基于ASAP架構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

莊繼暉 謝 輝 李蘇蘇 朱仲文

天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072

0 引言

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，減少排放，電子控制技術(shù)和高壓燃油噴射技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)MAP數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確度將最終決定發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能，最優(yōu)的MAP是通過(guò)經(jīng)過(guò)反復(fù)的標(biāo)定試驗(yàn)才能夠獲取的。在標(biāo)定過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)的工作狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)參數(shù)修改MAP中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控及MAP標(biāo)定都是由標(biāo)定系統(tǒng)完成的。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通用型的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本具有重要意義。國(guó)外的相關(guān)ECU開(kāi)發(fā)工具鏈提供商采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開(kāi)發(fā)的通用型標(biāo)定系統(tǒng)，能夠?qū)θ魏沃С謽?biāo)準(zhǔn)協(xié)議的電控單元進(jìn)行標(biāo)定，具備良好的適用性。ETAS公司開(kāi)發(fā)的INCA［1］以及VECTOR公司開(kāi)發(fā)的CANAPE是目前使用最為廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的研究院所針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定軟件，但系統(tǒng)對(duì)不同電控單元硬件的依賴(lài)性較強(qiáng)，應(yīng)對(duì)電控單元底層平臺(tái)變更的能力不足。本文參考ASAP架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了ECU數(shù)據(jù)描述解釋模塊、多協(xié)議層支持的標(biāo)準(zhǔn)通信模塊，以及ECU標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式等模塊，形成了完整的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)體系，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)多物理層（包括K線及CAN總線）以及多協(xié)議層（包括KWP2000協(xié)議及CCP協(xié)議）的良好支持。

1 ASAP標(biāo)準(zhǔn)

ASAP（arbeitskreis zur standardisierung von applikationssystemen）工作組制定了目前廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)化接口和通信協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)化接口的通信協(xié)議有利于實(shí)現(xiàn)不同汽車(chē)電控系統(tǒng)之間統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互。ASAP定義了 ASAP1、ASAP2和ASAP3標(biāo)準(zhǔn)，這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了ASAP標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)［2－3］，見(jiàn)圖1。

ASAP1定義了ASAP控制設(shè)備和MCD（measurement calibration diagnostic）系統(tǒng)之間物理和邏輯連接的接口標(biāo)準(zhǔn)。

ASAP2提供了不同控制設(shè)備之間的接口、測(cè)量數(shù)據(jù)、標(biāo)定數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的規(guī)范化定義。控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)信息使用基于XML技術(shù)的A2L（滿足ASAP2規(guī)范的一種文件格式）文件描述。A2L文件描述了控制設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和應(yīng)用的分離，有利于提高M(jìn)CD系統(tǒng)的通用性。

ASAP3作為MCD系統(tǒng)與用戶應(yīng)用層之間的接口，提供MCD系統(tǒng)的測(cè)量、標(biāo)定和診斷等功能的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)的調(diào)用。

ASAP的3層體系是不同發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)通用接口的基本結(jié)構(gòu)框架，通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)標(biāo)定系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵技術(shù)。其中，自動(dòng)化系統(tǒng)通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化、與不同控制設(shè)備之間通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化、ECU數(shù)據(jù)描述格式的標(biāo)準(zhǔn)化是ASAP架構(gòu)的核心所在。

2 基于ASAP的系統(tǒng)框架及通用型模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

為了滿足標(biāo)定系統(tǒng)與不同ECU之間的交互要求，整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)軟件框架遵循ASAP標(biāo)準(zhǔn)及其通信協(xié)議，采用分層式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框架主要包括了標(biāo)定層、診斷層、測(cè)量層、數(shù)據(jù)管理層、協(xié)議解釋層、數(shù)據(jù)通信層，如圖2所示。各功能層之間通過(guò)數(shù)據(jù)池進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即各層之間只存在數(shù)據(jù)耦合，這使得整個(gè)架構(gòu)具有充分的靈活性和可擴(kuò)展性。

用戶界面層提供友好的人機(jī)交互，響應(yīng)用戶的各種操作。用戶界面能夠?qū)崟r(shí)顯示從ECU中獲得的各種數(shù)據(jù)，其中包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、標(biāo)定數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)管理層主要負(fù)責(zé)A2L描述文件和HEX（符合Intel HEX的一種文件格式）數(shù)據(jù)文件的管理和維護(hù)。ECU中存儲(chǔ)的變量在A2L文件中進(jìn)行了詳細(xì)定義，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定系統(tǒng)和ECU之間的相互獨(dú)立。A2L文件中的ECU相關(guān)變量包括監(jiān)控變量、標(biāo)定變量等，這些信息被提取出來(lái)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。標(biāo)定系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)查找所需變量的信息，計(jì)算變量在ECU中的正確地址和長(zhǎng)度，然后與ECU通信獲取正確數(shù)據(jù)。ECU傳送給標(biāo)定系統(tǒng)的變量數(shù)據(jù)只是數(shù)據(jù)在ECU內(nèi)存中的表示格式，并不代表真實(shí)的物理量，需要使用A2L中定義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行變換后才能得到正確的結(jié)果。

