標定和測量應用的焦點(diǎn)——XCP

針對多種傳輸層和應用的協(xié)議

　　現代汽車(chē)系統中加入了越來(lái)越多的安全舒適性電控功能。雖然ECU的數量得到了控制，但是這就意味著(zhù)要增加單個(gè)設備的復雜度來(lái)補償功能的增長(cháng)。XCP通信協(xié)議為這些分布式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程的合理化做出了重要的貢獻，其主要任務(wù)包括實(shí)時(shí)地測量和標定ECU內部變量。該協(xié)議繼承了CCP，它的一個(gè)巨大優(yōu)勢就是與物理傳輸層無(wú)關(guān)。

　　在當前，汽車(chē)控制模塊中的變量數目超過(guò)1萬(wàn)的情況已經(jīng)不足為奇了！在車(chē)輛的控制中有眾多的動(dòng)態(tài)過(guò)程需要控制，而ECU標定的主要任務(wù)就是優(yōu)化這些控制算法。例如針對PID控制器，標定其比例、積分和微分環(huán)節時(shí)可能產(chǎn)生不計其數的變化版本（圖1）。因此，就需要尋找到一個(gè)在穩定性、速度和動(dòng)態(tài)特性方面足夠好的結合點(diǎn)。這些可以通過(guò)實(shí)時(shí)讀取和更改變量來(lái)實(shí)現(圖2)。

　
圖1 PID控制算法優(yōu)化

　
圖2 使用圖形化標定和診斷工具CANape優(yōu)化PID控制器

　　為了控制ECU標定的時(shí)間和成本，工程師和技術(shù)員通常會(huì )依賴(lài)可以靈活讀寫(xiě)變量和內存的強大的工具和標準。為此，在90年代出現了CAN標定協(xié)議(CCP)，當時(shí)CAN總線(xiàn)是汽車(chē)中唯一的主流總線(xiàn)。CCP后來(lái)被指定為一種交叉OEM標準。然而，隨著(zhù)汽車(chē)電子的持續發(fā)展，其它總線(xiàn)系統諸如FlexRay、LIN、MOST等也開(kāi)始成為主流。但是，CCP僅限于CAN網(wǎng)絡(luò )應用，所以在其它潛在領(lǐng)域的應用局限日益增加。這樣就導致了其后繼協(xié)議XCP的出現。

通用的標準協(xié)議

　　與CCP一樣，“通用測量與標定協(xié)議”(XCP)也是源于自動(dòng)化和測量系統標準化協(xié)會(huì )(ASAM)[1]，它在2003年被定為標準。其中的“X”代表可變的和可互換的傳輸層。XCP通過(guò)雙層協(xié)議將協(xié)議和傳輸層完全獨立開(kāi)，它采用的是單主/多從結構。根據正在討論的不同的傳輸層，XCP協(xié)議可能指的是XCP-on-Can、XCP-on-Ethernet、XCP-on-UART/SPI 或XCP-on-LIN，如圖3所示。

　
圖3 傳輸層和協(xié)議層的隔離使得XCP可以利用大量的硬件接口

　　XCP主設備可以和不同的XCP從設備同時(shí)通信。這些XCP從設備包括：

ECU或ECU原型
測量和標定硬件，如調試接口或內存仿真器
快速控制原型硬件
HIL/SIL系統

　　為了滿(mǎn)足作為針對大量不同應用的通用的通信解決方案的挑戰，ASAM工作組強調了下列XCP設計準則：最小的資源使用（包括ECU中的RAM、ROM和必需的運行時(shí)資源），高效的通信，輕松實(shí)現XCP Slave，需要較少配置工作的即插即用性能，較少的參數，以及可伸縮性。

