拖拉機整機控制器CCP 標(biāo)定系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

聶林同，李軍偉，姜世騰，闞輝玉

（255049 山東省 淄博市 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院）

0 引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，農(nóng)用拖拉機正朝著重型化、智能化的方向不斷發(fā)展。VCU 作為重型拖拉機控制系統(tǒng)的重要組成部分，是提高重型拖拉機智能化程度的關(guān)鍵部件。為保證控制效果，需要利用標(biāo)定系統(tǒng)對VCU 控制策略中的控制參數(shù)進行標(biāo)定[1]。針對某智能重型拖拉機VCU 的開發(fā)需求，本文以CCP 協(xié)議為基礎(chǔ)，開發(fā)出一套用于參數(shù)監(jiān)測與標(biāo)定的標(biāo)定系統(tǒng)。

1 標(biāo)定系統(tǒng)的軟件與硬件分析

CCP 是由歐洲自動化測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ASAM 制定的一種基于 CAN 總線的標(biāo)定協(xié)議，主要應(yīng)用于控制器的研發(fā)以及車輛的在線測試與測量，目前已經(jīng)在很多汽車廠商中得到應(yīng)用，采用CCP 協(xié)議的標(biāo)定系統(tǒng)可以對電控單元進行快速而有效的標(biāo)定。針對標(biāo)定系統(tǒng)在拖拉機上的應(yīng)用場景，分析其軟硬件組成，并做相應(yīng)的器材選擇與軟件開發(fā)。

1.1 軟件組成

標(biāo)定系統(tǒng)軟件部分包括上位機標(biāo)定軟件與存在于下位機中的CCP 驅(qū)動程序。標(biāo)定軟件安裝于PC 機中，為標(biāo)定過程中的人為操作提供可視化界面及操作平臺。CCP 驅(qū)動程序集成于待標(biāo)定VCU 中，用于識別上位機以CAN 報文形式發(fā)送的標(biāo)定命令，并按照命令內(nèi)容執(zhí)行對應(yīng)操作，工作原理如圖1 所示。

圖1 CCP 標(biāo)定系統(tǒng)工作原理Fig.1 CCP calibration system works

主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送的命令報文統(tǒng)稱命令接收對象（Command Receive Object，CRO），從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的報文統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)傳輸對象（Data Transmit Object，DTO），包括命令返回消息CRMDTO（Command Return Message）與用于DAQ（Data Acquistion）模式下的DAQ-DTO 消息[2]。

1.2 硬件組成

由于標(biāo)定軟件與CCP 驅(qū)動程序之間通過CAN 報文傳遞信息，因此上位機與下位機之間需要可以傳遞CAN 報文的通信工具。主設(shè)備為裝有標(biāo)定軟件的PC 機，通過USB 口與外界通信，連接主從設(shè)備的通信工具選用廣成USB 轉(zhuǎn)CAN模塊，用于將上位機USB 口輸出的USB 信號轉(zhuǎn)換為CAN 信號發(fā)送給下位機VCU。CAN 接口卡符合CAN2.0A/B 規(guī)范，支持5 kbps～1Mbps 之間的任意波特率，滿足標(biāo)定系統(tǒng)的使用需求，提高了主從設(shè)備之間的CAN 通信的可靠性。

2 上位機標(biāo)定軟件開發(fā)

本文中的上位機標(biāo)定軟件在VS2012（Visual Studio 2012）軟件中使用C++語言編寫[3]。上位機標(biāo)定軟件界面由設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、繪圖區(qū)及工作區(qū)4 部分組成，如圖2 所示。其中，設(shè)置區(qū)用于配置 CAN 總線的波特率、上位機的 ID 及USBCAN 設(shè)備的連接與斷開等；數(shù)據(jù)區(qū)用于顯示每幀報文的發(fā)送與接收情況，包括報文發(fā)送與接收的時間、傳輸方向、ID、幀格式、幀類型、數(shù)據(jù)場長度、原始數(shù)據(jù)等信息，傳輸過程中所有的報文均可進行保存，以便分析問題；繪圖區(qū)用于變量以波形圖的形式顯示，可以更直觀地觀測變量的變化情況；工作區(qū)提供CCP 協(xié)議里規(guī)定的操作命令。命令內(nèi)容可手動修改，點擊標(biāo)有命令名稱的按鍵即可發(fā)送相應(yīng)命令，所有命令參數(shù)及數(shù)據(jù)都被打包在8 個字節(jié)的CAN 報文數(shù)據(jù)場內(nèi)，通過CAN 報文發(fā)送給VCU。

