純電驅(qū)動整車控制器XCP標定系統(tǒng)的研究與開發(fā)

靳曉飛，張 良，張 欣

（北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

當前，應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)汽車內(nèi)部多個ECU之間的通訊已經(jīng)非常普遍。在需要對ECU進行監(jiān)測和標定時，基于CAN總線的標定協(xié)議CCP得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是，車載網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜和多樣化，除了控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）外，還有LIN、MOST、Flex Ray等，下一代的標定協(xié)議必須能滿足這些不同網(wǎng)絡(luò)的要求。為此，ASAM在2003年制定了XCP標定協(xié)議。XCP標定協(xié)議是CAN標定協(xié)議CCP2.1的改進版，除了CAN網(wǎng)絡(luò)以外，它還支持其它類型車載網(wǎng)絡(luò)[2]。XCP協(xié)議不依賴于物理傳輸層，相比于CCP，其主要優(yōu)點是傳輸層的獨立性。XCP標定協(xié)議效率高、占有資源少，故而能夠?qū)崿F(xiàn)通用標定協(xié)議的要求[3]。

基于XCP標定協(xié)議的標定方式能夠?qū)崿F(xiàn)便捷、可靠和高效的在線標定。本文的主要內(nèi)容就是針對基于英飛凌TC1767的整車控制器，研究與開發(fā)符合XCP標定協(xié)議的在線標定系統(tǒng)。標定系統(tǒng)的設(shè)計包括了XCP標定系統(tǒng)的構(gòu)成組件和詳細方案。標定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時標定數(shù)據(jù)和標定數(shù)據(jù)下載的功能。為了驗證XCP標定系統(tǒng)的可行性和實時性，最后利用工具軟件 CANoe 進行了二次開發(fā)并對標定系統(tǒng)進行了測試。

1 純電動汽車的特性分析

純電動汽車僅依靠電力作為驅(qū)動力，電動機將動力電池組的電能轉(zhuǎn)化為機械能用以驅(qū)動汽車行駛。純電動汽車的結(jié)構(gòu)根據(jù)電動機的不同布置，可以分為集中電機驅(qū)動、多電機驅(qū)動、輪轂電機驅(qū)動等3種模式。

本文的研究對象選擇輪轂電機四驅(qū)純電動汽車，試驗樣車如圖1所示。該車分別由4個輪轂電機獨立驅(qū)動4個車輪，動力電池由4塊12 V單體電池串聯(lián)的鉛酸電池組成，電動汽車的額定電壓/電流為48 V/50 A，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為25 N·m，額定功率為1.5 kW。

輪轂電機驅(qū)動模式將電機本體、車輪輪轂殼體和齒輪傳動系統(tǒng)集成一體。輪轂電機控制器控制方式可直接將按需標定的信號接入電機控制器來控制電機。而試驗樣車的電機控制器采用CAN通訊接口和整車控制器進行通訊。基于XCP標定協(xié)議，通過CAN總線電機接受電機控制器發(fā)送的指令來實現(xiàn)在線標定并進行標定數(shù)據(jù)采集以實現(xiàn)車輛正常行駛。

本電動汽車控制器的核心芯片是英飛凌TC1767，該芯片是AUDO FUTURE產(chǎn)品家族中專門面向汽車應(yīng)用而優(yōu)化設(shè)計的芯片[4]，TC1767程序就嵌入在芯片中。

TC1767是一種32位的高性能單片機，其硬件特點包括：程序內(nèi)存單元指令存儲器和指令緩存；串行通信接口；能夠直接存儲器存取控制器DMA操作和中斷服務(wù)；具有通用定時器；具備高性能片上總線；片上調(diào)試和仿真設(shè)備；靈活連接到外部組件和電源管理。該芯片提供2 MB片上閃存、128 KB RAM和幾種通用片上外圍單位如定時器單元和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。CPU時鐘頻率為133 MHz。

