邸立明，劉 維，王海全

(1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北秦皇島 066000;2.長城汽車動力研究院，河北保定 071000)

0 引言

為使發(fā)動機(jī)更加節(jié)能環(huán)保與高效，提升其電控系統(tǒng)的技術(shù)水平被認(rèn)為是最有效手段之一，而ECU開發(fā)與算法優(yōu)化困難且周期偏長，已成業(yè)界重金投入和研究的熱點(diǎn)之一。目前，國際汽車發(fā)動機(jī)電控產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)系統(tǒng)化，生產(chǎn)規(guī)模與銷售模式也日趨成熟［1］，國內(nèi)市場發(fā)動機(jī)ECU產(chǎn)品的70%市場份額仍被美國Delphi、德國BOSCH和日本Denso三家壟斷［2］。雖然國內(nèi)對發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)的理論研究成果不少，但完全自主知識產(chǎn)權(quán)的ECU產(chǎn)品少有應(yīng)用［3］。在發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)過程中，國內(nèi)一些高校和企業(yè)普遍采用基于國外成熟ECU產(chǎn)品的改造與改進(jìn)方案，對無法獲取的邏輯控制算法，往往基于大量臺架實(shí)驗(yàn)對標(biāo)國外成熟產(chǎn)品的控制效果開展標(biāo)定工作解決。在對比分析不同發(fā)動機(jī)ECU控制效果差異的過程中，一般采用分別單獨(dú)連接原機(jī)ECU與待開發(fā)ECU開展臺架實(shí)驗(yàn)，很難保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的完全一致，缺乏控制效果差異對比的一致性基礎(chǔ)，會給基于此開展的ECU控制算法優(yōu)化工作帶來諸多問題。本文搭建了發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)的雙路并行控制系統(tǒng)臺架實(shí)驗(yàn)平臺，兩個ECU中的狀態(tài)和控制參量可通過平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速通信并實(shí)時共享，得出的控制效果差異具有良好的對比分析基礎(chǔ)。

為保證雙路并行ECU系統(tǒng)的控制具有可行性和研究意義，必須使V－ECU能夠靈活高速獲取原機(jī)P－ECU中的任意工作參量。目前，通過UDS命令請求或從應(yīng)用報文中獲取參量數(shù)據(jù)，是一個ECU從另一個ECU中獲取數(shù)據(jù)的普遍方法，但前者的數(shù)據(jù)更新速率會隨獲取參量增多而變慢，后者因其數(shù)據(jù)更新速率固定易導(dǎo)致無法得到想要數(shù)據(jù)。鑒于上述兩種方法的不足及ECU開發(fā)測試中對工況參量的實(shí)時性獲取需求，在項(xiàng)目開展的前期過程中已經(jīng)設(shè)計開發(fā)了一種基于CCP通信協(xié)議的ECU高速通信實(shí)時監(jiān)聽系統(tǒng)，即V－ECU通過監(jiān)聽P－ECU發(fā)往標(biāo)定系統(tǒng)的DAQ通信消息，進(jìn)而解析出自身所需的參量信息。該方法雖然可以滿足雙路并行ECU系統(tǒng)中兩個ECU之間的高速通信需求，但該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)高度依賴標(biāo)定系統(tǒng)，并且在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往由于變量太多，導(dǎo)致V－ECU所需變量并未在標(biāo)定系統(tǒng)中被監(jiān)控，從而V－ECU無法從P－ECU發(fā)出的DAQ通信消息中獲取到所需參量信息，使該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。鑒于上述問題，通過開展對雙路并行ECU系統(tǒng)中兩個ECU之間通信技術(shù)進(jìn)一步研究和探索，基于CCP通信協(xié)議及INCA標(biāo)定測量系統(tǒng)使能ECU中DAQ功能原理，提出了通過V－ECU使能P－ECU中DAQ功能對其內(nèi)部參量進(jìn)行靈活、高速獲取的方案。研究表明，只要在V－ECU軟件中配置了需要從P－ECU中獲取的變量信息，P－ECU將會自動通過DAQ消息向外發(fā)送，該方案可避免因人為原因造成DAQ消息發(fā)送不全的問題，并可有效實(shí)現(xiàn)雙路并行ECU控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時共享，大大提升ECU開發(fā)及算法優(yōu)化效率。

1 理論依據(jù)

