基于ASAP架構(gòu)的發(fā)動機ECU標定系統(tǒng)開發(fā)

莊繼暉 謝 輝 李蘇蘇 朱仲文

天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津，300072

0 引言

為了提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，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。發(fā)動機MAP數(shù)據(jù)的準確性和精確度將最終決定發(fā)動機的各種性能，最優(yōu)的MAP是通過經(jīng)過反復的標定試驗才能夠獲取的。在標定過程中，需要實時監(jiān)控柴油機的工作狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)參數(shù)修改MAP中的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控及MAP標定都是由標定系統(tǒng)完成的。設(shè)計和實現(xiàn)通用型的發(fā)動機標定系統(tǒng)對縮短發(fā)動機開發(fā)周期，降低開發(fā)成本具有重要意義。國外的相關(guān)ECU開發(fā)工具鏈提供商采用國際標準協(xié)議開發(fā)的通用型標定系統(tǒng)，能夠?qū)θ魏沃С謽藴蕝f(xié)議的電控單元進行標定，具備良好的適用性。ETAS公司開發(fā)的INCA［1］以及VECTOR公司開發(fā)的CANAPE是目前使用最為廣泛的發(fā)動機ECU標定系統(tǒng)。國內(nèi)的研究院所針對具體應(yīng)用開發(fā)了發(fā)動機標定軟件，但系統(tǒng)對不同電控單元硬件的依賴性較強，應(yīng)對電控單元底層平臺變更的能力不足。本文參考ASAP架構(gòu)，開發(fā)了ECU數(shù)據(jù)描述解釋模塊、多協(xié)議層支持的標準通信模塊，以及ECU標準存儲格式等模塊，形成了完整的發(fā)動機標定系統(tǒng)體系，實現(xiàn)了標定系統(tǒng)對多物理層（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標準

ASAP（arbeitskreis zur standardisierung von applikationssystemen）工作組制定了目前廣泛使用的標準化接口和通信協(xié)議。標準化接口的通信協(xié)議有利于實現(xiàn)不同汽車電控系統(tǒng)之間統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互。ASAP定義了 ASAP1、ASAP2和ASAP3標準，這三個標準構(gòu)成了ASAP標準架構(gòu)［2－3］，見圖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準。

ASAP2提供了不同控制設(shè)備之間的接口、測量數(shù)據(jù)、標定數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲格式、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的規(guī)范化定義。控制設(shè)備的標準信息使用基于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)的存儲細節(jié)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和應(yīng)用的分離，有利于提高MCD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)的測量、標定和診斷等功能的標準化函數(shù)的調(diào)用。

ASAP的3層體系是不同發(fā)動機電控系統(tǒng)之間實現(xiàn)通用接口的基本結(jié)構(gòu)框架，通信接口的標準化是實現(xiàn)標定系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵技術(shù)。其中，自動化系統(tǒng)通信接口的標準化、與不同控制設(shè)備之間通信接口的標準化、ECU數(shù)據(jù)描述格式的標準化是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

2.1 系統(tǒng)總體框架

為了滿足標定系統(tǒng)與不同ECU之間的交互要求，整個標定系統(tǒng)軟件框架遵循ASAP標準及其通信協(xié)議，采用分層式結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想來進行設(shè)計。系統(tǒng)框架主要包括了標定層、診斷層、測量層、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。各功能層之間通過數(shù)據(jù)池進行數(shù)據(jù)交互，即各層之間只存在數(shù)據(jù)耦合，這使得整個架構(gòu)具有充分的靈活性和可擴展性。

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

數(shù)據(jù)管理層主要負責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。ECU中存儲的變量在A2L文件中進行了詳細定義，實現(xiàn)了標定系統(tǒng)和ECU之間的相互獨立。A2L文件中的ECU相關(guān)變量包括監(jiān)控變量、標定變量等，這些信息被提取出來保存到本地數(shù)據(jù)庫。標定系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫查找所需變量的信息，計算變量在ECU中的正確地址和長度，然后與ECU通信獲取正確數(shù)據(jù)。ECU傳送給標定系統(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，并不代表真實的物理量，需要使用A2L中定義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式進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)進行應(yīng)答。在標定系統(tǒng)與ECU建立通信連接的過程中，標定系統(tǒng)經(jīng)過協(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)行標定系統(tǒng)發(fā)送的關(guān)鍵字指令，標定系統(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返回負響應(yīng)，則表示ECU由于某些原因無法執(zhí)行關(guān)鍵字指令，標定系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層的要求完成進一步的錯誤處理。

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)通信層采用緩沖隊列機制來維護數(shù)據(jù)發(fā)送隊列和數(shù)據(jù)接收隊列。ECU中的數(shù)據(jù)保存在工作頁（RAM）和引用頁（FLASH）中。ECU初始化時，將標定數(shù)據(jù)從FLASH復制到RAM中。運行中，ECU通過訪問和使用RAM中的標定參數(shù)來對發(fā)動機進行控制，對ECU的標定就是訪問和修改RAM的過程，調(diào)整RAM中的控制參數(shù)可以使發(fā)動機的控制能夠立刻發(fā)生改變。標定參數(shù)的每次修改都被標定系統(tǒng)更新到RAM中。最后，標定系統(tǒng)將RAM中的數(shù)據(jù)再回寫到FLASH中的相應(yīng)位置，實現(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發(fā)

