車載電源控制器標定軟件設計

楊云露 龔元明 周建鵬

摘 要：為提高電動汽車用電源控制器開發效率，利用VisualStudio開發基于CCP協議的上位機標定軟件，自定義CCP控制命令并利用CCP driver編寫下位機通信代碼，同時在AltiumDesigner中繪制CAN通信電路圖，完成上下位機之間通信模塊軟硬件設計，最后利用CANTest進一步驗證收發數據的精確度。該上位機標定軟件可實時監控并顯示MOSFET內部溫度、輸入電壓和輸出電壓、輸入電流等數據。經大量實驗測試結果表明，上下位機之間通信穩定可靠、傳輸速率快，可節約調試成本。

關鍵詞：標定系統;CCP協議;CAN總線;上位機

DOI：10. 11907/rjdk. 191898 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0146-05

0 引言

標定系統是產品開發中的關鍵工具之一，主要用于監控控制器實時工作參數，從而方便研發人員設計和測試產品。但整體來看，基于CCP協議的標定系統仍舊匱乏，絕大多數汽車標定系統是基于國外軟件再進行小部分開發或直接采用國外標定產品。近年來，國內有部分高校自主研發了各具特色的標定軟件，主要應用于整車控制器、電池管理系統BMS、發動機標定系統或變速器、ABS等。

例如，李雅博等[1]設計了一套基于CCP協議的標定系統，完成了對混合動力汽車（HEV）動力系統中多個ECU的標定工作;丁圣彥等[2]分析了CCP協議用于標定的工作機理，討論了利用CANape進行基于CCP標定的實現方法;袁九宇[3]詳細介紹了基于CCP協議標準的CAN總線測試校準技術，并分析了基于CCP協議的校準測試技術誤差產生原因及處理方法;林志華等[4]采用Labview開發基于CCP協議的上位機標定監控軟件，利用CCP driver實現上下位機間的通訊，用以采集發動機信號;Tang等[5]介紹了CCP協議基本原理、通信模式及ECU標定的工作模式，并基于CCP協議設計了一個ECU標定系統;Chen等[6]設計了一個基于CAN總線的汽車多功能監測系統，為運行中的汽車提供了一個數據采集和顯示平臺;Sung等[7]利用標定工具CANoe開發了一種ECU模擬器，通過在線標定工具實現虛擬ECU標定，提高標定系統開發效率;王健[8]針對具體車型，制定出整車控制策略，設計了適用于某款單片機系統的CCP驅動軟件，通過實車標定試驗，對控制器待標定參數進行標定;徐群杰等[9]設計了一種基于CAN總線的遠程溫濕度綜合探測器，將采集到的數據傳輸到安卓客戶端或其它終端;黃曉波、盧焱等[10-11]對上位機標定軟件進行功能模塊劃分，在LabVIEW平臺上完成了標定軟件各模塊的設計;文獻[12]介紹了一個完整的CCP協議系統設計，包括ECU驅動器、計算機校準軟件設計和傳輸機構改進，利用Visual Studio設計計算機校準軟件，并提出了一種改進的傳輸機制，可獲得更好的實時性能;文獻[13-19]展示了近年來在線標定系統發展狀況，主要聚焦于汽油發動機、柴油機及ESP其它電控單元參數標定監測，其原理均基于CCP協議開發上位機監測軟件，并與標定系統進行匹配，實時修改RAM區域參數，從而提高匹配效率、減少開發周期，但大多研究是基于國外標定軟件進行測試，獨立制定協議并開發一套標定軟件的實例較少。

本文設計的車載電源控制器標定系統，通過電壓、溫度、電流采集等外圍信號電路，將采集到的信號利用A/D轉換處理成微處理器MCU可識別的信號，然后利用MCU對車載電源控制器輸入電壓、輸出電壓及MOSFET內部溫度等信號進行分析處理并存放至FLASH單元。上位機采用VisualStudio設計簡潔高效的界面，方便用戶操作。上位機與下位機通信采用CCP（CAN Calibration Protocol）協議，下位機ECU通過汽車線束接插件及DB9接頭連接通訊模塊USBCAN，從而實現ECU數據與上位機標定軟件的數據通信。本文設計的基于CCP標定協議的上位機軟件可直觀地對車載電源控制器進行在線標定與通信數據實時監測。