圖2 上位機標(biāo)定軟件界面Fig.2 Host computer calibration software interface

本文中的拖拉機VCU 使用S12XEP100 單片機作為控制核心，使用CodeWarrior 開發(fā)環(huán)境。為了讓上位機標(biāo)定系統(tǒng)獲得VCU 里變量的內(nèi)存地址、數(shù)據(jù)類型以及長度等信息，需要將CodeWarrior 開發(fā)環(huán)境下的MAP 文件轉(zhuǎn)換為A2L文件。A2L 文件是ASAM 協(xié)會制定的用來描述電子控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)庫文件，該文件包含電子控制單元內(nèi)部的變量及參數(shù)信息。通過Vector 公司開發(fā)的ASAP2 編輯器將MAP 文件轉(zhuǎn)換為A2L 文件。本文中開發(fā)的上位機標(biāo)定軟件中設(shè)有加載A2L 文件的接口。如圖3 所示，在上位機標(biāo)定軟件中加載A2L 文件后可以直觀地看到各個參數(shù)的大小及地址信息，并對需要標(biāo)定或監(jiān)測的參數(shù)進行手動選取。

圖3 A2L 文件加載窗口Fig.3 A2L file loading window

3 CCP 底層驅(qū)動程序開發(fā)

實現(xiàn)CCP 系統(tǒng)的功能需要解決對指定數(shù)據(jù)數(shù)值的獲取、修改及存儲等問題，因此CCP 底層驅(qū)動程序需要支持CCP 協(xié)議中規(guī)定的兩種數(shù)據(jù)采集模式：Polling（輪詢）模式和DAQ 模式，并且提供數(shù)據(jù)下載與Flash 數(shù)據(jù)存儲功能。為實現(xiàn)以上功能，本文選取并實現(xiàn)了如表1 所示的12條CCP 命令。

表1 CCP 命令及意義Tab.1 CCP order and meaning

CCP 驅(qū)動代碼只負(fù)責(zé)解釋并執(zhí)行基于CCP規(guī)范的CRO 命令，并組織返回的DTO 消息。它需要CAN 驅(qū)動代碼的支持[4]。

3.1 Polling 模式

Polling 模式是一種“一問一答”的交互方式，該模式實現(xiàn)簡單，占用VCU 資源比較少，由標(biāo)定軟件向VCU 連續(xù)發(fā)送命令SET_MTA 與UPLOAD 來實現(xiàn)。如圖4 所示。

圖4 輪詢模式實現(xiàn)原理Fig.4 Implementation principle of polling mode

VCU 的CCP 驅(qū)動程序讀取CAN 驅(qū)動程序接收到的CCP 命令報文，通過命令的CMD 代碼識別命令，當(dāng)讀取的CMD 碼為0x02 時，識別當(dāng)前命令為SET_MTA 命令，將該命令中的4～7 Byte 內(nèi)容保存下來作為后續(xù)內(nèi)存讀取的一個起始地址。接著讀取下一條上位機標(biāo)定軟件所發(fā)送報文中的CMD 碼為0x04 時，識別當(dāng)前命令為UPLOAD，該命令的第2 字節(jié)為要上傳的數(shù)據(jù)字節(jié)大小。此時根據(jù)上一條SET_MTA 命令設(shè)置的起始地址，上傳特定字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，標(biāo)定軟件解析接收到的報文，在相應(yīng)窗口顯示上傳的數(shù)據(jù)。至此，本文中設(shè)計的標(biāo)定系統(tǒng)的Polling 模式已實現(xiàn)。

3.2 DAQ 模式

DAQ 是一種高效的數(shù)據(jù)上傳模式，該模式下VCU 可以自主地按照一定的周期向標(biāo)定軟件上傳數(shù)據(jù)[5]。本文在底層驅(qū)動程序中實現(xiàn)DAQ 列表、ODT 列表及DAQ-DTO 的創(chuàng)建。DAQ 列表是同一上傳周期的數(shù)據(jù)的集合，一個DAQ 列表下可包含數(shù)個ODT 列表。在ODT 列表中存放需要上傳的數(shù)據(jù)在VCU 內(nèi)存中的存放地址、長度等信息，在DAQ 模式初始化完畢后開始上傳數(shù)據(jù)時，通過ODT 列表中的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建對應(yīng)的DAQODT 報文進行上傳。在標(biāo)定軟件中啟動DAQ 模式時，標(biāo)定軟件會根據(jù)選定的需要上傳的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)上傳周期向VCU依次發(fā)送數(shù)條初始化命令，在底層驅(qū)動中自動創(chuàng)建對應(yīng)的DAQ 及ODT 列表。DAQ 列表初始化完成后，由DAQ 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)讀取需要上傳的參數(shù)的值并組織DAQ-DTO 向標(biāo)定軟件上傳，該函數(shù)由定時器驅(qū)動。至此，標(biāo)定系統(tǒng)的DAQ 模式已實現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)下載與FLASH 數(shù)據(jù)存儲

當(dāng)利用標(biāo)定軟件對VCU 中某個標(biāo)量進行標(biāo)定時，需要利用數(shù)據(jù)下載功能，該過程與Polling模式的實現(xiàn)形式類似，由標(biāo)定軟件向VCU 連續(xù)發(fā)送命令SET_MTA 與DNLOAD 來實現(xiàn)。SET_MTA 命令設(shè)定數(shù)據(jù)下載地址，DNLOAD 命令將自身所攜帶的值寫入該地址。CCP 驅(qū)動程序通過識別該兩條命令的CMD 代碼來執(zhí)行對應(yīng)操作。

