關于基于XCP協(xié)議支持多總線的ECU標定系統(tǒng)的實現(xiàn)

0 引言

汽車技術的飛速發(fā)展使得汽車電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）中包含的控制參數(shù)大量增加，標定工作復雜度越來越高。在ECU開發(fā)過程中，控制參數(shù)的標定工作直接影響整車性能的優(yōu)劣。面對日趨多樣的ECU和通信總線類型，開發(fā)一種支持多總線的、通用靈活的標定系統(tǒng)，具有非常高的實用價值[1]。目前，CAN總線作為一種可靠的汽車總線已經廣泛應用于高檔汽車，因而多數(shù)標定系統(tǒng)都是基于CCP（CAN Calibration Protocol）協(xié)議開發(fā)的，具有一定的通用性[2]。但隨著更為先進的FlexRay通信總線迅速發(fā)展，開發(fā)出一種既支持當下主流的CAN總線，又兼容代表汽車總線趨勢的FlexRay總線的標定系統(tǒng)，無疑具有很高的技術應用價值。

本文基于XCP協(xié)議設計了一套ECU標定系統(tǒng)，充分利用了XCP協(xié)議物理傳輸層與協(xié)議層相互獨立的特性，基于同一協(xié)議層分別實現(xiàn)了對CAN總線和FlexRay總線的支持，大大提高了標定系統(tǒng)的總線兼容性與可擴展性。

1 標定系統(tǒng)總體方案設計

XCP協(xié)議由自動化及測量系統(tǒng)標準協(xié)會（Association for Standardization of Automation and Measuring system，ASAM）提出，是對原有CCP2.1協(xié)議的繼承和升級，力求使用最小的系統(tǒng)和硬件資源開銷實現(xiàn)高效通信[3]。該協(xié)議分別定義了協(xié)議層、傳輸層和接口層，其最突出的特點就是協(xié)議層獨立于傳輸層。對于不同類型的通信總線，只需要將XCP報文（XCP Message）的報文頭和報文尾填上對應信息，而中間部分的XCP數(shù)據(jù)包（XCP Packet）由協(xié)議層定義，完全不受影響。因此XCP標定協(xié)議能夠極好地適應總線多樣化對標定系統(tǒng)通用性提出的要求。目前，ASAM已經在標準中定義的傳輸層包括：XCP-on-CAN、XCP-on-Ethernet（TCP/IP、UDP/IP）、XCP-on-SXI（SPI、SCI）、XCP-on-USB和XCP-on-FlexRay[3]。根據(jù)后續(xù)的實際需求，也考慮進一步定義XCP-on-LIN、XCP-on-K-Line和XCP-on-MOST。

圖1是標定系統(tǒng)總體架構設計方案。整個標定系統(tǒng)框架遵循ASAM-MCD標準（原ASAP標準）搭建，包括運行于PC端的上位機標定軟件、負責上位機和下位機之間通信的通信控制單元和下位機ECU。ECU端采用Freescale公司的MC9S12XF512芯片。上位機集成了方便用戶進行測量和標定的圖形界面以及XCP命令解析模塊，用戶請求經由上位機XCP協(xié)議模塊打包，通過通信控制單元發(fā)送至下位機ECU通信接口，再由集成在ECU中的XCP驅動模塊解析后調用對應命令處理模塊進行操作，將處理結果打包并通過通信控制單元發(fā)送回上位機。根據(jù)通信介質的不同，需要對XCP協(xié)議幀的幀頭和幀尾進行對應的信息填充。本文設計的標定系統(tǒng)同時支持當下主流的CAN通信總線和代表未來汽車總線發(fā)展趨勢的FlexRay總線。

2 XCP協(xié)議驅動程序的實現(xiàn)

XCP協(xié)議以主從方式工作，并使用命令傳輸對象（Command Transfer Object，CTO）和數(shù)據(jù)傳輸對象（Data Transfer Object，DTO）兩種數(shù)據(jù)包來區(qū)分主從節(jié)點間的通信，如圖2所示。