1 CCP協議

CCP協議是基于CAN總線的標定協議，主要定義兩幀CAN報文，分別是命令接收對象CRO （Command Receive Object）與數據傳輸對象DTO（Data Transmission Object），CRO是主設備發送給從設備的命令，用來傳遞CMD命令代碼和相關參數，實現主從設備間存儲信息交換。當從機接收到一條CRO后，會返回一條數據發送對象DTO作為應答。CCP 協議共有28條命令代碼。其中必選命令有11條，可選命令17條。每條命令中第一個字節是CMD代碼，當從設備接收到CRO后，首先依據CMD解析主設備待執行的命令。CRO中第2個字節是命令計數器CTR統計CRO已發送的命令個數。其余6個字節為傳輸的數據參數，命令接收對象CRO結構如圖1所示。數據傳輸對象DTO共有CRM（Command Return Message）、事件消息及DAQ-DTO 3種形式，其中CRM 是對主設備發送的CRO的響應，通常以OxFF開頭;事件消息結構是當從設備發現內部出現錯誤時，自行向主設備發送錯誤信息報文;DAQ-DTO用于DAQ數據采集模式時的數據傳送，由從設備按照程序設定的周期自動向主設備發送數據。DTO形式如表1所示。

2 標定系統結構

在標定系統中，主設備一次只能與一個從設備建立邏輯連接。主設備指標定工具，從設備是被標定的下位機。

車載電源控制器系統由下位機電源控制器ECU、通訊模塊USBCAN與上位機標定軟件3部分組成，ECU通過帶有CAN接口的汽車線束接插件與CAN網絡連接。USBCAN通訊模塊負責PC端USB接口與ECU之間的數據轉換和傳輸。上位機可實時顯示車載電源控制器MOSFET的內部溫度、輸入電壓和輸出電壓等參數。其中USBCAN通訊模塊采用周立功USBCAN接口卡。標定系統硬件結構如圖2所示。

本文采用VisualStudio進行上位機標定軟件開發，通訊模塊采用CAN接口卡實現上下位機USB數據流和CAN數據流轉換，最大傳輸速率為1Mbps。ECU處理器采用Infineon XC2234L芯片，該芯片集成了MultiCAN控制器模塊，收發芯片選用TLE6250G。在應用程序方面，周立功公司提供了一套Virtual CAN Interface（VCI）函數庫，附帶庫里所有函數聲明。相應開發接口文件包括ControlCAN.d11、ControlCAN.lib等，庫函數從ControlCAN.d11中導出，在VisualStudio中可便捷地調用VCI函數庫，從而完成標定軟件程序開發。

3 硬件設計

在本文實驗中，Infineon XC2234L微處理器內部集成 MultiCAN 控制器，CAN控制器與物理總線之間通過TLE6250 CAN收發器作為數據轉換接口，可實現CAN控制器邏輯電平與CAN總線差分電平之間的轉換。其數據收發過程是控制器發出 TTL電平信號給收發器，收發器將數據信號轉化為CAN標準的差分信號，將控制器傳來的數據轉化為電信號并將其送入CAN總線上。總線輸入輸出端電壓、電流與 MOS 管溫度數據通過USBCAN接口卡與上位機進行通訊，上位機通過USBCAN讀取數據，從而圖形化、數字化地監控和顯示輸入輸出端電壓、電流和MOS管溫度實時數據狀態。此外，為抑制信號反射，在CAN總線兩個端點處接有R19為120Ω的終端匹配電阻。CAN通信接口電路設計如圖3所示。

4 軟件設計

4.1 上層通信設計

上層通信為上層標定軟件的通信，主要通過調用USBCAN接口卡動態鏈接庫usbcan.dll函數得以實現[20]。在初始化USB轉CAN接口時，需調用動態鏈接庫VCI_InitCan（）函數，對輸入波特率、標識符位數及接收緩沖區等進行設置。在通信過程中，上位機向ECU發送CRO、ECU向上位機發送DTO及檢測數據時均依靠usbcan.dll函數完成，其調用流程如圖4所示，上位機標定界面如圖5所示。該上位機可實時檢測車載電源控制器的外部供電電壓、負載電流、板內 MOSFET 管溫度及負載輸出端電壓。并可通過參數設置控制電源控制器電壓、電流與溫度的安全范圍，將數據固化到微處理器中，以此監測并保護車載電源控制器。

