??? 摘? 要： 為了獲取并分析燃料電池城市客車的運行數(shù)據(jù),，研究燃料電池發(fā)動機在長期運行下的性能變化和進行控制策略優(yōu)化，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),。本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),，使用低成本大容量的Micro-SD卡作為數(shù)據(jù)存儲器，實現(xiàn)大量運行數(shù)據(jù)的記錄,。在處理器方面,，采用燃料電池發(fā)動機主控制器MPC5xx的TPU模塊作為處理單元，無需增加額外的計算單元,，同時該系統(tǒng)在運行過程中不影響主控制任務(wù)的實時性,。?

????關(guān)鍵詞： 燃料電池；ECU,；數(shù)據(jù)支持,；TPU

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??? 在“863”國家重大專項燃料電池城市客車項目中，燃料電池發(fā)動機占有舉足輕重的地位,。隨著對燃料電池控制研究的逐漸深入,，新的控制策略需要了解燃料電池在車用惡劣環(huán)境下的性能變化，以及燃料電池同其他部件之間的配合情況,。因此,，設(shè)計專用的燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)以記錄并分析其運行數(shù)據(jù)對于分析燃料電池發(fā)動機在車用工況下的特性有著十分重要的意義。?

??? 傳統(tǒng)的車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)一般用于記錄交通事故發(fā)生前一段時間（如15min內(nèi)）汽車的一些運行參數(shù),，其作用類似于飛機上的“黑匣子”,。傳統(tǒng)車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)僅為影響到汽車行駛安全的關(guān)鍵參數(shù)，如剎車信號,、安全氣囊等,，其存儲數(shù)據(jù)的時間跨度不長,，并且隨著車輛的運行，新的數(shù)據(jù)會覆蓋前次記錄的數(shù)據(jù),。而燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的設(shè)計目的為分析燃料電池客車的運行狀態(tài)以及燃料電池在車用條件下的性能,，需要記錄整車所有的運行參數(shù)。同時,，為了保證記錄數(shù)據(jù)在時間上的完整性,，在記錄數(shù)據(jù)被導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行處理和保存之前，已記錄數(shù)據(jù)不會被覆蓋,。本文所述的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),，利用燃料電池控制器的TPU模塊作為控制單元，可在既不影響主控制任務(wù)實時性又不增加額外控制器的前提下進行數(shù)據(jù)的存儲和時間的獲取,。?

??? 本文所述的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),，不僅適用于燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)，還具有較強的適應(yīng)性,，稍加改動即可應(yīng)用于多種控制器,。?

1 數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)處理器選型?

??? 常規(guī)的車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)有兩種方案：直接在控制單元的處理器上進行數(shù)據(jù)記錄功能的開發(fā)，或者使用額外的處理器進行數(shù)據(jù)記錄功能的開發(fā),。前者的優(yōu)點是可以直接利用控制程序中的變量作為存儲數(shù)據(jù),，無需進行額外的變量傳遞和采集，但是處理器在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲任務(wù)時會占用正常工作資源,，降低控制單元的實時性能,；后者在運行過程中雖然不占用主控制器資源，但是需要通過外部總線,、雙口RAM,、模擬量采集等方式來獲取存儲數(shù)據(jù)，設(shè)計較為復(fù)雜,，并且增加成本,。總之,，兩種常用的方案各有利弊,。?

??? 在燃料電池城市客車控制系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)動機控制任務(wù)較多,，加入數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)后,，無疑會增加控制器CPU的負(fù)擔(dān)，降低控制的實時性與可靠性,。另一方面,，燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)較多，如采用單獨的處理器,，則需要進行大量的數(shù)據(jù)交換工作,，會顯著增加成本,。本文針對所述兩種方案的弊端，設(shè)計了一種新的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)方案——使用燃料電池發(fā)動機電控單元處理器中的TPU模塊作為數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的運算單元,。?

??? 燃料電池控制器數(shù)字核心為Freescale公司的MPC5xx系列單片機,，相對于其他大部分車用處理器，該系列單片機擁有獨特的TPU模塊,。TPU(Timer Processor Unit),，即時間處理單元。在該模塊的結(jié)構(gòu)中,，包括獨立的運算單元,、程序空間、內(nèi)存區(qū)域,、中斷系統(tǒng),、端口，可以認(rèn)為TPU是一個嵌入在MPC5xx內(nèi)部的小型微處理器,。?

