基于CCP協議的電控發動機監控標定系統開發

摘要：CCP協議是一種基于CAN總線的匹配標定協議，其可靠性和穩定性高，應用范圍越來越廣。通過采用Labview開發了基于CCP協議的上位機標定監控軟件，利用CCP_DRIVER實現了下位機與上位機的通訊，實現了數據上傳和下載等相關功能。采用本標定系統進行的電控發動機監控標定試驗表明該套系統實時性和可靠性好，能夠滿足發動機標定試驗要求。

關鍵詞：CCP協議；CAN總線；發動機標定

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0054-05

Development of Engine Control Unit Monitoring and

Calibration System Based on CCP

LIN Zhi-hua1，WANG Dong-liang1，2，WANG Yin-hui1， HUANG Kai-sheng1

（1.Deapartment of Automotive Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084，China；

2. Department of Helicopter Airborne Equipment， Army Aviation College， Beijing 101123，China）

Abstract：CCP protocol is a matching calibration protocol based on CAN bus. It’s reliable and stable， and it’s used by more and more Automobile Enterprise Group.In order to achieve the data upload and download function， we use Labview to develop the PC-based CCP protocol monitoring and calibration software， slave device use the ccp_driver to realize the communication with the host device.It’s proved by the experiment that the system has high real-time capability and reliability to meet the qualification of engine calibration test.

Key words：CCP protocol；CAN bus；engine calibration

發動機標定系統是標定工程師根據發動機工況利用已有的控制算法通過修改控制參數和數據，使發動機滿足規定性能要求的工具。目前，基于CAN總線的標定系統已經成為主流。CCP（CAN Calibration Protocol ）是一種基于CAN總線的ECU標定協議，采用CCP協議可以快速而有效地實現對汽車電控單元的標定。在許多歐美汽車廠商中CCP協議得到了越來越廣泛的應用，如ETAS公司的INCA數據采集標定系統以及VECTOR公司的CANape標定監控系統等，以上商業化軟件價格高昂，為降低開發成本，自主開發基于CCP協議、可以針對德爾福等國外廠商提供的發動機管理系統進行標定的工具成為必需。

目前國內有的研究單位利用VECTOR公司的商業化標定軟件CANape開發發動機標定系統［1］，尚沒有完全自主的基于CCP的標定監控系統。本文采用Labview開發相應的上位機軟件，使用Vector公司的free CCP Driver實現下位機的CCP功能，由此構成一套完整的基于CCP協議的發動機監控標定系統，實現了數據上傳和下載等相關功能。由于ECU底層程序和CAN驅動程序的不同，CCP Driver與ECU程序的整合工作相當繁瑣，在整個標定監控系統開發過程中整合工作經常耗費大量的時間，本文將提供比較詳細的下位機軟件實現方法示例，以幫助縮短系統開發周期。

1 CCP協議簡介

CCP協議是歐洲ASAP（Arbeitskreis zur Standardisierung von Applikationssystemen）項目組基于CAN協議制定的一套控制系統參數標定系統［2］。CCP協議支持以下兩個主要任務：

1） 主設備（上位機）從ECU（下位機）獲取數據，監控發動機運行情況；

2） 主設備（上位機）修改ECU（下位機）內數據，進行發動機標定。

CCP協議中的主從設備通訊方式如圖1所示。

CCP協議中主設備通過查詢模式（polling）和數據采集模式（DAQ，Data-Acquisition）等兩種方式來獲取從設備的數據信息。查詢模式采用一問一答方式，主設備每隔一段時間即給從設備發送一條數據上傳命令，從設備響應該命令并向主設備發回相關數據；而處于數據采集模式時，主設備事先設置好從設備模式后，從設備在沒有主設備主動參與的情況下以固定周期完成數據的上傳。

基于CCP協議的CAN標定使用兩種傳輸對象：命令接收對象CRO和數據傳輸對象DTO。CRO由主設備（上位機）發往從設備（下位機），從設備接收CRO后給主設備發送DTO作為回饋，此時的DTO被稱為CRM（Command Return Message）。