協(xié)議解釋層將應(yīng)用層的操作轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的關(guān)鍵字命令以及解釋ECU返回的關(guān)鍵字響應(yīng)。標(biāo)定系統(tǒng)發(fā)送通信協(xié)議關(guān)鍵字命令后，等待ECU返回響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)ECU的響應(yīng)進(jìn)行應(yīng)答。在標(biāo)定系統(tǒng)與ECU建立通信連接的過(guò)程中，標(biāo)定系統(tǒng)經(jīng)過(guò)協(xié)議解釋層獲得快速初始化指令相應(yīng)的發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，并將發(fā)送字節(jié)提交給數(shù)據(jù)通信層，由數(shù)據(jù)通信層調(diào)用USB接口函數(shù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。ECU返回正響應(yīng)數(shù)據(jù)，則表示已經(jīng)接收并執(zhí)行標(biāo)定系統(tǒng)發(fā)送的關(guān)鍵字指令，標(biāo)定系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層的要求完成下一關(guān)鍵字指令的操作；ECU返回負(fù)響應(yīng)，則表示ECU由于某些原因無(wú)法執(zhí)行關(guān)鍵字指令，標(biāo)定系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層的要求完成進(jìn)一步的錯(cuò)誤處理。

數(shù)據(jù)通信層用于管理USB設(shè)備以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)通信層采用緩沖隊(duì)列機(jī)制來(lái)維護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列和數(shù)據(jù)接收隊(duì)列。ECU中的數(shù)據(jù)保存在工作頁(yè)（RAM）和引用頁(yè)（FLASH）中。ECU初始化時(shí)，將標(biāo)定數(shù)據(jù)從FLASH復(fù)制到RAM中。運(yùn)行中，ECU通過(guò)訪問(wèn)和使用RAM中的標(biāo)定參數(shù)來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)ECU的標(biāo)定就是訪問(wèn)和修改RAM的過(guò)程，調(diào)整RAM中的控制參數(shù)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的控制能夠立刻發(fā)生改變。標(biāo)定參數(shù)的每次修改都被標(biāo)定系統(tǒng)更新到RAM中。最后，標(biāo)定系統(tǒng)將RAM中的數(shù)據(jù)再回寫(xiě)到FLASH中的相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)ECU數(shù)據(jù)的同步更新。

2.2 多物理層支持的通信硬件開(kāi)發(fā)

通信單元是標(biāo)定系統(tǒng)的重要組成部分，用于建立標(biāo)定系統(tǒng)與ECU之間的物理通信鏈路，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定系統(tǒng)和ECU之間的指令傳送，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地完成監(jiān)控標(biāo)定功能。K線和CAN總線作為現(xiàn)代汽車(chē)電子中常用的通信方式具有各自的特點(diǎn)。K線主要用于故障診斷，通信代價(jià)比較低。CAN總線的容錯(cuò)能力較強(qiáng)，通信速度更高，更適合測(cè)量與標(biāo)定。通信單元必須兼顧通用性和擴(kuò)展性以達(dá)到K線和CAN總線的多物理層支持。基于以上考慮，通信單元的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

ECU通信單元實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定系統(tǒng)上位機(jī)軟件與ECU之間透明的數(shù)據(jù)交換。ECU通信單元涉及到多物理層之間的協(xié)議切換、通信時(shí)序控制等功能。本文將Infineon C166家族中的XC164CM作為主控芯片，該芯片采用了增強(qiáng)的C166SV2內(nèi)核架構(gòu)［4］，集成了具有DSP的運(yùn)算處理能力、功能強(qiáng)大的外設(shè)以及高性能的片上ROM／FLASH內(nèi)存。同時(shí)XC164CM配備了完善的網(wǎng)絡(luò)通訊功能模塊，具有CAN、SPI、UART等通訊接口。該處理器的高速計(jì)算能力及眾多的通信資源為通信硬件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及以后的功能擴(kuò)展打下了良好的基礎(chǔ)。