??? 同常規(guī)的單片機程序不同,，TPU模塊的程序由微碼編寫,，經(jīng)過編譯器編譯后,，集成在主程序工程文件中并由下載線燒寫到單片機的Flash中。單片機復(fù)位完成后,，在初始化任務(wù)中將TPU程序下載到TPU模塊的程序內(nèi)存,，即DPTRAM中（如圖1左所示）。在此后的正常運行過程中,，CPU總線同DPTRAM斷開(如圖1右所示),，TPU模塊通過TPU內(nèi)部總線從DPTRAM中取指令，并在TPU模塊內(nèi)部的運算單元中執(zhí)行,，TPU擁有獨立的RAM區(qū)和寄存器進行臨時變量的存放,。因此，在正常運行過程中,，TPU和CPU是相互獨立的處理器,，TPU的運行不占用CPU資源，從而不會影響主控制任務(wù)的實時性,。?

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??? 在程序的正常運行過程中,，TPU與CPU之間通過Host Interface（如圖2所示）進行連接，CPU可以通過修改HSR寄存器的值來觸發(fā)TPU運行,，TPU可以通過產(chǎn)生CPU中斷的方式與CPU交互,。此外，CPU和TPU可以通過一段公共的內(nèi)存單元(Parameter RAM)交換數(shù)據(jù),。MPC5xx系列單片機擁有兩個獨立的TPU模塊——TPUA和TPUB,，共有8 KB的程序存儲空間,。每個TPU模塊擁有16路輸入/輸出通道，以及256 B的Parameter RAM,、2個定時器,，并可觸發(fā)16路中斷，能夠獨立完成較為復(fù)雜的任務(wù),。?

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??? 在常規(guī)的發(fā)動機控制中,，TPU常用于柴油機的噴油控制等工作。然而,，在燃料電池控制體系中,，控制器基于CAN網(wǎng)絡(luò)控制，TPU模塊在實際控制中使用不多,。在本文中,，使用燃料電池控制器中空閑的TPU模塊作為數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的運算單元，并不影響主控制任務(wù)的實時性能,。同時,，該方案不需要增加單獨的控制器單元，簡化了硬件設(shè)計,，節(jié)約了成本,。因此，該方案可以很好地彌補兩種常用車用數(shù)據(jù)記錄方案的缺陷,。設(shè)計控制部分的框圖如圖3所示,，采用數(shù)字核心MPC5xx系列的TPUA控制數(shù)據(jù)存儲模塊，TPUB控制時間日歷模塊,。?

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2 硬件設(shè)計?

??? 燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的硬件部分包括時間日歷模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊兩部分,。前者的作用是為記錄的數(shù)據(jù)提供時間參考，后者的作用是存儲數(shù)據(jù),。?

2.1 時間日歷模塊?

??? 為了在燃料電池發(fā)動機電控單元斷電后保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)時間參考的準(zhǔn)確性,，采用了獨立的時鐘芯片DS12CR887來獲取當(dāng)前時間。該芯片集成了時鐘振蕩器和內(nèi)置電池,，無需外部供電和驅(qū)動電路,，同TPU的接口為并口。?

??? 時鐘芯片DS12CR887擁有128 B的內(nèi)存單元,，包括年,、月、日,、星期,、小時、分、秒寄存器以及三個控制寄存器,，還有114 B的通用內(nèi)存,。由于內(nèi)置電池的作用，無論ECU上電與否,，時鐘芯片都在運行之中,；任何時刻，ECU都可以通過并口讀取時鐘芯片內(nèi)存得到當(dāng)前的絕對時間,。該芯片對于少于31天的月份可自行調(diào)整,，還可進行閏年補償。該時鐘芯片精度較高,，在25℃的環(huán)境下,，每月的誤差不超過1min。?

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊?

??? 燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)量大,，記錄時間跨度長,，對存儲器的容量要求很高。同時,，為了便于嵌入燃料電池電控單元,，應(yīng)盡量減少存儲器的體積。除此之外,，成本問題也是需要考慮的因素,。在比較了U盤、SD卡和EEPROM三種存儲器后,，選擇了容量體積比最大且價格低廉的SD卡作為本數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的存儲設(shè)備,。?