2 標定系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

本文中標定系統(tǒng)主要是對下位機的開發(fā)，選用CAN總線作為傳輸層，即選擇TC1767上的一個CAN模塊并進行CAN模塊驅(qū)動程序的開發(fā)。在本標定系統(tǒng)中按照XCP協(xié)議進行通信，并采用主從的通訊模式。XCP-on-CAN可以采用兩種工作模式：一種是標準通訊（查詢）模式，另一種是塊傳輸模式[5]。本標定系統(tǒng)中用查詢模式實現(xiàn)對純電驅(qū)動整車控制器進行參數(shù)標定，用塊傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)對電機控制器采集數(shù)據(jù)的周期性上傳（DAQ的實現(xiàn)）。

2.1 標定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

標定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。CAN通信模塊采用了CAN通信卡，將上位機USB口輸出的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后發(fā)送給ECU的CAN口。電動機驅(qū)動控制器負責處理標定界面下發(fā)的標定數(shù)據(jù)和傳感器采集的測量數(shù)據(jù)。CAN通信模塊將收到的USB信號轉(zhuǎn)換為CAN信號發(fā)送給下位機ECU。XCP標定程序通過TASKING編譯并且嵌入到TC1767芯片中。標定時，將數(shù)據(jù)放入事先制好的DAQ表中，ECU再對這些表進行周期性上傳，通過CAN模塊和USB口最后在監(jiān)測窗口中實時顯示測量數(shù)據(jù)。

標定系統(tǒng)的執(zhí)行過程主要有兩部分：初始化和執(zhí)行周期任務(wù)[6]。初始化過程包括時鐘設(shè)置、輸入輸出引腳配置以及CAN模塊的初始化設(shè)置。初始化完成后，系統(tǒng)方能啟動定時器。

系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用兩個系統(tǒng)任務(wù)，在5 ms任務(wù)中首先檢查CAN總線上有無來自上位機的XCP 命令報文，然后執(zhí)行在線標定，顯示標定數(shù)據(jù)數(shù)值的變化。在2.5 s任務(wù)中，主要是實現(xiàn)標定過程中DAQ的功能模塊，在此任務(wù)中程序循環(huán)處理標定的發(fā)送隊列上的數(shù)據(jù)，然后以塊傳輸模式將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)上，以報文的形式呈現(xiàn)。

相比于CCP，CAN總線上XCP的報文不需要報頭，只有數(shù)據(jù)包和報尾[3]。XCP數(shù)據(jù)包與傳輸層的選擇無關(guān)。報文的最大長度定義為8個字節(jié)，首字節(jié)為數(shù)據(jù)包標識。而設(shè)計的系統(tǒng)中需要把8個字節(jié)的數(shù)用報文的形式進行采集，所以用兩條報文來表達。

2.2 CAN模塊驅(qū)動的設(shè)計與開發(fā)

在本系統(tǒng)中 CAN 模塊底層驅(qū)動主要由3部分組成，分別為CAN報文接收，CAN模塊初始化和CAN 報文發(fā)送[7]。

2.2.1 CAN模塊收發(fā)器連接方式

每片TC1767提供了兩路CAN接口，每一路CAN各有一個收發(fā)器（圖3）。本文重點研究其中一路收發(fā)器。收發(fā)器上RXD引腳為CAN總線的接收輸入引腳，它連接在外部端口P3.12處；TXD引腳為發(fā)送輸出引腳，連接于P3.13。除此之外，CAN的高低電平信號管腳CANH和CANL分別連接在引腳插座的4和3管腳上。

2.2.2 初始化設(shè)計

每當使用CAN模塊時都必須對其功能進行初始化，以保證進入復(fù)位模式[8]。選擇CAN模塊中Node0（1個節(jié)點）的MO0、MO1、MO2（3個信息傳輸對象）進行開發(fā)。在初始化過程中，需要設(shè)置CAN模塊的時鐘頻率、波特率，進行控制器的選擇。

