基于CAN總線的新能源汽車ECU控制器程序刷寫系統(tǒng)設(shè)計

吳進軍，方繼根，王西峰，趙錦濤，李晨風(fēng)，謝志鵬

0　引言

隨著新能源汽車的發(fā)展，越來越多的車載ECU被應(yīng)用于新能源汽車電子控制領(lǐng)域。同時，由于新能源汽車具有繁多的品種和匹配測試需求，使得車載ECU程序刷寫越來越被主機廠所重視，程序刷寫的速度和可靠性要求一再提高。

其對于開發(fā)的需求也在上升[1]，而對于一個主機廠而言，開發(fā)一套自己的軟件刷新的基礎(chǔ)軟件，用于車輛的驗證和重復(fù)開發(fā)，可以大大降低其開發(fā)的成本和時間[2]。

在CAN總線的發(fā)源地德國，寶馬、奔馳、保時捷、奧迪和大眾等全球知名廠家一起成立了HIS（Hersteller Initiative software）技術(shù)聯(lián)盟，制定了自己的刷新標(biāo)準。國內(nèi)的主機廠根據(jù)相應(yīng)的國際標(biāo)準，或采用統(tǒng)一的標(biāo)準，也有指定第三方軟件開發(fā)商（Vector、KPIT、Mentor等）開發(fā)基礎(chǔ)的Flashloader軟件[3]。而在國內(nèi)，由于汽車電子技術(shù)起步的原因，早期并沒有主機廠進行相關(guān)方面的研究，近一兩年來，也逐步出現(xiàn)了針對各類單片機的CANBootloader的實現(xiàn)[4]，但并沒有形成商業(yè)化的軟件，軟件本身也并不完善。

CAN總線作為最為常見的車載通訊方式，具有通訊速率高，可靠性高等特點。

1　CAN燒錄系統(tǒng)設(shè)計

1.1　硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)在通訊過程中采用了兩種通訊方式，第一種是基于電腦可以識別的USB通訊，第二種是應(yīng)用于車載OBD所能夠接受的CAN通訊，因而，在二者之間，采用了USB轉(zhuǎn)CAN的設(shè)備進行信號的轉(zhuǎn)化。此USB轉(zhuǎn)CAN的設(shè)備支持0K～1000K的波特率范圍、擁有2000幀的內(nèi)部緩存、支持CAN幀的掩碼屏蔽、擴展幀和標(biāo)準幀的切換。因而可以得到如圖1的通訊結(jié)構(gòu)圖。

圖1　通訊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Communication structure diagram

1.2　軟件系統(tǒng)設(shè)計

ECU的燒錄過程大致可以分為三個環(huán)節(jié)。第一個環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)傳輸，指的從ECU和PC建立通訊到ECU的FLASH部分（程序段）數(shù)據(jù)從PC傳送給單片機的環(huán)節(jié)；第二個環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)校驗，通過數(shù)據(jù)校驗的方式，判斷傳輸數(shù)據(jù)的正確與否；第三個環(huán)節(jié)是FLASH的擦除和寫入，將通過第二個環(huán)節(jié)校驗成功后的數(shù)據(jù)放入對應(yīng)的FLASH區(qū)域進行編程。

由于應(yīng)用對象的單片機為XC2000系列，其具有內(nèi)部CAN-BSL是固化的，無法修改的特點。且根據(jù)官方提供的源碼中表明，其不存在數(shù)據(jù)校驗等功能，且其對起始幀的幀消息限制僅僅為第一個字節(jié)和第二個字節(jié)均為0x5555，不滿足SAE J1939的協(xié)議。同時在非專用網(wǎng)絡(luò)上，這種不限制幀ID的方式，會導(dǎo)致其響應(yīng)其他恰好有數(shù)據(jù)位0x5555的非起始幀[5]。因而是需要對其編程方式進行重新設(shè)計，在單片機的FLASH區(qū)域，單獨開辟出一塊區(qū)域來用于BootLoader。整個刷寫的原理如圖2所示。

圖2　CAN刷寫原理圖Fig.2 CAN brushing schematic diagram

在XC2364單片機Bootloader區(qū)域內(nèi)，PC端通過握手和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，向XC2364單片機的PSRAM段傳輸數(shù)據(jù)。在單片機執(zhí)行PSRAM段程序時，通過PC端數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，將單片機的用戶段數(shù)據(jù)傳輸給單片機并寫入用戶段區(qū)域。

由于XC2000系列的單片機的RAM有限，同時為了方便其FLASH的編程，因而，選擇單頁編程，即將用戶段數(shù)據(jù)程序一次編程128個字節(jié)的方式。同時考慮到代碼的更新時間與用戶代碼的干擾，選擇在上電后的幾秒內(nèi)檢測單片機的用戶段數(shù)據(jù)更新。此外還可以根據(jù)需要，設(shè)置單片機的跳轉(zhuǎn)來實現(xiàn)ESC程序的實時刷寫。由此，我們可以得到整個燒錄的流程為圖3。