XCP協(xié)議規(guī)定了3種通信模式，分別是標準通信模式(Standard Mode)、塊傳輸通信模式(Block Transfer Mode)和交錯傳輸通信模式(Interleaved Mode)。本文設計的標定系統(tǒng)適用于CAN總線和FlexRay總線，采用標準通信模式，即在主機主動發(fā)起會話建立連接之后，對于主機發(fā)送的每一條命令，從機都必須進行響應處理，如出錯則返回錯誤報告信息。在沒有接收到從機對上一條命令的應答之前，主機不會發(fā)送新的命令[4]。

2.1 下位機端XCP協(xié)議驅動程序的實現(xiàn)

XCP協(xié)議作為對CCP協(xié)議的升級，其所具有的一個重要新功能是對冷啟動測量的支持，即所謂的RESUME模式[3]。集成了XCP協(xié)議驅動的下位機啟動后其狀態(tài)機模型如圖3所示。

從節(jié)點設備啟動并完成初始化后，會立刻檢測ECU的非易失存儲介質中是否有已配置好的DAQ list供RESUME模式使用，如果有，則進入RESUME模式，按配置列表周期性向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)；如果沒有相關配置文件，則進入DICONNECTED模式。在RESUME模式和DISCONNECTED模式下，從設備只響應來自主機的CON-NECT命令(XCP-ON-CAN條件下還可響應GET_SLAVE_ID命令)。下位機端XCP驅動的工作流程如圖4所示。

按照主從通信模式，從機端使用中斷方式對主機的命令進行響應。從機啟動后會首先完成系統(tǒng)的初始化工作，包括對從機硬件資源的初始化、配置系統(tǒng)默認參數(shù)以及XCP模塊的初始化，并且將標定數(shù)據(jù)從ROM或Flash鏡像到RAM，為標定工作做好準備。在解析到來自主機的CTO消息中包含CONNECT命令后，從機響應主機建立連接，該設備進入在線狀態(tài)，進而處理來自主機的一系列命令，并根據(jù)命令碼（CMD code）調用對應的模塊進行響應，完成對應操作后將數(shù)據(jù)封裝成DTO數(shù)據(jù)包發(fā)送給主機。如處理出錯，則返回對應的ERR數(shù)據(jù)包，其第二字節(jié)包含具體的錯誤碼。

2.2 上位機端XCP協(xié)議驅動程序的實現(xiàn)

上位機采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)。XCP協(xié)議共規(guī)定了18條必選命令和38條可選命令[5]。結合標定系統(tǒng)的功能需求和開發(fā)語言特點，實現(xiàn)思路是將18條必選命令和部分可選命令分別定義為獨立的子vi，然后根據(jù)實際功能需求對其進行順序調用。實現(xiàn)的部分命令子vi如圖5所示。

結合標定軟件的功能需求和XCP協(xié)議規(guī)定的CMD列表，上位機端的XCP協(xié)議實現(xiàn)框架如圖6所示。

本文設計的標定系統(tǒng)軟件包含部分尚未實現(xiàn)的可選命令。當用戶操作需要用到該命令時，下位機會統(tǒng)一返回ERR_CMD_UNKNOWN錯誤代碼。

3 XCP協(xié)議傳輸層設計

作為對CCP協(xié)議的升級，XCP協(xié)議最突出的特點是協(xié)議層獨立于具體的物理傳輸層，從而增加了協(xié)議對總線適用的靈活性，減少了開發(fā)移植的重復工作。XCP協(xié)議規(guī)定的XCP報文(XCP Message，也稱XCP Frame)結構如圖7所示。

XCP報文分為3部分，分別是報文頭(XCP Header)、報文尾(XCP Tail)和中間的XCP數(shù)據(jù)包(XCP Packet)。其中XCP數(shù)據(jù)包由協(xié)議層定義，報文頭和報文尾由傳輸層定義，從而實現(xiàn)同一協(xié)議層數(shù)據(jù)包可通過不同物理總線進行傳輸。