CAN模塊中的定時器時鐘頻率fCAN由模塊控制時鐘fCLC所得。分數(shù)分頻器是用于生成fCAN并用于位定時計算。一個CAN的位時間可被分為不同的段（圖3），每個段用時間量子tq的倍數(shù)表示[9]。時間量子tq由BRP值和DIV8值決定。

相關(guān)計算公式如下：

根據(jù)CAN總線時鐘的相關(guān)規(guī)定，可以得到

波特率即為其倒數(shù)。

由于CAN模塊的最大時鐘頻率為133 MHz，本次設(shè)計的CAN模塊的時鐘頻率設(shè)置為40 MHz，借助DAvE軟件，選擇CAN模塊中的節(jié)點Node0，默認tq=1，設(shè)置需要達到的波特率250 kbps，當不采用8分頻時，即DIV=0，可以得到TSEG1=5，TSEG2=4，BRP=15，即完成了波特率的設(shè)置。

2.2.3 接收數(shù)據(jù)的命令

本系統(tǒng)中將CAN接收設(shè)置為以中斷方式接收，在接收報文的函數(shù)中主要是提取數(shù)據(jù)CAN模塊數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)。接收流程如圖5所示。

2.2.4 發(fā)送數(shù)據(jù)的命令

發(fā)送數(shù)據(jù)的命令流程如圖6所示。

2.3 XCP標定程序的設(shè)計

2.3.1 程序流程

標定程序啟動后，首先執(zhí)行的過程主要由初始化和執(zhí)行周期任務(wù)兩部分組成。初始化主要是對MCU時鐘設(shè)置，芯片的輸入輸出引腳配置以及CAN模塊初始化設(shè)置。初始化完成后，系統(tǒng)啟動定時器，進行時鐘頻率設(shè)置，設(shè)置計數(shù)器每1 ms加1，作為系統(tǒng)周期任務(wù)的頻率。

然后，系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用5 ms、2.5 s這兩個系統(tǒng)任務(wù)。5 ms任務(wù)的作用是調(diào)用檢查CAN模塊的通訊總線上有沒有上位機發(fā)送的XCP命令報文，并執(zhí)行在線標定。2.5 s的任務(wù)主要是實現(xiàn)標定系統(tǒng)的DAQ的函數(shù)處理功能，在此任務(wù)中程序按照頻率循環(huán)處理測量的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)從發(fā)送隊列中傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，并以報文形式呈現(xiàn)。

2.3.2 標定基本命令的選取和使用

其中，CONNECT和DISCONNECT為最先執(zhí)行的協(xié)議通信的基本命令，這兩個命令用來確定是否已經(jīng)與ECU建立通信。另外，需要說明的一點是，所有被下載的標定數(shù)據(jù)都要通過一個單獨的DOWNLOAD報文進行下載。表1中給出了本系統(tǒng)中需要調(diào)用的XCP協(xié)議層的命令。

表1 系統(tǒng)中的XCP協(xié)議基本命令

2.4 上位機軟件的開發(fā)

基于TC1767的XCP標定程序的相關(guān)設(shè)置，上位機軟件的設(shè)置如下：

?CTO消息ID：0x201。

?DTO消息ID：0x200，格式為標準幀格式。

?波特率設(shè)置為250 kbps。

上位機開發(fā)流程框圖如圖7所示。

2.5 標定系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和特點

2.5.1 建立通信連接

建立通信連接是主從節(jié)點相互交換信息的過程，首先由主節(jié)點確認通信模式，然后再獲取從節(jié)點的使能模塊，建立連接的通信應(yīng)答過程為

發(fā)送報文：FF 00

應(yīng)答報文：FF 15 C0 08 08 00 10 10

2.5.2 數(shù)據(jù)在線標定

數(shù)據(jù)在線標定的傳輸過程首先由主節(jié)點在與之相關(guān)聯(lián)的文件中，查找出此變量在程序中的存儲地址，將此地址發(fā)送給從節(jié)點。然后主節(jié)點再發(fā)送本次要上傳數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。最后再發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令并在剛才發(fā)送的地址處修改變量值。

