燃料電池城市客車(chē)數據支持系統設計

在“863”國家重大專(zhuān)項燃料電池城市客車(chē)項目中，燃料電池發(fā)動(dòng)機占有舉足輕重的地位。隨著(zhù)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(chē)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，設計專(zhuān)用的燃料電池數據支持系統以記錄并分析其運行數據對于分析燃料電池發(fā)動(dòng)機在車(chē)用工況下的特性有著(zhù)十分重要的意義。

傳統的車(chē)用數據記錄系統一般用于記錄交通事故發(fā)生前一段時(shí)間（如15min內）汽車(chē)的一些運行參數，其作用類(lèi)似于飛機上的“黑匣子”。傳統車(chē)用數據記錄系統記錄的數據僅為影響到汽車(chē)行駛安全的關(guān)鍵參數，如剎車(chē)信號、安全氣囊等，其存儲數據的時(shí)間跨度不長(cháng)，并且隨著(zhù)車(chē)輛的運行，新的數據會(huì )覆蓋前次記錄的數據。而燃料電池數據支持系統的設計目的為分析燃料電池客車(chē)的運行狀態(tài)以及燃料電池在車(chē)用條件下的性能，需要記錄整車(chē)所有的運行參數。同時(shí)，為了保證記錄數據在時(shí)間上的完整性，在記錄數據被導入數據分析系統進(jìn)行處理和保存之前，已記錄數據不會(huì )被覆蓋。本文所述的數據支持系統，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(shí)時(shí)性又不增加額外控制器的前提下進(jìn)行數據的存儲和時(shí)間的獲取。

本文所述的數據支持系統，不僅適用于燃料電池發(fā)動(dòng)機控制系統，還具有較強的適應性，稍加改動(dòng)即可應用于多種控制器。

1 數據支持系統處理器選型

常規的車(chē)用數據記錄系統有兩種方案：直接在控制單元的處理器上進(jìn)行數據記錄功能的開(kāi)發(fā)，或者使用額外的處理器進(jìn)行數據記錄功能的開(kāi)發(fā)。前者的優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用控制程序中的變量作為存儲數據，無(wú)需進(jìn)行額外的變量傳遞和采集，但是處理器在執行數據存儲任務(wù)時(shí)會(huì )占用正常工作資源，降低控制單元的實(shí)時(shí)性能；后者在運行過(guò)程中雖然不占用主控制器資源，但是需要通過(guò)外部總線(xiàn)、雙口RAM、模擬量采集等方式來(lái)獲取存儲數據，設計較為復雜，并且增加成本?？傊?，兩種常用的方案各有利弊。

在燃料電池城市客車(chē)控制系統中，燃料電池發(fā)動(dòng)機控制任務(wù)較多，加入數據支持系統后，無(wú)疑會(huì )增加控制器CPU的負擔，降低控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。另一方面，燃料電池數據支持系統需要記錄的數據較多，如采用單獨的處理器，則需要進(jìn)行大量的數據交換工作，會(huì )顯著(zhù)增加成本。本文針對所述兩種方案的弊端，設計了一種新的數據支持系統方案――使用燃料電池發(fā)動(dòng)機電控單元處理器中的TPU模塊作為數據支持系統的運算單元。

燃料電池控制器數字核心為Freescale公司的MPC5xx系列單片機，相對于其他大部分車(chē)用處理器，該系列單片機擁有獨特的TPU模塊。TPU(Timer Processor Unit)，即時(shí)間處理單元。在該模塊的結構中，包括獨立的運算單元、程序空間、內存區域、中斷系統、端口，可以認為T(mén)PU是一個(gè)嵌入在MPC5xx內部的小型微處理器。

同常規的單片機程序不同，TPU模塊的程序由微碼編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)編譯器編譯后，集成在主程序工程文件中并由下載線(xiàn)燒寫(xiě)到單片機的Flash中。單片機復位完成后，在初始化任務(wù)中將TPU程序下載到TPU模塊的程序內存，即DPTRAM中（如圖1左所示）。在此后的正常運行過(guò)程中，CPU總線(xiàn)同DPTRAM斷開(kāi)(如圖1右所示)，TPU模塊通過(guò)TPU內部總線(xiàn)從DPTRAM中取指令，并在TPU模塊內部的運算單元中執行，TPU擁有獨立的RAM區和寄存器進(jìn)行臨時(shí)變量的存放。因此，在正常運行過(guò)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(huì )影響主控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性。

在程序的正常運行過(guò)程中，TPU與CPU之間通過(guò)Host Interface（如圖2所示）進(jìn)行連接，CPU可以通過(guò)修改HSR寄存器的值來(lái)觸發(fā)TPU運行，TPU可以通過(guò)產(chǎn)生CPU中斷的方式與CPU交互。此外，CPU和TPU可以通過(guò)一段公共的內存單元(Parameter RAM)交換數據。MPC5xx系列單片機擁有兩個(gè)獨立的TPU模塊――TPUA和TPUB，共有8 KB的程序存儲空間。每個(gè)TPU模塊擁有16路輸入/輸出通道，以及256 B的Parameter RAM、2個(gè)定時(shí)器，并可觸發(fā)16路中斷，能夠獨立完成較為復雜的任務(wù)。