??? 本文采用Kingston公司2 GB的Micro-SD卡作為存儲器,，Micro-SD卡的體積很小,，可以很方便地通過卡座安裝在電路板上，便于拆卸,。按照一天工作8小時計算,，2 GB的容量可以存儲140天的運行數(shù)據(jù)，對于實際記錄來說,，該性能可以完全滿足要求,。在設(shè)計中，使用數(shù)字核心MPC5xx的TPUA模塊對Micro-SD卡進行操作,，兩者之間利用串行SPI協(xié)議進行通信,。由于Micro-SD卡的供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)都是3.3 V標(biāo)準(zhǔn)，而ECU的數(shù)字核心為5 V標(biāo)準(zhǔn),，因此在通信接口之間采用電平轉(zhuǎn)換芯片進行信號轉(zhuǎn)換,，并且增加獨立的電源模塊。該部分的硬件原理如圖4所示。?

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3 軟件設(shè)計?

3.1 時間日歷系統(tǒng)軟件設(shè)計?

??? 時鐘日歷模塊中,，時鐘芯片與單片機的接口為8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的并行接口,。采用Motorola總線讀寫時序（如圖5所示），利用TPU模塊的16個端口模擬并口時序?qū)r鐘的總線進行操作,。時鐘芯片DS12CR887出廠時,，計時鏈處于關(guān)閉狀態(tài)，因此,，在燃料電池ECU的調(diào)試階段需要校準(zhǔn)時鐘并使能時鐘的計時鏈,。校準(zhǔn)的方法為向時間日期寄存器直接寫入當(dāng)前的時間日期，并置位DS12CR887芯片控制寄存器的計時鏈開啟標(biāo)志位來啟動時鐘芯片運行,。?

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??? 正常工作后,，TPU模塊通過讀取各內(nèi)存的數(shù)據(jù)得到當(dāng)前的絕對時間，并將各時間變量存入Parameter RAM,，CPU通過讀取Parameter RAM得到當(dāng)前的時間,。?

3.2 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)軟件設(shè)計?

??? 數(shù)據(jù)存儲模塊中，存儲器Micro-SD卡采用SPI協(xié)議與單片機進行通信,。對該芯片的操作時序主要有四種：復(fù)位,、初始化、讀,、寫,。相對于普通的SPI協(xié)議，Micro-SD卡通信協(xié)議較為復(fù)雜,，一個基本的操作往往需要持續(xù)幾千個時鐘周期(如圖6所示的SD卡寫時序),，TPU模塊的微碼編程只能實現(xiàn)比較簡單的條件分支以及運算。因此,，本文在設(shè)計中,，優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)以適應(yīng)復(fù)雜的SPI時序；同時,，考慮到TPU的程序內(nèi)存只有8 KB,，在編程時需要注意對程序優(yōu)化，以節(jié)約代碼空間,。程序運行過程中,，CPU和TPU之間的數(shù)據(jù)交換依然通過Parameter RAM實現(xiàn)。?

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??? 數(shù)字核心MPC561的TPU模塊中,，Parameter RAM區(qū)總共只有256 B,，但是SD卡一次寫入的最小單位為一個block，即512 B,。為了將512 B的變量從CPU連續(xù)地寫入Micro-SD卡,，本文設(shè)計了緩存協(xié)議,，即TPU從RAM區(qū)的低地址開始寫，每寫入128 B后產(chǎn)生TPU中斷,，通知CPU更新已讀區(qū)域的數(shù)據(jù),。這樣便保證了TPU對Micro-SD卡寫時序操作的連續(xù)性，其控制流程如圖7所示,。?

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??? 本文設(shè)計了一種針對燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以持續(xù)實時記錄燃料電池客車的所有運行數(shù)據(jù)，在運行過程中為燃料電池客車提供絕對時間參照,，并配套相應(yīng)的上位機處理軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析,。相對于傳統(tǒng)的車用數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，本系統(tǒng)無論從數(shù)據(jù)記錄量上還是時間跨度上都具有明顯優(yōu)勢,。在處理器的選擇方面,，本文采用了獨特的TPU模塊進行控制，使數(shù)字核心的資源得到了合理利用,，在節(jié)約成本的同時不影響主控制任務(wù)運行的實時性,。經(jīng)過一段時間的使用，該系統(tǒng)能正常工作,，記錄的數(shù)據(jù)對燃料電池的控制策略起到了一定的參考作用,。?

參考文獻?

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