通信單元是標定系統(tǒng)的重要組成部分，用于建立標定系統(tǒng)與ECU之間的物理通信鏈路，實現(xiàn)標定系統(tǒng)和ECU之間的指令傳送，實時準確地完成監(jiān)控標定功能。K線和CAN總線作為現(xiàn)代汽車電子中常用的通信方式具有各自的特點。K線主要用于故障診斷，通信代價比較低。CAN總線的容錯能力較強，通信速度更高，更適合測量與標定。通信單元必須兼顧通用性和擴展性以達到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)計如圖3所示。

ECU通信單元實現(xiàn)了標定系統(tǒng)上位機軟件與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，該芯片采用了增強的C166SV2內(nèi)核架構(gòu)［4］，集成了具有DSP的運算處理能力、功能強大的外設(shè)以及高性能的片上ROM／FLASH內(nèi)存。同時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。該處理器的高速計算能力及眾多的通信資源為通信硬件的設(shè)計開發(fā)及以后的功能擴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)計中的關(guān)鍵模塊，對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)動器，TLE6258是專門為汽車應(yīng)用設(shè)計的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。CAN收發(fā)器采用Infineon公司的TLE6250CAN收發(fā)器，TLE6250具有行業(yè)領(lǐng)先的靜電保護和抗電磁干擾性。

2.3 CCP、KWP2000協(xié)議層的實現(xiàn)

KWP2000協(xié)議［5－6］提供了完整的車載診斷服務(wù)，廣泛應(yīng)用于電控發(fā)動機故障診斷工具和ECU維修服務(wù)工具的開發(fā)。標定系統(tǒng)的主要功能是發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控、MAP標定以及數(shù)據(jù)下載等，根據(jù)發(fā)動機標定的功能需求，本系統(tǒng)實現(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)遠程啟動功能組、數(shù)據(jù)上載／下載功能組在內(nèi)的KWP2000協(xié)議子集。實現(xiàn)的關(guān)鍵診斷服務(wù)功能組見表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，滿足車載電子系統(tǒng)匹配標定需求的通用型標定協(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ECU的快速有效標定［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定協(xié)議。CCP協(xié)議屬于主從式通信協(xié)議，標定系統(tǒng)作為通信主機，ECU作為通信從機。CCP支持一主多從式的通信方式，主機和從機之間通過會話方式傳送實時數(shù)據(jù)。本文依據(jù)所需的CCP功能實現(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 典型實際應(yīng)用

標定系統(tǒng)根據(jù)ECU采集的各傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)對不同工況點的控制MAP進行修改，能夠在滿足排放要求的前提下，達到更好的經(jīng)濟性。該發(fā)動機ECU標定系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于多種不同型號的柴油機電控系統(tǒng)，其中包括采用MPC561單片機的EDC7高壓共軌柴油機ECU、采用Tricore單片機的EDC17高壓共軌柴油機ECU。標定系統(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)格中任意一點的數(shù)值，標定系統(tǒng)在后臺將待修改數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ECU識別的數(shù)據(jù)格式傳送給ECU，實現(xiàn)標定操作。系統(tǒng)實時反饋并顯示發(fā)動機當前運行的工況點數(shù)據(jù)，為標定工作提供了更為直觀有效的依據(jù)。發(fā)動機的各種傳感器數(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，所有測量數(shù)據(jù)可以選擇數(shù)值和曲線方式進行顯示，見圖7。應(yīng)用該系統(tǒng)在濰柴WP10高壓共軌柴油機上進行了全工況下的噴油提前角、共軌壓力、噴油量的經(jīng)濟性標定試驗，試驗結(jié)果見圖8～圖10。試驗情況表明，系統(tǒng)對不同單片機平臺的ECU提供了很好的支持，適用性強，運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足高壓共軌柴油機的匹配標定要求。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種基于ASAP架構(gòu)的發(fā)動機ECU標定系統(tǒng)，采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法開發(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)具有較好的可擴展能力。在此基礎(chǔ)上，由符合ASAP標準的ECU描述文件構(gòu)建出ECU底層變量數(shù)據(jù)庫，通過更換不同的描述文件使標定系統(tǒng)適用于各種ECU硬件平臺，極大地提高了系統(tǒng)的通用性。經(jīng)過對ECU的標定實驗驗證，所開發(fā)的標定系統(tǒng)實現(xiàn)了在線測量、在線標定、在線編程等功能，并且能夠同時兼容KWP2000協(xié)議和CCP協(xié)議，滿足ECU開發(fā)過程中的匹配標定要求。

［1］ETAS Group.INCA Manual R5.3［M］.Stuttgart：ETAS GmbH，2005.

［2］李計融，鐘再敏.車載控制器匹配標定ASAP標準綜述［J］，汽車技術(shù)，2004（10）：1－4.

［3］ASAM.2003Interface Specification，Interface 2，Version 1.51［S］.H?henkirchen，Gernany：ASAM，2003.

［4］Infineon Company.XC164－16User’s Manual［M］.München，Germany：Infineon Company，2003.

［5］劉國權(quán)，張伯英，宋衛(wèi).KWP2000協(xié)議的分析及開發(fā)測試［J］.汽車技術(shù)，2006（5）：20－24.

［6］Samarbetsgruppen f?r Svensk Fordonsdiagnos.2000 ISO／WD 14230－3，Road Vehicles－diagnostic Systems－keyword Protocol 2000－Implementation［S］.Sweden：Samarbetsgruppen f?r Svensk Fordonsdiagnos，2000.

［7］ASAM.CAN Calibration Protocol Version 2.1［S］.H?henkirchen，Germany：ASAM，1994.

［8］嵇翠華，孔峰，趙不賄.基于CAN總線的電控發(fā)動機標定系統(tǒng)的開發(fā)［J］.內(nèi)燃機工程，2006，27（5）：24－28.