4.2 下層通信設計

下位機控制器ECU內部必須實現CAN驅動與CCP驅動集成，由于Infineon XC2234L微處理器芯片內嵌MultiCAN控制器，實現 CAN 驅動相對容易。CAN驅動程序（CAN Driver）封裝了CCP協議所有幀的類型，主要由CAN初始化、CAN發送和CAN接收3部分組成。用于實現下位機控制器ECU的CAN通訊功能，是CAN總線數據傳遞基礎及實現CCP協議命令收發的載體。CCP驅動程序（CCP Driver）解析并執行來自上位機的CCP命令，這是實現基于CCP協議標定系統的關鍵，用于解析來自CAN總線的CCP命令并采集數據發送至上位機標定軟件，并更新ECU內RAM或FLASH中的各種標定數據，當下位機出現故障時，及時向上位機發送錯誤提示。

在本文車載電源控制器設計中，控制命令順序為主設備與從設備的連接—車載電源控制器的手動控制—MOS 管的閉合與斷開（或溫度值采集、輸入端電壓采集、輸出端采集）。其定義的控制命令如表2所示。

4.2.1 主設備與從設備連接

車載電源控制器上電時會自動運行主設備與從設備的連接命令，CRO指令為{0x01，CC_CONNECT，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}。

4.2.2 車載電源控制器自動控制與手動控制

在自動控制模式下，車載電源控制器可根據輸入端電壓、輸出端電壓、MOS管工作溫度的綜合判斷，進行功率MOS管閉合和斷開操作。在手動控制模式下，從機控制器可根據主機 CRO 命令，進行諸如功率MOS管控制、輸入端電壓、輸出端電壓及MOS管工作溫度采集等操作。主端要實現電源控制器自動控制和手動控制，應順次執行2個CCP 命令：①設置內存傳輸地址（CC_SET_MTA）。主端通過 CCP 協議設置內存傳輸地址命令（SET MTA），將基地址BaseAddr_strCMDControl_CCP = 0xC9A0 發送至電源控制器。實際發送：{0x02，CC_SET_MTA，0x00，0x00，0x A0，0x C9，0x00，0x00}。其中CCP_COMMAND[Num_SETMTA，4]= （byte）Addr為基地址低位，CCP_COMMAND[Num_SETMTA，5]= （byte）（Addr >> 8）為基地址高位;②設置自動控制與手動控制。主端通過CCP協議的數據下載命令（DNLOAD），實際發送：自動控制： {0x03，CC_DNLOAD，0x01，0x20 ，0x00，0x00，0x00，0x00}，手動控制：{0x03，CC_DNLOAD， 0x01， 0x21，0x00，0x00，0x00，0x00}。其中CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 2] = 0x01 ： 表示命令的字節長度，CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 3] = 0x20：表示自動控制，CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 4] = 0x21 ： 表示手動控制。

4.2.3 功率MOS管閉合與斷開

功率 MOS 管閉合與斷開也順次執行2個CCP 命令：①設置內存傳輸地址。主端通過CCP協議的設置內存傳輸地址命令（SET MTA）將基地址 BaseAddr_strCMDControl_CCP = 0xC9A0發送至電源控制器;②設置自動控制和手動控制。主端通過CCP協議的數據下載命令（DNLOAD），自動控制：{0x03，CC_DNLOAD， 0x01， 0x 01 ，0x00，0x00，0x00，0x00}，手動控制：{0x03，CC_DNLOAD， 0x01，0x02，0x00，0x00，0x00，0x00}。其中CCP_COMMAND[Num_DLOAD，2]=0x01：表示命令的字節長度，CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 3] = 0x01：表示接通電壓控制功率MOS管，CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 4]=0x02：表示關斷電壓控制功率MOS管。

4.2.4 車載電源控制器工作溫度采集

主端任務是實現電源控制器工作溫度采集，按順序執行 2個CCP 命令：①設置內存傳輸地址（CC_SET_MTA）。主端通過 CCP 協議的設置內存傳輸地址命令（SET MTA），將工作溫度值的地址 0xC808 發送至電源控制器，實際發送：{0x02，CC_SET_MTA，0x00，0x00，0x08 ，0xC8，0x00，0x00};②工作溫度采集。主端通過 CCP協議的數據上載命令（UPLOAD）。實際發送：{0x04，CC_UPLOAD，0x02，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}，其中CCP_COMMAND[Num_DLOAD， 2] = 0x02 ： 表示上傳的字節長度，電源控制器向主端發回的DTO格式為：{0x FF，CC_UPLOAD ，0x00， 0x XX ，0x XX， 0x 00 ，0x00，0x00} 溫度實際值計算公式Temp_Value = （float）Byte2Toshort（ DTO[3] +DTO[4]*256 ） /100.0f - 128.0f。