CRO占用一個CAN報文，由8個字節組成。字節0為命令代碼，字節1為命令計數器，字節2到7為命令相關參數和數據區。

圖 1 CCP主從設備通訊

DTO由從設備發往主設備，DTO根據不同作用可以分為三大類：

1） 命令返回消息CRM。此時DTO作為接收主設備命令CRO后的一個回饋；

2） 事件消息。此時DTO用于向主設備報告從設備內部出現的一些錯誤；

3） 數據獲取消息。此時DTO用于向主設備發送DAQ數據。

2 基于CCP協議的發動機標定系統實現

該發動機管理系統由發動機ECU、通訊模塊USB_CAN和PC機監控軟件三部分組成，見圖2。

圖 2 標定系統結構

發動機ECU通過CAN接口與CAN網絡相連接。USB_CAN通訊模塊負責PC機USB接口與發動機ECU之間的數據轉換和傳輸。PC上位機標定軟件可以實時顯示發動機運行狀態參數、讀取和修改發動機ECU內各個標定數據和標定表格。其中USB_CAN通訊模塊采用了周立功的USBCAN-I/II 智能CAN 接口卡。

2.1 上位機軟件開發

上位機程序采用Labview軟件進行編寫。編寫周立功CAN卡驅動程序，實現主從設備基本CAN通訊功能后針對監控和標定功能開發相應的Labview程序。

2.1.1 監控系統

CCP協議中數據上傳功能的實現方法包括查詢模式和DAQ數據采集模式兩種。為了提高總線利用效率，本文開發的上位機監控軟件采用DAQ模式。DAQ模式的實現由一系列專門設計的數據結構來實現，其組織形式如圖3所示，下位機包含若干個DAQ List，每個DAQ List中包含若干個目標數據表格ODT，每個ODT包含7個數據起始地址及相應的數據長度。

圖 3 DAQ數據描述表

數據采集模式下，一個完整的數據上傳流程如圖4所示。

圖 4 DAQ模式數據上傳流程

1）初期準備：通過CONNECT命令建立鏈接；通過SET_S_STATUS命令設定下位機工作模式，關閉下位機DAQ模式，待初始化DAQ完成后再使能DAQ模式。

2）DAQ數據結構初始化：通過GET_DAQ_SIZE命令得到下位機定義的DAQ數據結構信息，包括每個DAQ List中包含的ODT數目，每個List起始ODT的PID序號等等，該命令也給每個List固定了一個特定的CAN網絡ID。通過SET_DAQ_PTR命令選定需要初始化的一個DAQ最小數據單元。通過WRITE_DAQ命令設定選定的最小數據單元的數據起始地址以及相應的數據長度。通過重復SET_DAQ_PTR和WRITE_DAQ命令完成所需數據單元的全部初始化。

3）開始DAQ數據的上傳：完成DAQ初始化之后，通過SET_S_STATUS命令使能DAQ模式后通過START_STOP命令指定特定DAQ List中的數據進行上傳。

本系統中上位機需要發送的CCP命令儲存于軟件后臺配置文件中，操作人員只需調用該配置文件即可完成對下位機的設置，從而使得下位機軟件按照設定的周期向上位機發送數據。上位機接收到下位機發送的原始數據后，需要進行數據的解析和顯示。本文針對德爾福公司的發動機管理系統MT20U ECU進行了標定系統開發工作。德爾福公司的發動機管理系統ECU采用的是基于CCP的協議，其軟件中定義了2個DAQ List，每個List包含20個DTO。為了增強本系統的通用性，開發的上位機軟件需要兼容德爾福公司的ECU，由于只有2個DAQ List，下位機給上位機的CAN數據幀只能有2個不同的ID（一般為0X7E5和0X7E6）。

