基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線的發(fā)動機電子控制單元硬件在環(huán)試驗臺的通信系統(tǒng)設(shè)計

韋超毅， 吳一雄， 黃大明， 姚正遠

(1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧 530004； 2.南寧學(xué)院交通學(xué)院，南寧 530200)

硬件在環(huán)試驗傳承并拓展了純仿真試驗的優(yōu)點，受益于實時處理器控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制局域網(wǎng)技術(shù)(CAN)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，硬件在環(huán)可以對發(fā)動機模型進行建模、模擬特定工況傳感器信號、搭建虛實結(jié)合的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，通過信號轉(zhuǎn)換技術(shù)將虛擬模型與真實電子控制單元(ECU)和傳感器連接，在特定工況下實現(xiàn)真實ECU控制策略及CAN通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，從而最大限度接近實車開發(fā)，減少建模難度，縮短工期。

自1994年dSPACE公司發(fā)布一套發(fā)動機實時仿真系統(tǒng)后，各大仿真公司紛紛展開硬件在環(huán)設(shè)備研究。1994年，文獻[1]提出使用數(shù)據(jù)采集電路板(DS2301)聯(lián)合DSP和CAN通信網(wǎng)絡(luò)對發(fā)動機ECU進行實時測試，結(jié)果表明該方法相比純仿真能更早發(fā)現(xiàn)信號傳輸隱患。文獻[2]提出了仿真ECU-CAN總線-真實ECU的CAN通信網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動發(fā)動機仿真系統(tǒng)工作，不僅保證了系統(tǒng)實時性，更增加了系統(tǒng)真實性。文獻[3]提出在V模式開發(fā)基礎(chǔ)上，構(gòu)建電子控制單元(ECU)硬件在環(huán)測試臺，并使用PXI設(shè)備搭建上位機與ECU的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，最后開展ECU硬件在環(huán)發(fā)動機臺架測試。此外，還有大量研究促進了硬件在環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)：CAN車載網(wǎng)絡(luò)在環(huán)測試系統(tǒng)、CAN總線人機交互硬件在環(huán)試驗臺、dSPACE環(huán)境下CAN通信混合動力硬件在環(huán)試驗臺等[4-6]。但這些研究主要集中在仿真模型搭建及ECU測試上，CAN測試網(wǎng)絡(luò)大多通過購買現(xiàn)成板卡實現(xiàn)。硬件在環(huán)設(shè)備對于上位機與ECU的CAN通信報文信號定義及CAN通信協(xié)議的研究文獻很少。

綜上，中國硬件在環(huán)設(shè)備仿真技術(shù)經(jīng)歷了從模型搭建到ECU開發(fā)的進程，目前主要集中于控制策略的開發(fā)和ECU驗證上，在NI PXI硬件在環(huán)試驗臺上采用J1939協(xié)議結(jié)合NI VeriStand 平臺開發(fā)CAN通信上層協(xié)議的研究極少，難點是如何構(gòu)建通信高層協(xié)議并創(chuàng)建DBC文件使上位機與ECU通訊[7]。而一套發(fā)動機硬件在環(huán)設(shè)備在添加其他傳感器和設(shè)備后完全可以改裝成電池硬件在環(huán)設(shè)備，但這需要重新搭建CAN通信網(wǎng)絡(luò)。為此，擬通過應(yīng)用NI VeriStand軟件和NI PXI平臺的CAN通信模塊基于J1939高層協(xié)議創(chuàng)建基于CAN總線通信的發(fā)動機ECU硬件在環(huán)通信系統(tǒng)，并截取CAN通信報文詳細解讀，為后期平臺擴展作有用的鋪墊。

1 發(fā)動機 ECU硬件在環(huán)試驗臺及其通信

硬件在環(huán)試驗臺由五部分構(gòu)成，分別是人機交互界面(上位機)、實時處理器及板卡模塊(下位機)、ECU、模擬裝置、組合儀表，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Platform architecture