4.2.5 車載電源控制器輸入電壓采集

主端任務是采集電源控制器輸入電壓，順次進行 2個 CCP 命令：①設置內存傳輸地址（CC_SET_MTA）。主端通過 CCP 協議的設置內存傳輸地址命令（SET MTA）將輸入電壓值的地址 0xC800 發送至電源控制器;②輸入電壓的采集。主端通過CCP協議的數據上載命令（UPLOAD）。實際發送：{0x04，CC_UPLOAD，0x02，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}。

電源控制器向主端發回的DTO格式為：{0x FF， CC_UPLOAD ，0x00， 0xXX ，0xXX， 0x00，0x00，0x00}，輸入電壓值計算公式Vin_RealValue= （float）Byte2Toshort（ DTO[3] + DTO[4]*256 ） /100.0f。

4.2.6 車載電源控制器輸出電壓采集

主端任務是采集電源控制器輸入電壓，應順序進行以下2個CCP命令：① 設置內存傳輸地址（CC_SET_MTA）。主端通過CCP協議的設置內存傳輸地址命令（SET MTA）將輸出電壓值地址 0xC802 發送至電源控制器;②輸出電壓采集。主端通過 CCP 協議數據上載命令（UPLOAD）。實際發送：{0x04，CC_UPLOAD，0x022 ，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}，電源控制器向主端發回的DTO格式為：{0xFF， CC_UPLOAD ，0x00， 0x XX ，0x XX， 0x 00 ，0x00，0x00}，輸出電壓值計算公式Vout_RealValue=（float）Byte2Toshort（ DTO[3] + DTO[4]*256 ） /100.0f。

5 實驗測試

5.1 現場測試

控制器ECU通過汽車線束接插件、USBCAN接口卡與上位機進行通信。ECU上電之后，通過CAN總線發送報文，當上位機監測到輸入端電壓過高時，ECU可自動斷開輸入和輸出通斷狀態，并在上位機端進行實時監測顯示。當檢測到溫度超過一定值時，ECU可進行熱關斷，起到保護MOS管的作用。實時檢測車載電源控制器外部供電電壓、負載電流、板內MOS管溫度及負載輸出端電壓，并可通過設置電源控制器電壓參數、電流與溫度的安全范圍，將數據固化到XC2234L芯片中，以此監測和保護車載電源控制器。實驗測試表明，該上位機與ECU數據通訊穩定可靠、傳輸速率快，且上位機可對MOS管內部溫度、輸入電壓和輸出電壓的數據進行實時監控、參數標定及參數固化等功能，滿足了車載電源控制器標定試驗要求。

5.2 數據通信測試

為進一步對比上位機數據采集功能模塊中實時數據準確性與精確度，利用周立功CANTest助手監測CAN總線通訊數據。首先設置設備索引號、通道號與波特率（500Kbps），與控制器程序設置保持一致，確定后啟動CAN模塊。幀格式選擇數據幀，幀類型為擴展幀，幀ID為0x00000001，設置CRO為01 AA時，表示閉合命令，此時車載電源控制器ECU，返回01 FF，即表示響應閉合命令，CRO為02 AA時，表示斷開命令，ECU此時返回02 FF，即表示響應斷開命令，CRO為03 AA時，表示參數監測命令，ECU此時返回03+7個字節（輸入電壓（mV）+輸出電壓（mV）+溫度（℃））的工作參數，低字節在前，高字節在后，由此可計算出輸入電壓（mV）、輸出電壓（mV）以及溫度（℃）值，并與設計的上位機監測到的值進行比較。例如實驗中的03 1e 2d f0 00 9b 00 00，表示輸入電壓（mV）= 1e 2d，化為十進制11550（mV），即輸入電壓（mV）為11.55V，以相同方式計算輸出電壓（mV），溫度（℃）=00 9b，化為十進制155，依據公式（float）Byte2Toshort（DTO[3] +DTO[4]*256） /100.0f - 128.0f得溫度（℃）值為155-128=27℃，與上位機監測到的數值一致。

6 結語

本文針對上位機標定系統開發提供了一種思路，對于部分電控單元標定可獨立制定協議并采用合適的軟件開發上位機，滿足產品測試需求。本文利用VisualStudio開發基于CCP協議的上位機標定軟件，經大量實驗驗證該軟件可穩定運行，具有傳輸速率快、精確度高、安全可靠的優點，可節約車載電源控制器調試成本，極大提高開發效率。盡管本文開發的上位機簡單方便，但僅可滿足車載電源控制器類產品測試需求，針對復雜數據采集與參數實時監測，還需進一步研究和開發。

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（責任編輯：江 艷）