可互換的傳輸層

　　XCP可以在不同的傳輸層上實(shí)現同樣的協(xié)議層。這是一種通用的測量和標定協(xié)議，可以獨立于所使用的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型而工作。目前，ASAM已經(jīng)在標準中定義的傳輸層包括：XCP-on-CAN，XCP-on-SXI(SPI,SCI), XCP-on-Ethernet(TCP/IP and UDP/IP)，XCP-on-USB和XCP-on-FlexRay。最后命名的版本(XCP-on-FlexRay)是協(xié)議家族中的最新成員，它早在2006年就產(chǎn)生了。XCP-on-FlexRay的一個(gè)特別的技術(shù)特征是動(dòng)態(tài)帶寬控制。測量、標定和診斷工具（MCD工具），比如CANape，可以識別可用帶寬并能夠非常高效地將其動(dòng)態(tài)分配到當前的應用數據通信中。這樣X(jué)CP通信的可用帶寬就可以得到最理想的使用，并且不影響正常的FlexRay通信。

　　正在為將來(lái)考慮的其它方案包括XCP-on-LIN；如果有充足的客戶(hù)需求，則也可能包括XCP-on-K-Line或XCP-on-MOST。由于支持廣泛的傳輸層，使得從開(kāi)發(fā)階段的寬帶（比如Ethernet或USB）方案移植到批量生產(chǎn)階段的CAN接口方案變得十分簡(jiǎn)單。

一主多從概念

　　測量和標定系統承擔了XCP主設備的角色，ECU作為XCP從設備工作。主設備和從設備的通信是通過(guò)集成在其中的XCP驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現的。對于每個(gè)從設備都有一個(gè)ECU描述文件；這些文件規定的信息包括：（符號）變量名及其地址范圍分配，數據的物理意義，使用的校驗方法。XCP主設備可以從A2L描述文件里讀取所需的全部信息。

　　XCP通信使用“命令傳輸對象”(CTO)和“數據傳輸對象” (DTO)來(lái)區分（主從通信）。XCP主設備可以在總線(xiàn)上向ECU通過(guò)CTO發(fā)送命令。ECU會(huì )在執行完請求的服務(wù)后以同樣的途徑進(jìn)行應答。CTO會(huì )提供：CMD（命令）, RES （響應）, ERR （錯誤）, EV （事件） 和 SERV （服務(wù)請求處理機）。數據傳輸對象DAQ（數據采集）和STIM（激勵）用于以事件驅動(dòng)方式從內存中讀取測量變量或者向XCP從設備的內存中寫(xiě)入變量值。

　
圖4：XCP主設備和XCP從設備之間的通信

從汽車(chē)總線(xiàn)到標準PC接口

　　PC平臺幾乎只用作測量和標定的主設備。為了直接連接到汽車(chē)總線(xiàn)系統，比如CAN、LIN、 FlexRay、MOST 或 K-Line等，通常會(huì )為PC機安裝一個(gè)或多個(gè)硬件接口。此外，XCP主設備也可以利用標準PC接口，例如以太網(wǎng)、USB和RS232等。當然，在這些解決方案中不會(huì )增加額外的硬件接口成本。帶調試接口（JTAG，TRACE等）的測量和標定系統以及內存仿真器都可以通過(guò)這種方式實(shí)現。原則上，標準PC接口非常適合于連接存在于不同總線(xiàn)系統間的網(wǎng)關(guān)，比如FlexRay-on-Ethernet就可以很好地實(shí)現此功能。最后，在很多開(kāi)發(fā)和測試計劃中會(huì )使用到傳統模擬和數字I/O通道，這些通道尤其會(huì )涉及時(shí)間-關(guān)鍵測量。

　　使用XCP的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢就在于這樣一個(gè)單一標準協(xié)議滿(mǎn)足了所有這些應用需求。如果沒(méi)有XCP，就需要為每個(gè)通信通道定義一個(gè)專(zhuān)用的驅動(dòng)，然而在同時(shí)使用多種驅動(dòng)時(shí)需要考慮性能損失，此外還會(huì )增加出現不受歡迎的相互影響的風(fēng)險和不穩定性。