1.1 CCP通信協(xié)議

CCP協(xié)議，即 CAN Calibration Protocol，是歐洲 ASAP組織基于CAN總線通信協(xié)議指定的一種對汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定的協(xié)議。為使車用電子產(chǎn)品在開發(fā)期間所用工具和方法具有一定的兼容性和互換性，ASAP組織提出了ASAP標(biāo)準(zhǔn)，CCP協(xié)議便是ASAP標(biāo)準(zhǔn)的一部分，由于其具有通信可靠、傳輸速度快、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，所以在汽車行業(yè)中得到廣泛采用［4］。CCP協(xié)議采用主－從方式進(jìn)行通信，系統(tǒng)中只有一個主設(shè)備，但可以有一個或多個從設(shè)備。其中主設(shè)備是一種遵循ASAP標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定、監(jiān)控以及診斷系統(tǒng)，如ETAS公司的INCA和VECTOR公司的CANape等。從設(shè)備是支持CCP協(xié)議的電子控制單元，如發(fā)動機(jī)ECU或整車控制單元VCU。CCP協(xié)議通過命令接收對象 (CRO)和數(shù)據(jù)傳輸對象 (DTO)兩種消息對象實(shí)現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信，其中CRO由主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備，DTO由從設(shè)備發(fā)往主設(shè)備［5］。

CCP協(xié)議中提供的DAQ功能可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定測量系統(tǒng)對ECU中的參量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)DAQ功能被使能時，發(fā)動機(jī)ECU會周期性向外發(fā)送一系列CAN消息，該CAN消息被稱為DAQ－DTO消息，其中包含ECU內(nèi)部參量的當(dāng)前值，利用CCP協(xié)議中的DAQ功能令ECU間實(shí)時通信共享各自內(nèi)部工作參量，是本文技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的功能基礎(chǔ)。ECU向外發(fā)送哪些參量值由DAQ列表來決定，DAQ列表數(shù)量由ECU支持的DAQ通道數(shù)決定。P－ECU支持segment、10ms以及100ms共3個DAQ通道，因此P－ECU中包含3個DAQ列表。每個DAQ列表可包含多個ODT(Object Descriptor Table)，每個ODT對應(yīng)一幀DAQ－ODT消息。每幀DAQODT消息包含哪些參量數(shù)據(jù)由與之對應(yīng)的ODT來描述，其中一個ODT最多可包含7個byte類型的變量元素。另外，同一個DAQ通道中所有DAQ－DTO消息的CANID可能都相同，但這些DAQ－DTO消息中數(shù)據(jù)區(qū)域的第一個字節(jié)不同，該字節(jié)代表這幀消息的PID(Data Packet ID)值，PID值與描述這幀消息的ODT序號相對應(yīng)。DAQ列表與其中的ODT結(jié)構(gòu)如圖 1 所示［6］。

圖1 DAQ與ODT列表結(jié)構(gòu)

1.2 標(biāo)定系統(tǒng)工作原理

發(fā)動機(jī)電控標(biāo)定系統(tǒng)可通過實(shí)時監(jiān)測發(fā)動機(jī)各個狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行參量標(biāo)定工作，最終可使發(fā)動機(jī)滿足相應(yīng)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性需求。本文實(shí)驗(yàn)平臺的CCP協(xié)議主設(shè)備采用INCA標(biāo)定系統(tǒng)，通過解析標(biāo)定軟件INCA與從設(shè)備發(fā)動機(jī)ECU之間的CCP通信報文，可以得到INCA使能發(fā)動機(jī)ECU中DAQ功能的一系列流程，其中主要包括與發(fā)動機(jī)ECU建立連接，置DAQ列表初始化狀態(tài)標(biāo)志位，對DAQ列表進(jìn)行初始化配置，使能ECU中的DAQ功能等。具體如圖2所示。

圖2 INCA使能DAQ功能流程

INCA之所以能從ECU發(fā)來的一系列DAQ－DTO消息中解析出監(jiān)控界面中的所有參量值，是因?yàn)镋CU中的DAQ列表信息是由INCA通過發(fā)送一系列CCP命令消息并且按照一定規(guī)律對其進(jìn)行了配置，即CCP協(xié)議中的主設(shè)備標(biāo)定系統(tǒng)INCA決定了監(jiān)控界面中的每個參量會在哪幀DAQ－DTO消息中的哪個位置［7］。

2 參量實(shí)時獲取系統(tǒng)

2.1 設(shè)計思想

標(biāo)定軟件INCA通過發(fā)送一系列CCP協(xié)議命令組合，配置P－ECU中的DAQ列表并使能P－ECU的DAQ功能，從而實(shí)現(xiàn)對P－ECU內(nèi)部參量的靈活獲取。對于P－ECU僅識別發(fā)來的CAN消息是否是CCP協(xié)議命令以及是哪種命令，而不考慮消息的來源。因此，如果V－ECU也能像INCA那樣發(fā)送相應(yīng)的協(xié)議命令組合給P－ECU，同樣也可以使能PECU中的DAQ功能，從而V－ECU便可以從P－ECU發(fā)來的DAQ－DTO消息中解析出所需參量值。