2.5.3 DAQ機制的實現(xiàn)

與CCP協(xié)議一樣，XCP也采用主從通訊模式，但在主從節(jié)點對話的過程中，所有內(nèi)容都以XCP數(shù)據(jù)包進行傳輸。XCP數(shù)據(jù)包可分為命令傳輸（CTO）和數(shù)據(jù)傳輸（DTO）兩種。上述的DOWNLOAD命令就處在CTO包的CMD處理模塊中，而DAQ功能模塊則在DTO中。

在數(shù)據(jù)的組織形上，DAQ的傳輸過程首先需要觀測變量的信息并進行分析，然后按照其數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)來進行傳輸。一般的DAQ數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)主要有3個層次：數(shù)據(jù)采集列表（DAQlist）、對象描述列表（ODT）和傳輸字節(jié)（Byte）。每個DAQ傳輸列表中有若干個ODT列表，用于存儲一個變量的地址和字節(jié)數(shù)。

在CAN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)腄AQ幀格式為：

其中Byte0（PID）為傳輸包的標識序號，而Byte1至Byte7即為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息[10]。

DAQ的傳輸結(jié)構(gòu)中有多個傳輸隊列，而每個傳輸隊列（DAQlist）又可包含多個ODT。每個ODT又都對應(yīng)一個數(shù)據(jù)傳輸包，該傳輸包的序號PID與DAQ的數(shù)據(jù)包序號一一對應(yīng)[4]。XCP協(xié)議處理過程中，在得到DAQ模式傳輸?shù)拿詈髸勒丈衔粰C所提供的變量地址在內(nèi)存RAM中的相應(yīng)位置讀取該變量的數(shù)值，這樣就實現(xiàn)了標定系統(tǒng)中應(yīng)用DAQ模塊對觀測量進行的傳輸。

在傳輸過程和標定過程中，DAQ傳輸?shù)膶崿F(xiàn)依靠系統(tǒng)周期性驅(qū)動及其功能函數(shù)來完成，其具體過程有3個階段，分別為獲取通信模式，設(shè)置內(nèi)存RAM空間和接收傳來的地址和數(shù)據(jù)。首先，程序響應(yīng)并回復(fù)給主節(jié)點DAQ的工作模式和初始化信息；然后處理機會接收FREE_DAQ命令，即對主從節(jié)點的會話狀態(tài)進行重新設(shè)置；隨后，主節(jié)點會分別傳入本次數(shù)據(jù)傳來的Daqlist數(shù)量，ODT數(shù)量和每個ODT所包含的字節(jié)數(shù)和字節(jié)信息，這些信息會根據(jù)傳入的順序被存入結(jié)構(gòu)體中；隨后要對這個結(jié)構(gòu)體進行內(nèi)存空間的檢測。接下來，主節(jié)點會發(fā)送SET_DAQ_PTR和WRITE_DAQ這兩個命令來傳入觀測數(shù)據(jù)的地址和和數(shù)據(jù)的長度。這些地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)會以周期性任務(wù)形式向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送。

DAQ實現(xiàn)了對于標定系統(tǒng)中所觀測變量的動態(tài)采集。這種觀測方式與用輪詢方式觀測變量值相比可降低網(wǎng)絡(luò)負載，節(jié)省空間，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性。

3 標定系統(tǒng)的測試

測試采用英飛凌公司的TC1767開發(fā)板來模擬ECU，測試平臺是在原有的Vector公司的CANoe系統(tǒng)上進行了二次開發(fā)，針對已經(jīng)開發(fā)好的基于TC1767的標定系統(tǒng)，設(shè)計上位機的程序。軟件環(huán)境采用英飛凌提供的編譯軟件TASKING進行編譯。系統(tǒng)環(huán)境配置如圖8和圖9所示。