3.1 XCP-on-CAN傳輸層設計

當物理層傳輸介質為CAN總線時，報文頭為空，報文尾由開發(fā)者根據(jù)實際需求選則有或者無，且XCP數(shù)據(jù)包中不包含時間標識段(TIMESTAMP)。其原理是：CAN2.1協(xié)議規(guī)定CAN報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域長度DLC最多為8 B[6]。如果設置CAN報文中的數(shù)據(jù)長度DLC始終等于XCP數(shù)據(jù)包長度LEN，則報文尾為空，此時XCP數(shù)據(jù)包就是XCP報文；如果設定DLC長度始終為MAX_DLC=8，則當XCP數(shù)據(jù)包長度小于8 B時，需要通過添加XCP報文尾的方式補足8 B（填充內容任意）。本文設計的XCP-on-CAN報文采用第一種方式，即令DLC始終與LEN相等。

3.2 XCP-on-FlexRay傳輸層設計

當物理層傳輸介質為FlexRay總線時，必包含報文頭，而報文尾則根據(jù)所在報文實際情況，可能為空，也可能為1 B的填充域(填充內容任意)。其原理是：報文頭包含4個部分，分別為XCP節(jié)點地址(NAX)、計數(shù)(CTR)、填充字節(jié)(FILL)和XCP報文數(shù)(LEN)。除首字節(jié)NAX外，其余部分均為可選項。FlexRay作為新一代高速總線，每一幀的理論有效數(shù)據(jù)長度能達到254 B，實際應用過程中有效數(shù)據(jù)長度取決于具體的FlexRay控制器參數(shù)，其中恩智浦MFR4310控制器已經可以實現(xiàn)0～254 B數(shù)據(jù)域長度配置[7]。為了增加總線吞吐量，當FlexRay數(shù)據(jù)幀中含有多個連續(xù)的XCP報文時，需要給每一個報文順序計數(shù)CTR以保證數(shù)據(jù)的有序性，同時還要給出所包含的XCP報文個數(shù)LEN，而FILL域用于實現(xiàn)Byte或Word對齊，提高FlexRay總線傳輸效率[8]。本文設計的FlexRay數(shù)據(jù)幀采用最為簡潔的形式，僅包含一個XCP報文。

本文設計的XCP-on-CAN和XCP-on-FlexRay報文結構如圖8所示。

4 標定系統(tǒng)驗證

對系統(tǒng)進行驗證的首要目標是保證系統(tǒng)的各項基本功能均能夠準確、可靠地實現(xiàn)。驗證的基本思路是：第一階段，連接標定系統(tǒng)上位機、下位機，并運行上位機標定軟件，將下位機ECU上電，通過簡單的配置后可以實現(xiàn)上、下位機的成功連接。而后建立監(jiān)測窗口，選取若干參數(shù)進行數(shù)據(jù)顯示，觀察是否能正常運行；再建立標定窗口，對上述某一參數(shù)數(shù)值進行修改，從而驗證標定系統(tǒng)的基本功能。第二階段，連接本文開發(fā)的標定系統(tǒng)和實驗室一直使用的電池包管理ECU，重復上述驗證程序，驗證標定系統(tǒng)的適用性。實驗結果表明該系統(tǒng)使用簡單靈活，能夠滿足實驗室標定工作的基本需求。標定系統(tǒng)工作時的連接參數(shù)配置界面、監(jiān)測窗口和標定窗口如圖9所示。

5 結論

本文基于XCP協(xié)議完成了ECU標定系統(tǒng)的開發(fā)，按照ASAM-MCD標準設計系統(tǒng)整體架構并予以實現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的通用性。利用其協(xié)議層獨立于傳輸層的特性，在同一協(xié)議層的基礎上設計了CAN總線和FlexRay總線對應的兩種傳輸層結構，克服了基于CCP協(xié)議的標定系統(tǒng)僅支持CAN總線的局限性。最后應用標定系統(tǒng)進行標定試驗，驗證其監(jiān)測、標定等基本功能。本文設計的標定系統(tǒng)具有良好的總線適用性和可擴展性，不僅滿足當下主流CAN總線的標定需求，而且支持新一代FlexRay總線。與此同時，XCP協(xié)議多總線支持的特性也為今后進一步擴展XCP-on-Ethernet、XCP-on-SXI和XCP-on-MOST提供了保證。