圖 5 DAQ目標數據表格ODT結構

如圖5所示，DAQ-DTO信息中第一個字節為PID，該數值隨著ODT序號的不同而不同，如果ODT0的PID為0，則ODT1的PID為1，ODT2的PID為2，以此類推，ODT20的PID為20。由于DAQ_DTO數據幀只有2個不同的CAN ID，如果采用傳統的基于ID的CAN數據解析方法，每個DAQ_DTO結構中包含7個有效字節數據，故而最多只能完成對14個字節數據的解析。為此，本系統采用了CAN ID與PID相結合的方法來完成對數據的解析，例如，當上位機收到的兩幀CAN數據ID都為0X7E5時就可以根據PID的不同而進行區別。

為了便于操作人員觀察，本系統充分利用了Labview的優勢，數據監控除了簡單的數值顯示功能外，還包括相應的圖表顯示功能、數據存儲功能等，以便后續分析。

2.1.2 標定系統

標定系統由以下功能模塊組成：

1、內存地址處理模塊：對ECU內存地址文件進行讀取分析，得到單次試驗中標定量和內存地址對應關系。在向ECU發送標定文件或查詢ECU內標定文件時簡化尋址工作。

2、本地標定文件讀寫模塊：讀取或修改儲存于PC機硬盤內的標定文件。

3、ECU標定文件讀寫模塊：讀取或修改ECU內儲存的標定量。

4、數據分析模塊：選取標定文件進行標定量分析，可以進行單一標定文件的顯示和3D圖分析，也可以實現2個標定文件的3D圖形對比分析等功能。

2.1.2.1 讀取ECU內部標定表格數據

ECU標定文件讀寫模塊涉及CCP協議，當從ECU內部讀取標定數據表格時使用查詢模式，通過內存地址處理模塊獲得該數據表格在ECU內存中的地址，以及該表格包含的數據字節數；軟件后臺按照圖6所示流程完成相應CCP命令的組織和發送；上位機軟件接收下位機返回的數據并完成解析。

首先通過CONNECT命令建立主從設備的鏈接。在成功建立鏈接之后，上位機通過查詢模式來獲取下位機中待標定表格的數據。

查詢模式采用一問一答的模式，與查詢模式相關的命令主要有SET_MAT（Set Memory Transfer Address ） 、UPLOAD以及SHORT_UP。如圖6所示，SET_MAT命令執行下位機中數據上傳起始地址的初始化， UPLOAD命令配置下位機從起始地址開始發送需求字節數的數據給主設備。UPLOAD命令每次最多上傳5個字節數據量，下位機響應UPLOAD命令回復的CAN數據幀中字節3到字節7即為上位機需求的數據。下位機完成回復之后，MTA0的地址指針會自動增加相應的字節數，這樣就可以在下次接收到UPLOAD命令后能夠接著上次命令的數據段繼續上傳數據，這就使得上位機需求數據大于5個字節的情況（比如上位機需要從下位機讀取標定數據表格）能夠順利實現。如果上位機需求的數據字節數不大于5，可以使用SHORT_UP命令來獨立完成數據的上傳功能。

2.1.2.2 修改ECU內部標定表格數據

當需要修改ECU內部待標定表格中的數據時，在通過內存地址處理模塊獲得該數據表格在ECU內存中的地址以及該表格包含的數據字節數等信息后，軟件后臺按圖7所示完成CCP命令的組織和發送，下位機響應這些命令完成對ECU內數據的修改。

圖 7 數據下載流程圖

數據下載功能實現流程與查詢模式數據上傳流程類似。通過Connect命令建立主從設備鏈接后調用SET_MAT命令設置數據下載起始地址，并依據剩余數據數量來決定調用DOWNLOAD還是調用DOWNLOAD 6 BYTES命令來實現數據的下載。

DOWNLOAD命令每次最多下載5個字節，發送的CAN數據幀中字節3到7為需要下載的數據；DOWNLOAD 6 BYTES命令每次固定下載6個字節數據，字節2到字節7為需要下載的數據。下位機響應數據下載命令時，從MAT0定義的起始地址開始逐字節地修改ECU中的數據。