測試旨在對電動汽車的模擬標定，主要驗證系統(tǒng)能否準確地返回所標定的變量值[11]。系統(tǒng)提供了兩種標定方式，分別為在線標定數(shù)據(jù)下載（DOWNLOAD）和數(shù)據(jù)對象獲取（DAQ）。

對于標定數(shù)據(jù)的DOWNLOAD的測試，可以通過對“cal.txt”文件中標定更新的數(shù)據(jù)的設(shè)置修改，實時觀測上位機程序控制面板（圖10）。

位于圖10下側(cè)的“cal.txt”文本可以用來設(shè)置上位機中需要標定的8個參量（車速、電動機轉(zhuǎn)速、電池電量等）的值，對文本保存后，才可以啟動標定系統(tǒng)。圖10上側(cè)的“Calibration”窗口是對下位機標定數(shù)據(jù)檢測的一個面板。通過對右側(cè)每個參量后的按鈕依次點擊，我們能夠很快地在左側(cè)的方框中得到下載的標定數(shù)據(jù)。通過重復(fù)測試，我們發(fā)現(xiàn)，標定的這一組數(shù)據(jù)的值與在“cal.txt”文本中預(yù)設(shè)保存的上位機的參量值是相同的，這就說明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)標定數(shù)據(jù)DOWNLOAD的功能。

對于DAQ模式上傳數(shù)據(jù)，我們測試的設(shè)計是把上位機通過DOWNLOAD下載到下位機的數(shù)據(jù)通過DAQ模式以報文的格式上傳回上位機，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的標定功能。通過啟動“Calibration”控制面板上的DAQ模式控制開關(guān)啟動DAQ模式（打開圖10左下角的“DAQ Mode”開關(guān)），數(shù)據(jù)消息的觀察窗口“trace”可以實時觀測到數(shù)據(jù)采集DAQ的報文信息（圖11）。

我們可以觀察到，每隔2.5 s進行一次數(shù)據(jù)的標定，每次標定上傳數(shù)據(jù)會通過兩條6字節(jié)的報文來展現(xiàn)。其中每條報文第一個字節(jié)為報文的序號，最后一個字節(jié)無意義，兩條報文2到5字節(jié)一共8個字節(jié)中即為上傳的8個參量值。它們以16進制數(shù)呈現(xiàn)，轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，正好與DOWNLOAD中下載的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。報文每隔2.5 s上傳一次，之后的數(shù)據(jù)也是一一對應(yīng)的。我們修改需要標定的參量，也能得到相同的結(jié)論：報文每隔2.5 s上傳一次，且與下位機下載的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)相同。

綜上所述，通過對標定系統(tǒng)進行的功能性測試，可以得出以下結(jié)論：

（1）標定系統(tǒng)可以準確實現(xiàn)通信連接。

（2）標定系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時的標定數(shù)據(jù)下載DOWNLOAD的功能。

（3）標定系統(tǒng)可以實現(xiàn)周期為2.5 s的從下位機上傳數(shù)據(jù)（DAQ）的功能，可以實現(xiàn)即時的電動汽車實時工況的檢測。

4 總結(jié)

本文采用英飛凌TC1767整車控制器，研究并開發(fā)了基于XCP協(xié)議和CAN模塊通訊的標定系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于XCP協(xié)議的標定方式來便捷、可靠地在線標定，其方法如下：

（1）對XCP協(xié)議進研究和分析，從傳輸層、協(xié)議層規(guī)范等方面對標定的功能和標定流程進行了分析，并以此標準開發(fā)實現(xiàn)了兩種方式的XCP標定系統(tǒng)。

（2）對CAN總線傳輸原理進行研究，分析CAN模塊功能，詳細完成了CAN總線的初始化設(shè)計并完成下位機CAN總線接口驅(qū)動開發(fā)。

（3）對整個標定系統(tǒng)進行測試，實現(xiàn)了與控制器的聯(lián)調(diào)，確保系統(tǒng)運行的正確性。

（4）研究并實現(xiàn)了XCP標定系統(tǒng)的DOWNLOAD和DAQ功能。

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