上位機加載NI VeriStand平臺，負(fù)責(zé)運行發(fā)動機SIMULINK仿真模型[8]，完成人機交互界面搭建并分配下位機上板卡資源使上位機NI VeriStand平臺的發(fā)動機SIMULINK模型與ECU物理通道相連[9]。下位機實時處理器及板卡模塊是硬件在環(huán)平臺關(guān)鍵部分，用來精確模擬曲軸傳感器、氧傳感器、進氣溫度傳感器等發(fā)動機測試平臺中不存在的物理傳感器，從而模擬需要的物理信號。臺架通過數(shù)字IO采集傳感器信息并驅(qū)動模擬傳感器工作，可以通過CAN總線實現(xiàn)ECU與上位機數(shù)據(jù)交互。

ECU上運行發(fā)動機電控系統(tǒng)控制算法，讀取板卡采集和模擬的信號計算后得到控制信號。人機交互界面可實現(xiàn)硬件配置、對發(fā)動機模型在線操控、發(fā)動機模型參數(shù)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與分析等功能。

選取NI生產(chǎn)的PXI高性能實時處理器板卡資源完成硬件在環(huán)平臺組建。上位機選用NI PXIe-1071機箱，搭載PXIe-8135 2.3 GHz雙核PXI嵌入式控制器。下位機選用PXI-1075機箱，搭載PXIe-8115 2.5 GHz雙核嵌入式處理器，可連接以太網(wǎng)端口，包含外設(shè)IO口以及高速USB端口可用于數(shù)據(jù)采集以及模塊化儀器控制。PXI-6713板卡具備模擬信號輸出功能且能同步更新多通道信號，可用來模擬發(fā)動機產(chǎn)生加速踏板等信號。PXI-6229板卡具備32條單端模擬輸入通道，48個雙向數(shù)字通道，用于數(shù)據(jù)采集(DAQ)。PXI-7842R板卡載有FPGA芯片，可用于高性能板載處理，最大時鐘頻率為40 MHz，具有96個定時模塊，用于模擬PWM信號模擬曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號。PXI-8513板卡帶有CAN控制器和收發(fā)器模塊，可使用軟件編程結(jié)合NI-XNET驅(qū)動構(gòu)建應(yīng)用程序。試驗根據(jù)發(fā)動機運行所需要信號數(shù)量以及板卡性能，對通道分配做了詳細定義。具體通道分配如表1所示。

表1 通道分配Table 1 Channel allocation

2 試驗臺 CAN通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

制定CAN總線通信協(xié)議能夠為發(fā)動機電控測試臺提供一個開放互連系統(tǒng)，極大簡化現(xiàn)場布線并提供一個標(biāo)準(zhǔn)化互連通信平臺。Bosch公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范(Version2.0)[10]，分為CAN2.0A和CAN2.0B兩個版本。CAN總線依據(jù)四種不同的通信幀進行應(yīng)答和傳輸數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。其中數(shù)據(jù)幀由七個部分構(gòu)成，包括幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結(jié)束[11]，數(shù)據(jù)場可以長度為零，圖2為標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)幀格式的仲裁場由兩部分構(gòu)成，分別是11標(biāo)識符以及1位遠程請求位RTR，從ID28～ID18；擴展幀格式的仲裁場由四部分構(gòu)成，分別是29位標(biāo)識符、1位SRR位、1位IDE位及1位RTR位，標(biāo)識符從ID28至ID0[12]。報文傳輸順序由報文優(yōu)先級編碼決定，優(yōu)先級編碼數(shù)值越小優(yōu)先級就更高，贏得仲裁的高優(yōu)先級報文先行傳輸。如報文上出現(xiàn)多個傳輸請求，此時嚴(yán)格遵循報文優(yōu)先級法則仲裁出高優(yōu)先級報文先行傳輸。仲裁后的報文從控制器單元導(dǎo)入濾波寄存器后，使用屏蔽寄存器過濾掉其他標(biāo)識符不一致的幀，留下標(biāo)識符相符的報文。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀的數(shù)據(jù)幀構(gòu)成Fig.2 Data frame composition of standardframe and extended frame