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

標(biāo)定軟件INCA配置P－ECU中DAQ列表過程，實(shí)質(zhì)上是通過發(fā)送SET_DAQ_PTR和WRITE_DAQ兩條CCP協(xié)議命令將監(jiān)控界面中每個參量的地址信息、字節(jié)大小以及地址偏移等信息寫到DAQ列表中的相應(yīng)位置。P－ECU中參量的地址以及字節(jié)大小等這些信息都定義在P－ECU的A2L文件中。所以，將想要獲取的參量地址和字節(jié)等信息提前存入V－ECU中，然后定義每個參量的DAQ通道。此外，還需要定義對CCP協(xié)議命令消息進(jìn)行構(gòu)造的接口函數(shù)，函數(shù)的輸入?yún)?shù)根據(jù)協(xié)議命令中的參數(shù)確定，各CCP協(xié)議命令及相關(guān)命令參數(shù)可參考CCP2.1［8］。

當(dāng)V－ECU上電復(fù)位后，會按一定順序調(diào)用定義好的接口函數(shù)，發(fā)送CRO消息給P－ECU，P－ECU每接收到一幀CRO消息便返回一幀DTO消息作為回應(yīng)，V－ECU對返回的DTO消息進(jìn)行判斷，若符合定義好的協(xié)議便繼續(xù)調(diào)用下一接口函數(shù)以發(fā)送下一幀CRO消息。當(dāng)所有的接口函數(shù)調(diào)用完成后，P－ECU便會周期性的向外發(fā)送DAQ－DTO消息，其中包含V－ECU想要獲取的各個參量值。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包含對P－ECU中DAQ列表的配置和對P－ECU發(fā)來的DAQ－DTO消息的解析兩部分內(nèi)容。

2.3.1 配置DAQ列表

配置DAQ列表部分軟件主要是對構(gòu)造CCP協(xié)議命令消息的功能函數(shù)，以及與配置DAQ列表流程相關(guān)的任務(wù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行定義。該部分軟件最終實(shí)現(xiàn)類似INCA使能PECU中DAQ的功能，使P－ECU往外發(fā)送V－ECU需要的參量信息。

(1)CONNECT函數(shù)

CONNECT命令的主要作用是與P－ECU進(jìn)行會話連接，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。CONNECT消息命令中包含局地址參數(shù)，其長度為兩個字節(jié)。所以該函數(shù)包含一個WORD型輸入?yún)?shù)為目標(biāo)ECU的局地址，并且該局地址信息可在PECU的A2L文件中找到。

(2)SET_S_STATUS函數(shù)

圖3 CONNECT命令結(jié)構(gòu)

SET_S_STATUS命令告訴P－ECU現(xiàn)在CCP通信的狀態(tài)，包括標(biāo)定數(shù)據(jù)初始化、DAQ列表初始化以及運(yùn)行狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。當(dāng)標(biāo)定系統(tǒng)對P－ECU中DAQ列表初始化之前和之后都需發(fā)送該命令，只是輸入的參數(shù)不同。該函數(shù)包含一個表征CCP通信階段狀態(tài)的BYTE型輸入?yún)?shù)，參數(shù)中的5個bit位對應(yīng)著5個通信狀態(tài)，包括標(biāo)定數(shù)據(jù)初始化狀態(tài)位、DAQ列表配置初始化狀態(tài)位、ECU斷電時標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲請求狀態(tài)位、ECU斷電時DAQ列表配置信息保存請求狀態(tài)位、運(yùn)行狀態(tài)位。本文主要用到DAQ列表配置初始化狀態(tài)標(biāo)志。

圖4 SET_S_STATUS命令結(jié)構(gòu)

(3)GET_DAQ_SIZE函數(shù)

GET_DAQ_SIZE命令是獲得P－ECU中每個DAQ列表中包含的ODT數(shù)量，以及每個通道第一個DAQ－DTO消息對應(yīng)的PID值，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。該函數(shù)包含的一個BYTE型輸入?yún)?shù)為DAQ通道序號。P－ECU接收到該命令消息后會返回DTO消息，其中包含上邊提到的信息，然后V－ECU需要解析返回消息并對信息進(jìn)行提取。由于P－ECU包含3個DAQ通道，并且本文試驗(yàn)對3個DAQ通道都有涉及，所以在任務(wù)調(diào)度過程中該接口功能函數(shù)會連續(xù)調(diào)用三次，每次傳入不同的DAQ序號參數(shù)。