若想實現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的非易失性存儲，需要將數(shù)據(jù)寫入到FLASH 存儲器中。在向其寫入數(shù)據(jù)時，必須先擦除，然后才能寫入數(shù)據(jù)。由于FLASH 存儲器的充放電特性，使得它的讀寫次數(shù)有物理上的限制。當(dāng)閃存芯片的某個物理存儲區(qū)塊達(dá)到讀寫指定的最高次數(shù)時，該塊區(qū)將被設(shè)定為不再使用的區(qū)域，所以在極度頻繁地使用下，F(xiàn)LASH 存儲器容量有可能越來越小[6]。

CCP 協(xié)議以編程命令逐條將數(shù)據(jù)燒寫至VCU的FLASH 中，這種方式較為靈活，但是會造成對FLASH 頻繁擦寫的問題。針對本文VCU 的標(biāo)定特點，本文采用一種獨立于CCP 協(xié)議之外的數(shù)據(jù)存儲方式：對數(shù)據(jù)標(biāo)定以后，通過數(shù)據(jù)下載命令將修改以后的數(shù)值下載到RAM 中數(shù)據(jù)的原地址，當(dāng)CCP 命令執(zhí)行函數(shù)識別到數(shù)據(jù)下載命令時，即記錄當(dāng)前的下載數(shù)據(jù)的地址到預(yù)先定義的指針數(shù)組中，數(shù)組中已有該地址不重復(fù)記錄。指針數(shù)組大小根據(jù)程序中需要標(biāo)定的數(shù)據(jù)量定義。當(dāng)CCP 命令執(zhí)行函數(shù)命令識別到上位機發(fā)送的斷開連接命令時表示本次標(biāo)定結(jié)束，隨后將指針數(shù)組中所有指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)一次性寫入FLASH 中。這樣可以一次性寫入多個FLASH 頁，從而減少了對FLASH 的擦寫次數(shù)。在控制器重新上電時會將FLASH 中存儲的值寫到數(shù)據(jù)在RAM 的原地址中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在對整機控制器調(diào)試過程中，需要對系統(tǒng)關(guān)鍵變量及參數(shù)進行采集和標(biāo)定，以便調(diào)整控制策略中的相應(yīng)參數(shù)，提高控制效果。電子油門在拖拉機駕駛過程中作用重大，為了提高拖拉機駕駛的安全性和穩(wěn)定性，拖拉機上的電子油門均采用兩路 5 V 獨立電源供電。同樣地，為了防止電子油門損壞引起重大事故，電子油門的輸出信號也是由兩路信號組成，他們之間具有一定的比例關(guān)系，在工作中可以形成“互相監(jiān)督”的作用。

目前工廠中電子油門總成輸出信號曲線一般通過對應(yīng)車型的特點、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、供應(yīng)商數(shù)據(jù)來設(shè)計，并通過實車測試、標(biāo)定來完善。本文中為完善重型拖拉機VCU 中的電子油門處理策略，需要標(biāo)定出理想的電子油門總成輸出信號曲線，使得本文所研究的拖拉機整車控制器安裝于實車時，駕駛員踩下油門踏板可以獲得理想的響應(yīng)。如圖5 所示，在上位機標(biāo)定軟件中選定兩路踏板信號與車速信號，并設(shè)置為DAQ 上傳模式，在控制策略使用不同參數(shù)的電子油門總成輸出信號曲線時觀察車速的響應(yīng)情況。在參數(shù)1、2、3 對話框處填寫地址及參數(shù)值可修改相應(yīng)地址上的參數(shù)值。不斷修改參數(shù)不斷觀察實車響應(yīng)來確定最佳的電子油門總成輸出信號曲線。

圖5 參數(shù)的監(jiān)測與標(biāo)定Fig.5 Monitoring and calibration of parameters

通過標(biāo)定、測試最終確定的兩條電子油門總成輸出信號曲線分別為Signal1=0.01545x+0.375，Signal2=0.0309x+0.75，如圖6 所示。

圖6 電子油門總成輸出信號曲線Fig.6 Electronic throttle assembly output signal curve

5 結(jié)語

本文開發(fā)的基于CCP 協(xié)議的重型拖拉機VCU 標(biāo)定系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，在實車試驗中，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測VCU 中重要參數(shù)的狀態(tài)，還可以快速標(biāo)定影響性能的各個參數(shù)。本文所開發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）在實現(xiàn)標(biāo)定功能的前提下所設(shè)計的底層驅(qū)動程序代碼大小共55 kB，比Vector 公司的Free CCP driver 少16 kB，節(jié)省占用內(nèi)存空間。在向FLASH 中寫入數(shù)據(jù)時，本文中批量寫入的方式比采用命令逐條寫入對FLASH的擦寫次數(shù)少，提高FLASH 壽命。

（2）上位機友好的人機交互界面和有效的數(shù)據(jù)管理功能提高了監(jiān)測與標(biāo)定效率。

（3）以CCP 協(xié)議和CAN 通信協(xié)議為基礎(chǔ)的標(biāo)定系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中具有較高的穩(wěn)定性。