圖3　CAN燒錄流程Fig.3 CAN burning process

其中深色箭頭為CAN幀傳輸?shù)姆较?，黑色箭頭為程序的執(zhí)行方向。其中，深色箭頭由單片機往PC機傳輸?shù)拇蠖嗍琼憫?yīng)報文，包括肯定響應(yīng)和否定響應(yīng)，由PC機發(fā)送給單片機的大多是數(shù)據(jù)報文，也有部分響應(yīng)報文。其中，在FLASH寫入環(huán)節(jié)的CRC校驗過程是由上位機發(fā)送校驗數(shù)據(jù)，單片機根據(jù)前面的數(shù)據(jù)進行計算，計算完成后進行比對，比對通過后發(fā)送CRC通過的響應(yīng)。

2　數(shù)據(jù)操作

對于單片機數(shù)據(jù)的操作分為兩種，第一種是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼，第二種是數(shù)據(jù)校驗，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼應(yīng)用于將編寫獲得的程序代碼數(shù)字轉(zhuǎn)化為ECU控制器內(nèi)應(yīng)當(dāng)具有的二進制碼規(guī)律，數(shù)據(jù)校驗則是指在傳輸過程中的數(shù)據(jù)校驗操作。下面將就兩部分進行介紹。

2.1　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼

這里的文件轉(zhuǎn)碼主要指的是將keil編譯完成的H86文件，轉(zhuǎn)碼成可以被用于CAN發(fā)送的data數(shù)組。而對于hex（H86）文件，其每一行均滿足以下規(guī)則。因而，可以根據(jù)這一規(guī)則將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化。整個轉(zhuǎn)化的思路見圖5。其中，判斷是否有效包括了有效數(shù)據(jù)表示符和末尾的和校驗值比對兩個環(huán)節(jié)。對于整個hex文件的轉(zhuǎn)碼我們可以采用流程圖的方式進行展示。

圖4　H86文件解讀規(guī)則Fig.4 H86 file interpretation rules

圖5　H86文件解讀流程Fig.5 H86 Document interpretation process

2.2　數(shù)據(jù)校驗

整個刷寫流程的數(shù)據(jù)校驗為兩種，一種是和校驗，一種是CRC校驗。

由于軟件的編寫環(huán)境是LabVIEW，為了方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗，PC端在編寫和校驗和CRC校驗的時候采用了調(diào)用庫文件的方式：先利用VC完成了動態(tài)連接庫文件的編寫，再通過LabVIEW完成庫文件的調(diào)用。

和校驗是一種比較簡單的校驗方式，其適用對校驗數(shù)據(jù)的準確度不是很高，或者數(shù)據(jù)量不是很大的場合。其原理是對所有需要校驗的數(shù)據(jù)按字節(jié)進行不計進位的加合，對加合的結(jié)果進行比對。

CRC校驗即循環(huán)冗余校驗碼 （Cyclic Redundancy Check）。其通過多項式計算進行結(jié)果獲取。其具體算法是約定一個多項式即生成多項式。將生成多項式寫為2進制碼，將信息碼右移生成多項式項數(shù)-1位，用生成多項式去除信息碼移位后的結(jié)果。得到的余數(shù)就是CRC掩碼。

此處的生成多項式采用CRC CCITT。CRC校驗相對較為復(fù)雜，因而比較適合小批量的數(shù)據(jù)進行精確校驗，以節(jié)省校驗時間。同時，為了加快CRC校驗的速度，采用了查表法進行CRC的計算。

綜合考慮軟件的復(fù)雜程度和兩種校驗的特點。最終選擇在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼時采用和校驗，最終數(shù)據(jù)全部傳輸完成時進行和校驗，單頁數(shù)據(jù)傳輸時采用CRC16 CCITT校驗。這樣，既充分發(fā)揮了兩種校驗的特點，保證了校驗的合理性，又照顧了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

3　內(nèi)存單元操作

3.1　Memory分區(qū)

對于英飛凌的Memory，其官方文件—XC2000系列單片機應(yīng)用手冊（以下簡稱應(yīng)用手冊）[6]中有詳細的介紹。在這里，將只介紹與編程相關(guān)的部分。英飛凌的XC2000與XE166系列單片機均采用“馮諾依曼”體系架構(gòu)，這意味著代碼和數(shù)據(jù)的訪問使用同一個線性地址空間。單片機總的可尋址空間為16MB，分256段，每段的大小為64KB。