圖5 GET_DAQ_SIZE命令結(jié)構(gòu)

(4)SET_DAQ_PTR函數(shù)

SET_DAQ_PTR命令會指定DAQ列表中的一個具體位置，然后將WRITE_DAQ命令中的參量信息寫到這個位置，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。該函數(shù)包含DAQ通道序號、ODT序號、元素序號等3個BYTE型輸入?yún)?shù)。

(5)WRITE_DAQ函數(shù)

圖6 SET_DAQ_PTR命令結(jié)構(gòu)

WRITE_DAQ命令的功能是向上一條SET_DAQ_PTR所指定的DAQ列表中的位置寫參量信息，包括參量地址、字節(jié)數(shù)、地址偏移等，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。該函數(shù)包含兩個BYTE型、一個DWORD型輸入?yún)?shù)。由于發(fā)送一次SET_DAQ_PTR和WRITE_DAQ命令，只能將一個參量元素配置到DAQ列表中，所以在配置DAQ列表信息過程中，需循環(huán)多次組合發(fā)送SET_DAQ_PTR和WRITE_DAQ兩個接口函數(shù)，直到所有需要監(jiān)控參量元素在DAQ列表中全部配置完成。

(6)START_STOP函數(shù)

START_STOP命令的功能是使能或禁止某一通道的DAQ功能，其結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。該函數(shù)包含5個輸入?yún)?shù)，主要輸入?yún)?shù)為DAQ模式 (使能/禁止)、DAQ通道號等，其他參數(shù)一般為定值。該函數(shù)調(diào)用一次只能使能或禁止一個通道的DAQ功能。本文P－ECU包含3個通道，并且每個通道都要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以該函數(shù)需調(diào)用三次。

圖8 START_STOP命令結(jié)構(gòu)

(7)任務(wù)調(diào)度函數(shù)

該函數(shù)的主要功能是對上邊6個功能函數(shù)進(jìn)行合理調(diào)用，并且對返回消息進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對P－ECU中DAQ功能的使能，其軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

前6個函數(shù)中都要調(diào)用CAN驅(qū)動中的“CAN_Transmit()”函數(shù)，用于將構(gòu)造好的CCP協(xié)議命令消息通過CAN總線發(fā)送出去。第7個函數(shù)在對返回消息進(jìn)行分析時需調(diào)用CAN驅(qū)動中的“CAN_Receive()”函數(shù)將命令返回消息從CAN模塊寄存器中讀取出來。

2.3.2 DAQ－DTO消息解析

圖9 任務(wù)調(diào)度流程

當(dāng)V－ECU對P－ECU中的DAQ列表配置完并使能DAQ功能后，P－ECU會以不同速率周期性的向外發(fā)送DAQDTO消息，其中包含V－ECU需要從P－ECU中獲取的參量。該部分軟件的作用就是將這些所需要的參量值從DAQ－DTO消息中解析出來。因P－ECU中DAQ列表是V－ECU按照一定規(guī)律進(jìn)行配置的，所以V－ECU能容易得知每個DAQDTO消息包含哪些參量值。該部分軟件的設(shè)計思路是通過定義一個buffer來存放所有DAQ－DTO消息的數(shù)據(jù)，當(dāng)VECU接收到一幀消息后，根據(jù)其PID值將消息中的數(shù)據(jù)存放到buffer中的固定位置，然后判斷該DAQ通道中的所有消息是否接收完成，如果接收完成便把該通道中的所有參量值從該數(shù)據(jù)buffer中提取出來，并將該通道的接收完成標(biāo)志清零;如果該通道中還有消息沒有接收便跳出CAN接收中斷任務(wù)。具體操作流程如圖10所示。

在軟件設(shè)計過程中，很多地方會需要一些函數(shù)的輸入?yún)?shù)，而這些參數(shù)一般是與P－ECU相關(guān)的特征信息，以及與所需參量相關(guān)的地址信息或參量類型。考慮到系統(tǒng)的通用性和可移植性，本文將這些參數(shù)都統(tǒng)一定義到一個配置文件中，在將本系統(tǒng)應(yīng)用到其他ECU參量獲取項(xiàng)目時，只需修改該配置文件中的相應(yīng)內(nèi)容即可。