CAN2.0A/B規(guī)范只是對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做了詳細規(guī)定，上層協(xié)議部分沒有定義。對比圖如圖3所示。因此依據(jù)發(fā)動機硬件在環(huán)試驗臺信號交互需求制定了一個CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議。

圖3 CAN總線與OSI模型基本分層對比Fig.3 Basic layering comparison chart betweenCAN bus and OSI model

ECU發(fā)送給組合儀表的協(xié)議制定過程參考了J1939-71協(xié)議(車輛應(yīng)用層)[13]。J1939以CAN2.0B為依據(jù)，給擴展幀29位標(biāo)識作了新的描述，其余協(xié)議內(nèi)容不更改[14]。包括優(yōu)先級P、預(yù)留位R、數(shù)據(jù)頁DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴展單元PS、源地址SA和數(shù)據(jù)字節(jié)[7]。這七部分通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給其他設(shè)備。PGN(parameter group number)是J1939的核心部分，作為數(shù)據(jù)幀獨一無二的參數(shù)組編號，決定著報文傳輸?shù)姆较?，由PF場、PS場這兩部分構(gòu)成[15]。PDU具體構(gòu)成如圖4所示。

圖4 PDU具體構(gòu)成Fig.4 PDU specific composition

CAN協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的SOF、SRR、IDE、RTR、控制域部分、CRC域和EOF域這幾部分，SAEJ1939不能修改，因此沒有在PDU中對這幾部分作規(guī)定。J1939有兩種格式PDU，分別是PDU1和PDU2，PF域數(shù)值為0～239則為PDU1格式，若PF數(shù)值為240～255則為PDU2格式[7]。PDU1格式用于發(fā)送給指定節(jié)點的信息，PS域決定目的地址；PDU2格式不指定節(jié)點，可以廣播給總線上所有節(jié)點，PS域此時作為擴展地址。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)選用ECU的CAN2通道作為CAN總線，傳輸波特率為250 kbit/s。設(shè)定ECU源地址SA為0xD2，所以凡是ECU發(fā)出來的報文，報文ID最后一個字節(jié)就是0xD2[16]。如EngVecSpeed報文，ID為0x18FE6CD2，其中0x18表示優(yōu)先級為110，R為0，DP為0，由于PF>240,0x18FE6C表示PGN，其他報文制定以此類推。根據(jù)試驗臺通信網(wǎng)絡(luò)需求，依據(jù)CAN2.0B協(xié)議和J1939協(xié)議設(shè)計應(yīng)用層協(xié)議，PXI-8513與ECU通信采用標(biāo)準(zhǔn)幀，ECU與組合儀表通信采用擴展幀。部分總線報文定義及特性如表2所示。

同時也對信號的格式、字節(jié)順序、分辨率、數(shù)據(jù)長度、取值范圍、單位等信息做了詳細定義，部分信息如圖5所示。

表2 總線報文定義及特性Table 2 Bus message definition and characteristics

圖5 報文部分信息Fig.5 Partial message information

2.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)交互

發(fā)動機試驗臺上各個節(jié)點數(shù)據(jù)使用CAN總線進行報文傳輸。上位機通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至實時處理器模塊，PXI-8513 CAN板卡接收后將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線，ECU獲取從CAN總線接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)發(fā)動機算法處理，同時利用CAN總線把數(shù)據(jù)傳輸給組合儀表。其中Kvaser CAN接口節(jié)點是一個USB-CAN模塊，用來讀取CAN總線報文顯示在PC機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、報文解析、故障診斷。各個節(jié)點交互關(guān)系如圖6所示。

