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，因而多數標定系統(tǒng)都是基于CCP（CAN Calibration Protocol）協議開發(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協議設計了一套ECU標定系統(tǒng)，充分利用了XCP協議物理傳輸層與協議層相互獨立的特性,，基于同一協議層分別實現了對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協議由自動化及測量系統(tǒng)標準協會（Association for Standardization of Automation and Measuring system,，ASAM）提出,，是對原有CCP2.1協議的繼承和升級，力求使用最小的系統(tǒng)和硬件資源開銷實現高效通信^[3],。該協議分別定義了協議層,、傳輸層和接口層，其最突出的特點就是協議層獨立于傳輸層,。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數據包（XCP Packet）由協議層定義,，完全不受影響,。因此XCP標定協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,。根據通信介質的不同,，需要對XCP協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協議驅動程序的實現

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

    XCP協議規(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協議驅動程序的實現

    XCP協議作為對CCP協議的升級，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)送數據,；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)默認參數以及XCP模塊的初始化，并且將標定數據從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據封裝成DTO數據包發(fā)送給主機。如處理出錯,，則返回對應的ERR數據包,，其第二字節(jié)包含具體的錯誤碼。

2.2 上位機端XCP協議驅動程序的實現

    上位機采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā),。XCP協議共規(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,，然后根據實際功能需求對其進行順序調用,。實現的部分命令子vi如圖5所示。

    結合標定軟件的功能需求和XCP協議規(guī)定的CMD列表,，上位機端的XCP協議實現框架如圖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協議傳輸層設計

    作為對CCP協議的升級，XCP協議最突出的特點是協議層獨立于具體的物理傳輸層,，從而增加了協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數據包(XCP Packet),。其中XCP數據包由協議層定義，報文頭和報文尾由傳輸層定義,，從而實現同一協議層數據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)者根據實際需求選則有或者無,，且XCP數據包中不包含時間標識段(TIMESTAMP),。其原理是：CAN2.1協議規(guī)定CAN報文數據幀的數據域長度DLC最多為8 B^[6]。如果設置CAN報文中的數據長度DLC始終等于XCP數據包長度LEN,，則報文尾為空,，此時XCP數據包就是XCP報文；如果設定DLC長度始終為MAX_DLC=8,，則當XCP數據包長度小于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(CTR),、填充字節(jié)(FILL)和XCP報文數(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據長度能達到254 B,，實際應用過程中有效數據長度取決于具體的FlexRay控制器參數,，其中恩智浦MFR4310控制器已經可以實現0～254 B數據域長度配置^[7]。為了增加總線吞吐量,，當FlexRay數據幀中含有多個連續(xù)的XCP報文時,，需要給每一個報文順序計數CTR以保證數據的有序性，同時還要給出所包含的XCP報文個數LEN,，而FILL域用于實現Byte或Word對齊，提高FlexRay總線傳輸效率^[8],。本文設計的FlexRay數據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,。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上、下位機的成功連接,。而后建立監(jiān)測窗口,，選取若干參數進行數據顯示，觀察是否能正常運行,；再建立標定窗口,，對上述某一參數數值進行修改，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,，保證了系統(tǒng)的通用性。利用其協議層獨立于傳輸層的特性,，在同一協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。

參考文獻

[1] 張俊峰,，肖兵,，童天涯.面向異構網絡的整車控制器標定系統(tǒng)的實現[J].電子技術應用，2015,，41(12)：133-136.

[2] 劉運瀟.基于CCP的通用型ECU標定系統(tǒng)研究和設計[D].上海：上海交通大學,，2013.

[3] SCHUERMANS R，ZAISER R,，HEPPERLE F,，et al.XCP_Part1-Overview_V1-1-0[Z].2008.

[4] 蘇瑜，周文華,，竺春狄.一種適用不同通信方式基于XCP協議的ECU標定工具的開發(fā)[J].汽車工程,，2010，32(1)：81-85.

[5] SCHUERMANS R,，ZAISER R,，HEPPERLE F，et al.XCP_Part2-Protocol layer specification_V1-1-0[Z].2008.

[6] SCHUERMANS R,，ZAISER R,，HEPPERLE F，et al. XCP_Part3-Transport layer specification_XCPonCAN_V1-1-0[Z].2008.

[7] 王曉陽.基于FlexRay輪轂電機汽車XCP標定系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學,，2014.

[8] CUMMINGS R.Easing the transition of system designs from CAN to FlexRay[C].SAE World Congress & Exhibition,，2008.

作者信息:

任銀行，張建龍,，殷承良

（上海交通大學 機械與動力工程學院,，上海200240）