2.2 下位機軟件開發

基于CCP協議的標定系統中，下位機通過調用CCP_DRIVER實現與上位機的通訊［3，4］。下位機軟件結構如圖10所示。

系統上電后通過調用ccpBootInit函數完成CCP協議定義中的CRO_ID和DTO_ID的初始化以及CAN底層驅動的初始化，調用ccpInit函數完成CCP系統初始化。完成初始化工作后，下位機等待中斷的發生。

當接收到上位機的命令時，進入CAN接收中斷，調用ccpBootReceiveCro函數判斷接收的信息是否來自CAN網絡中的主設備，若是則調用ccpCommand函數進行命令的解析，并根據不同的命令組織好需要回饋給上位機的信息。然后，判斷CAN發送緩沖區是否為空，若是則調用ccpSendCallBack函數將準備好的回饋信息發送給上位機。

為了實現DAQ模式，下位機軟件定義了一個實時中斷。在實時中斷中調用ccpDaq（x）和ccpSendCallBack（）函數來完成數據的上傳，其中ccpDaq（x）的x為事件通道，該數值必須和上位機發送的START_STOP命令中定義的事件通道相同。

3 實例應用

3.1 發動機信號采集

本試驗利用開發的上位機軟件來讀取某款發動機ECU中的4個信號數據（進氣歧管壓力、節氣門開度、發動機轉速以及冷卻液溫度），并將得到的發動機轉速以及節氣門開度數值與臺架測得的數值進行比較，以此驗證這套監控軟件的可靠性和通用性。

由于這四個數據總共占7個字節，故而可以在一幀CAN數據幀中完成采集。通過調用儲存CCP命令的后臺文件，上位機完成對ECU軟件中DAQ模塊的設置，并接收ECU返回的數據，其數據幀格式如表1所示。

上位機采集到的信號數據如圖11所示，節氣門開度和發動機轉速分別為49.92%和1022.25 r/min，發動機臺架顯示的節氣門開度為50%，發動機轉速為1 022 r/min。由此可知，這套監控軟件可以正確地觸發ECU發送數據，獲取并解析得到正確的ECU數據信息。

3.2 初級點火線圈閉合時間標定

汽車發動機的點火系統應該完成兩方面的功能：一是使火花塞在曲軸旋轉時的某個最佳位置點燃缸內混合氣；二是要保證點火能量充足。點火能量的高低是由點火線圈初級繞組電流的大小決定的。初級繞組通電時間越長，電流就越接近幅值，斷電后在次級繞組中產生的感應電動勢也就越高，點火能量就越大。為了保證足夠的點火能量，希望點火線圈初級繞組的通電時間長一些，但是過長的通電會造成點火線圈發熱甚至損壞。因此ECU應綜合考慮各方面因素，控制點火線圈初級繞組的最佳通電時間。

點火線圈初級繞組通電時間與冷卻水溫、蓄電池電壓有關，其數值以3維表格的形式儲存在ECU中，橫軸為蓄電池電壓，縱軸為冷卻水溫。在試驗過程中發現該表格原數據整體偏小，點火線圈初級繞組通電時間偏短，最終導致點火能量不足，發動機動力性、燃油經濟性以及排放都受到影響。通過試驗對該表格重新標定，保證了足夠的點火能量。

4 總結

本文采用Labview開發了基于CCP協議的上位機標定監控軟件，利用CCP_DRIVER實現了下位機與上位機的通訊。通過試驗中的實例應用情況可知，開發的標定監控系統運行穩定，能夠完成對發動機ECU的在線標定以及ECU內部數據的監控，其實時性、可靠性以及兼容性得到了驗證，完全符合發動機標定工作的要求。

參考文獻：

［1］ 丁圣彥，羅峰，孫澤昌. 基于CCP協議利用CANape進行電控系統標定［J］.電子技術應用，2005，（12）：1-4.

［2］ ASAP. Can Calibration Protocol Version 2.1. 1999：1-45.

［3］ Vector. CCP Driver （Implementation in Electronic Control Units CCP Version 2.1）.1999：6-31.

［4］ Vector. Integration of the Vector CCP Driver with a free CAN Driver Version 1.1.4.2006：4-39.