圖6 節(jié)點交互關(guān)系Fig.6 Node interaction relationship

2.3 CAN總線硬件接口設(shè)計

2.3.1 ECU CAN總線接口設(shè)計

發(fā)動機試驗臺ECU主芯片選用Freescale MPC565，定位為汽車電子控制處理器。集成了3個TouCan控制器模塊，符合CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)。ECU的CAN收發(fā)器使用的是PCA82C250，采用斜率控制，具備高達1 M的傳送波特率，能有效減少射頻干擾。ECU集成了一對CAN數(shù)據(jù)交互端口，通過PCA82C250芯片把MPC565內(nèi)部CAN通道與外部CAN總線連接在一起。MPC565的A_CNTX0，A_CNRX0引腳和B_CNTX0，B_CNRX0引腳是兩組接收和發(fā)送端。A_CANL，A_CANH和B_CANL，B_CANH分別掛載到總線上，其原理圖如圖7所示。

圖7 CAN總線驅(qū)動原理圖Fig.7 CAN bus driver schematic

2.3.2 PXI-8513總線接口設(shè)計

PXI-8513是一款軟件可選的容錯控制局域網(wǎng)(CAN)接口，可使用NI-XNET驅(qū)動并開發(fā)上位機程序。能夠掛載多個節(jié)點同步通信，精確傳輸總線上大量交互的報文。其物理層的CAN收發(fā)器選用NXP TJA1041，兼容ISO11898協(xié)議，具備延時保護性能，有優(yōu)良靜電保護功能，支持波特率范圍為40 kbit/s～1 Mbit/s。由于通信在CAN總線上雙向流動，因此CAN要求有終端電阻，按照ISO11898要求使用120 Ω的電阻，防止信號發(fā)生反射[11]。

3 系統(tǒng)測試

發(fā)動機ECU硬件在環(huán)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 發(fā)動機ECU硬件在環(huán)系統(tǒng)Fig.8 Engine ECU hardware in-loop system

使用可編程電源供電后ECU及下位機通電工作，火花塞此時點火，噴油器信號燈閃爍。

圖9 部分報文數(shù)據(jù)Fig.9 Partial message data

3.1 報文數(shù)據(jù)讀取與解析

試驗臺啟動后,運行PC機上的Kvaser Canking程序讀取CAN2通道報文數(shù)據(jù)。根據(jù)J1939標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層中的定義對接收到的報文1個幀ID和數(shù)據(jù)分析。其中ID=0x18FE6CD2=0001,1000,1111,1110,0110,1100,1101,0010；29位ID前3位不用，優(yōu)先級3位：110；數(shù)據(jù)幀位(DP)：0；保留位(R)：0；協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PF)：FE；擴展單元(PS)：6C；源地址(SA)：D2。除去優(yōu)先級(P)3位和源地址(SA)可得PGN=0000,1111,1110,0110,1100=0xFE6C(H)=65132(D)，為EngVecSpeed報文信息。解析總線上報文具體物理值需借助轉(zhuǎn)換公式，總線上物理參數(shù)的計算公式為[12]：

物理參數(shù)=比例系數(shù)×總線數(shù)值+偏移量

(1)

如讀取EngVecSpeed報文ID=0x18FE6CD2的數(shù)據(jù)域為00000000401F0021。按照所制定的協(xié)議，Byte4和Byte5字節(jié)作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用intle排列方式，比例系數(shù)為0.125，偏移量為0，單位為r/min。則Byte4為低字節(jié)，Byte5為高字節(jié)。第4字節(jié)4為高4位，0為低4位，第5字節(jié)1為高4位，F(xiàn)為低4位。那么解析時就為：1F40，0x1F40轉(zhuǎn)換成十進制是8 000，參照式(1)，則總線轉(zhuǎn)速物理值為0.125×8 000+0=1 000 r/min。