3 試驗(yàn)結(jié)果

搭建的發(fā)動機(jī)雙路并行ECU系統(tǒng)臺架試驗(yàn)平臺電控系統(tǒng)部分如圖11所示。首先將P－ECU與發(fā)動機(jī)直接連接，其次由于兩個ECU的接口都是標(biāo)準(zhǔn)接插件，需要通過兩個中轉(zhuǎn)箱將兩個ECU中的CAN通信接口引出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)VECU與P－ECU之間的CAN信息數(shù)據(jù)的相互傳輸。此外，由于曲軸信號和凸輪軸信號一般為脈沖信號，并且可能會影響某些特定的控制標(biāo)志位，所以在試驗(yàn)過程中將曲軸信號和凸輪軸信號分別連接到兩個ECU上。

圖10 DAQ消息解析流程

圖11 雙路并行ECU系統(tǒng)臺架試驗(yàn)平臺

基于發(fā)動機(jī)雙路并行ECU系統(tǒng)臺架試驗(yàn)平臺，V－ECU首先需要高速獲取P－ECU中采集到的各個傳感器值，用于待開發(fā)V－ECU的控制算法優(yōu)化開發(fā)。同時針對ECU中表征控制效果的參量，隨所驗(yàn)證功能模塊的不同而進(jìn)行不同組合的獲取。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)參量獲取方法的可行性，需要借助標(biāo)定軟件INCA通過ES581通信硬件對兩個ECU中相對應(yīng)的參量進(jìn)行同時監(jiān)控，并對比分析V－ECU所獲取參量信息相對于P－ECU的延遲情況。圖12為發(fā)動機(jī)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速5000 r/min情況下，各DAQ通道參量在V－ECU與PECU中的變化情況。由于同一DAQ通道的參量間隔時間一般為幾個微秒，所以在驗(yàn)證某一DAQ通道的通信效果時，只需對相應(yīng)通道中的一個參量進(jìn)行分析，即可反映出該通道的通信速度。在試驗(yàn)過程中了選取3個參量信號進(jìn)行驗(yàn)證，分別為進(jìn)氣歧管壓力信號、節(jié)氣門開度信號以及大氣壓力信號。由于進(jìn)氣歧管壓力信號在發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)波動較大，所以將該參量安排到Segment通道，即曲軸轉(zhuǎn)半圈事件通道。另外，由于發(fā)動機(jī)ECU對電子節(jié)氣門的控制周期較小，一般為幾毫秒控制一次，因此將節(jié)氣門開度信號安排到10ms通道中，能較真實(shí)的反映節(jié)氣門開度變化。最后由于大氣壓力信號一般變化幅度小，且不受發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響，故將其安排到100 ms通道，便可滿足試驗(yàn)要求。

圖12 5000rpm各DAQ通道參量獲取結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可得，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，曲軸12 ms轉(zhuǎn)一圈，即Segment通道中的參量會間隔約6 ms更新一次。V－ECU會在P－ECU發(fā)送出DAQ－DTO消息10 ms內(nèi)獲得參量值。對于10ms和100ms DAQ通道的參量，PECU會每隔10ms和100ms將其參量值向外發(fā)送一次。而10ms DAQ通道中的參量，V－ECU會在P－ECU發(fā)出DAQDTO消息后10ms內(nèi)獲得其參量值。100ms DAQ通道中的參量，V－ECU會在P－ECU發(fā)出DAQ－DTO消息后約30ms到40ms左右獲得其參量值。綜上可得，P－ECU3個DAQ通道中的參量都將會在一個對應(yīng)通信周期內(nèi)被V－ECU獲取，而往往相關(guān)參量在一個周期內(nèi)變化很小，因此可認(rèn)為同一時刻某一參量在P－ECU中的數(shù)值與V－ECU中的數(shù)值相等。所以將該系統(tǒng)用于通過對比兩個ECU控制效果差異進(jìn)行控制算法優(yōu)化過程中，其控制效果差異是在發(fā)動機(jī)工況幾乎完全相同情況下得到的，從而具有很高的對比分析意義。試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計的獲取P－ECU中參量方法，獲取速度足夠快，獲取變量靈活，能很好滿足發(fā)動機(jī)ECU控制算法對標(biāo)優(yōu)化開發(fā)要求。

4 結(jié)論

基于原機(jī)P－ECU和待開發(fā)V－ECU雙路并行發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)測試試驗(yàn)平臺，提出利用遵循CCP協(xié)議的主－從設(shè)備間DAQ功能，通過V－ECU使能P－ECU中DAQ功能，實(shí)現(xiàn)對P－ECU內(nèi)部工作參量的靈活，高速實(shí)時獲取與共享應(yīng)用。研究表明，該方法獲取變量靈活且實(shí)時性高，能滿足發(fā)動機(jī)ECU控制系統(tǒng)開發(fā)需求并提升研發(fā)測試效率。此外，還為實(shí)時獲取封閉式ECU中工作參量信息提供了一種靈活高效的途徑。