將只采用片上存儲，且操作的主要對象為FLASH和PSRAM。因而根據(jù)FLASH段的不同功能，將FLASH段分為BootLoader區(qū)和用戶區(qū)。由于有一部分區(qū)域被BootLoader區(qū)給占用，用戶區(qū)的起始地址從原先的C00000變?yōu)榱?C10000，因而整個線性地址空間的分區(qū)如圖6所示。

圖6　單片機memory分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic diagram of single chip memory zoning

利用C00000-C10000作為ECU的BootLoader區(qū)域，一方面是因為單片機上電復(fù)位的入口在C00000處，使得單片機在上電復(fù)位后能夠執(zhí)行BootLoader的代碼，另一方面也避免了C09000-C10000地址保留段的影響。同時，現(xiàn)有的ESC控制器的程序總代碼量在250K左右，而此單片機的FLASH段的總大小為832K，占用的BootLoader區(qū)域的大小為64K，因而可以保證盡管有區(qū)域被Boot-Loader所占用，仍然能滿足用戶正常的代碼空間需求。

3.2　數(shù)據(jù)的擦除和寫入

英飛凌的應(yīng)用手冊對其FLASH的編程有所介紹，此外，其自帶的BootLoader也在其官方的文件[7]中進行了細說。下面以應(yīng)用手冊中的內(nèi)容進行FLASH擦寫部分的介紹。

首先，由于FLASH的自我保護，當(dāng)前正在執(zhí)行FLASH的某個模塊時，無法對其進行寫操作。官方的自帶的BootLoader執(zhí)行時，其代碼的執(zhí)行區(qū)域并不是用戶可以操作的FLASH模塊，因此FLASH是可以操作的。因而當(dāng)采用自己的BootLoader時，需要尋找一塊并不屬于FLASH的區(qū)域進行代碼的執(zhí)行。而在XC2000系列的單片機中，其可以執(zhí)行代碼的區(qū)域為程序FLASH/ROM以及程序SRAM（PSRAM）。而由于SRAM的特點，其掉電后，數(shù)據(jù)丟失。因而，需要先通過FLASH區(qū)段的程序?qū)SRAM段的程序進行接收后再跳轉(zhuǎn)至PSRAM中執(zhí)行。

其次，根據(jù)應(yīng)用手冊的描述，XC2000系列單片機的片上FLASH的結(jié)構(gòu)可以劃分。該FLASH存儲器有4個陣列，前三個陣列為256K，最后一個陣列為64K，前3個陣列每個由64個扇區(qū)組成，每個扇區(qū)由32頁組成。一個扇區(qū)的大小為1K，一頁的大小為128字節(jié)。由于單片機的片上RAM有限，不適合大規(guī)模存儲數(shù)據(jù)，同時為了操作簡便，本文中采用了按扇區(qū)擦除的，按頁進行編寫的方式。

整個FLASH的操作參考應(yīng)用手冊的匯編歷程。扇區(qū)的擦除根據(jù)應(yīng)用手冊是一個三周期命令。頁編程分為三步：進入該頁，加載該頁數(shù)據(jù)，編程該頁。其中，進入該頁是對頁面操作最初的步驟，加載該頁數(shù)據(jù)為將數(shù)據(jù)加載到該頁FLASH內(nèi)，編程該頁則是將數(shù)據(jù)固化，保證數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失。

4　結(jié)論

根據(jù)新能源汽車實用的需求，提出了一種基于CAN總線的程序刷寫方式，并根據(jù)英飛凌XC2000系列單片機，完成了刷寫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。與傳統(tǒng)的車載ECU刷寫方式相比，具有較高的刷寫速率，有一定的ECU刷寫保護功能，并且支持ECU的外部升級，方便生產(chǎn)、匹配測試人員對ECU進行維護。經(jīng)過軟件測試，所設(shè)計的基于CAN總線的ECU程序刷寫方式具有較高的可靠性，可以應(yīng)用于新能源汽車車載ECU的程序開發(fā)、維護、升級。

參考文獻：

[1]Joao H.Silva，Visteon Corp.Advanced Firmware Device Manager for Automotive：A Case Study.

[2]王濤.基于CAN診斷汽車控制器刷新軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[3]戴勝曉.CAN總線技術(shù)在商用車上的設(shè)計應(yīng)用 [M].城市車輛，2006.

[4]陳彤，黃立梅.一種用于汽車電控單元 CAN Bootloader的設(shè)計與實現(xiàn)[J].汽車實用技術(shù)，2016.

[5]黃全安.汽車自動變速系統(tǒng)控制器開發(fā)平臺研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[6]InfineonTechnologies，XC2300ADerivativesUser’sManual V2.0，2009-03[EB/OL].

[7]Infineon Technologies，XC2000/XE166 Family16-bit Microcontrollers AP16164 Flash Progamming via CAN BSL（Bootstrap Loader） Application Note V1.0，2009-10[EB/OL].