根據(jù)編寫的發(fā)動機CAN通信協(xié)議，通過Vector CANoe軟件制定了報文解析DBC文件，在PC機上運行Kvaser Canking加載DBC文件通過CAN-USB接頭實時讀取通信報文。接收到部分報文數(shù)據(jù)如圖9所示。

此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速的報文解析值是1 000 r/min，與公式解析結(jié)果一致，這表明所設(shè)計的DBC文件準(zhǔn)確效性。同時，解析值與上位機設(shè)定值和組合儀表實際顯示值一致，且無明顯延遲。組合儀表實際數(shù)據(jù)如圖10所示。

這說明所設(shè)計CAN通信網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確有效，能夠使上位機運行發(fā)動機模型跟下位機及ECU正常通訊，實現(xiàn)發(fā)動機硬件在環(huán)CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，同時可以實現(xiàn)對報文監(jiān)控，一旦設(shè)備出現(xiàn)參數(shù)故障，可以直接分析報文數(shù)據(jù)從而加快診斷和開發(fā)進度。

3.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持定值試驗驗證及噴油脈寬圖

3.2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持定值試驗

試驗選用發(fā)動機低高兩個代表性的轉(zhuǎn)速：n1=1 000 r/min，n2=3 000 r/min[17]。設(shè)定節(jié)氣門不同開度條件下，在硬件在環(huán)試驗臺進行進氣歧管壓力測試。將LJ465Q發(fā)動機的節(jié)氣門開度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與進氣歧管壓力的實測數(shù)據(jù)[18]與硬件在環(huán)仿真數(shù)據(jù)對比，Measured value表示發(fā)動機實測值，SIMULINK value表示硬件在環(huán)仿真值，采用三次樣條插值處理數(shù)據(jù)后得到對比圖如圖11所示。

圖10 組合儀表實際數(shù)據(jù)Fig.10 Combination dashboard actual data

圖11 實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比Fig.11 Comparison of measured data and simulation data

由實驗數(shù)據(jù)和曲線圖可以看出，當(dāng)加大節(jié)氣門的開度時，轉(zhuǎn)速隨之上升，進氣歧管壓力的仿真曲線慢慢接近實測值曲線，這表明仿真模型精度隨著轉(zhuǎn)速提升而提升。說明被控對象模型在所設(shè)計的硬件在環(huán)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中能準(zhǔn)確通信，能夠為試驗提供可靠的進氣歧管壓力。

3.2.2 噴油脈寬

圖12 噴油脈寬脈譜圖Fig.12 Fuel injection pulse width spectrum

在硬件在環(huán)系統(tǒng)中測試了不同節(jié)氣門開度下的進氣歧管壓力和噴油脈寬，設(shè)定空燃比為14.7，處理實驗數(shù)據(jù)后得相應(yīng)噴油脈寬脈譜圖如圖12所示。

噴油脈寬數(shù)據(jù)表明所構(gòu)建的硬件在環(huán)系統(tǒng)能夠在人機交互界面實時監(jiān)測到進氣歧管壓力、扭矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、進氣溫度和氧傳感器反饋的空燃比等信息，很好地實現(xiàn)預(yù)期功能。

4 結(jié)論

在原有發(fā)動機硬件在環(huán)系統(tǒng)中提出基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用 NI VeriStand軟件和 NI PXI平臺的 CAN通信板卡，依據(jù) J1939高層協(xié)議搭建采用 CAN總線通信的發(fā)動機 ECU硬件在環(huán)通信系統(tǒng)。試驗引入Kvaser Canking報文監(jiān)控軟件實現(xiàn)報文監(jiān)控，加速CAN總線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)進程并降低CAN總線開發(fā)成本。結(jié)果表明，設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)能滿足發(fā)動機ECU硬件在環(huán)試驗臺的通信需求，擴展了硬件在環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)，使試驗開發(fā)環(huán)境更接近真實ECU開發(fā)過程。