K線收發(fā)器和CAN收發(fā)器是該硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵模塊，對(duì)ECU數(shù)據(jù)通信品質(zhì)有直接的影響。本文采用Infineon公司的TLE6258作為K線串行鏈路總線驅(qū)動(dòng)器，TLE6258是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的LIN總線收發(fā)器，它作為介于協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，具有兼容性好、低功耗等特點(diǎn)。CAN收發(fā)器采用Infineon公司的TLE6250CAN收發(fā)器，TLE6250具有行業(yè)領(lǐng)先的靜電保護(hù)和抗電磁干擾性。

2.3 CCP、KWP2000協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)

KWP2000協(xié)議［5－6］提供了完整的車(chē)載診斷服務(wù)，廣泛應(yīng)用于電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷工具和ECU維修服務(wù)工具的開(kāi)發(fā)。標(biāo)定系統(tǒng)的主要功能是發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、MAP標(biāo)定以及數(shù)據(jù)下載等，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的功能需求，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括診斷管理功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、輸入／輸出控制功能組、ECU函數(shù)遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能組、數(shù)據(jù)上載／下載功能組在內(nèi)的KWP2000協(xié)議子集。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵診斷服務(wù)功能組見(jiàn)表1。KWP2000協(xié)議層的工作流程如圖4所示。

表1 KWP2000功能組的通信關(guān)鍵字

CCP（CAN calibration protocol）協(xié)議是一種基于CAN總線，滿足車(chē)載電子系統(tǒng)匹配標(biāo)定需求的通用型標(biāo)定協(xié)議。該協(xié)議也是ASAP的重要組成之一，采用CCP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ECU的快速有效標(biāo)定［7－8］。因此，CCP協(xié)議已經(jīng)成為目前各種商用電控單元廣泛支持的一種標(biāo)定協(xié)議。CCP協(xié)議屬于主從式通信協(xié)議，標(biāo)定系統(tǒng)作為通信主機(jī)，ECU作為通信從機(jī)。CCP支持一主多從式的通信方式，主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)會(huì)話方式傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文依據(jù)所需的CCP功能實(shí)現(xiàn)了CCP協(xié)議層，如圖5所示。CCP協(xié)議中包括的功能組如表2所示。

3 典型實(shí)際應(yīng)用

標(biāo)定系統(tǒng)根據(jù)ECU采集的各傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)對(duì)不同工況點(diǎn)的控制MAP進(jìn)行修改，能夠在滿足排放要求的前提下，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性。該發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于多種不同型號(hào)的柴油機(jī)電控系統(tǒng)，其中包括采用MPC561單片機(jī)的EDC7高壓共軌柴油機(jī)ECU、采用Tricore單片機(jī)的EDC17高壓共軌柴油機(jī)ECU。標(biāo)定系統(tǒng)用戶主界面如圖6所示，控制MAP數(shù)據(jù)以網(wǎng)格顯示，用戶可以修改網(wǎng)格中任意一點(diǎn)的數(shù)值，標(biāo)定系統(tǒng)在后臺(tái)將待修改數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ECU識(shí)別的數(shù)據(jù)格式傳送給ECU，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定操作。系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋并顯示發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的工況點(diǎn)數(shù)據(jù)，為標(biāo)定工作提供了更為直觀有效的依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的各種傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)都可以從ECU中獲取，所有測(cè)量數(shù)據(jù)可以選擇數(shù)值和曲線方式進(jìn)行顯示，見(jiàn)圖7。應(yīng)用該系統(tǒng)在濰柴WP10高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行了全工況下的噴油提前角、共軌壓力、噴油量的經(jīng)濟(jì)性標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8～圖10。試驗(yàn)情況表明，系統(tǒng)對(duì)不同單片機(jī)平臺(tái)的ECU提供了很好的支持，適用性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足高壓共軌柴油機(jī)的匹配標(biāo)定要求。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ASAP架構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定系統(tǒng)，采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了用戶界面層、數(shù)據(jù)管理層以及通信協(xié)議解釋層等關(guān)鍵模塊，使得系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展能力。在此基礎(chǔ)上，由符合ASAP標(biāo)準(zhǔn)的ECU描述文件構(gòu)建出ECU底層變量數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)更換不同的描述文件使標(biāo)定系統(tǒng)適用于各種ECU硬件平臺(tái)，極大地提高了系統(tǒng)的通用性。經(jīng)過(guò)對(duì)ECU的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所開(kāi)發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量、在線標(biāo)定、在線編程等功能，并且能夠同時(shí)兼容KWP2000協(xié)議和CCP協(xié)議，滿足ECU開(kāi)發(fā)過(guò)程中的匹配標(biāo)定要求。

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