。MR03校验每段数据自有效性以及相互校验，相互校验过程基于网络设计的冗余性，同时系统状态上通过总线回传心跳脉冲，心跳脉冲是系统同步性和活跃性的重要指标，本系统设计中处于任务状态的执行主机都要发送心跳信号；凡是接入系统的任务主机也要更新心跳信号和状态标识。