通用、可擴展并節約資源

　　一個(gè)，并且是同一個(gè)XCP驅動(dòng)代碼可以應用于所有的通信過(guò)程。它可以用于從低端控制器和接口發(fā)送僅僅幾個(gè)字節的數據，比如集成了串行接口的8位處理器。同樣的代碼也可用于通過(guò)高速的網(wǎng)絡(luò )（比如以太網(wǎng)）使用32位處理器發(fā)送兆字節量級的數據。XCP驅動(dòng)是由強制功能和可選功能組成的，驅動(dòng)的大小可以根據可用的ROM/Flash的大小進(jìn)行調整。在ECU中，通過(guò)是否具有高數據吞吐量或低處理器負載和RAM尺寸來(lái)表征資源用量。

　　對于總線(xiàn)負載，主要考慮傳輸信號的數目相比總線(xiàn)帶寬?？傊?，XCP驅動(dòng)容易實(shí)現，而且僅需要很少的幾個(gè)變量。

事件驅動(dòng)的周期性數據采集

　　ECU在離散的時(shí)間間隔上運行?？梢詫⑦@樣的一個(gè)時(shí)間間隔長(cháng)度固定（比如10ms），或者定義其依賴(lài)于某種事件（比如發(fā)動(dòng)機轉一圈）。在固定時(shí)間間隔的情況下，時(shí)間片的結束是以定時(shí)器的溢出來(lái)標記的。從廣義上講，這種定時(shí)器溢出也是一個(gè)事件。ECU的任務(wù)是在一個(gè)特定的時(shí)間片內完成所有的計算和控制任務(wù)。為了從XCP從設備中獲取相關(guān)的數據信息，使用了XCP協(xié)議中的DAQ機制。在該機制中，在測量開(kāi)始前XCP主設備會(huì )先通知XCP從設備：特定的事件發(fā)生時(shí)需要測量哪些信號。如果現在事件發(fā)生了（如10ms定時(shí)器溢出），XCP從設備就從內存中讀取這些先前定義的數據，并且將他們拷貝到受保護的RAM區，然后通過(guò)消息的方式發(fā)送給XCP主設備。這保證了數據值來(lái)自同一事件循環(huán)并且是相關(guān)的。

　　XCP主設備接收帶有時(shí)戳的數據并且將其保存在相應的測量文件中。時(shí)戳要么通過(guò)XCP從設備作為數據發(fā)送，要么分配到消息中通過(guò)硬件接口（比如CANcardXL）發(fā)送。在測量文件中，所有數據參考XCP主設備的時(shí)間基準進(jìn)行同步，然后被進(jìn)一步處理，例如在一個(gè)統一的時(shí)間軸上對測量數據進(jìn)行可視化顯示（圖5）。這就允許在一張圖中一致地顯示不同XCP從設備的多個(gè)數據通道。

　
圖5 在同一個(gè)時(shí)間軸上顯示不同信號源的各種信號

　　除了前面已經(jīng)提到的XCP相對于CCP的優(yōu)點(diǎn)，XCP還支持所謂的冷啟動(dòng)測量和用于循環(huán)數據采集的任務(wù)的內部ECU時(shí)戳。在冷啟動(dòng)測量中，可以配置ECU讓它在被激活后就立即周期性地發(fā)送數據，而XCP主設備不需要明確地初始化該功能。如果使用了內部ECU時(shí)戳，該時(shí)戳就不是在測量和標定系統中與后期評估相關(guān)的數據接收時(shí)間了，而是在XCP從設備中數據被創(chuàng )建的時(shí)刻。這樣就消除了由于傳輸延遲而引起的不確定性（比如在總線(xiàn)帶寬不足或者高負載情況下都會(huì )產(chǎn)生）。

優(yōu)化特性曲線(xiàn)和特性圖

　　除了基于數學(xué)模型的控制算法，ECU還要使用由離散插值點(diǎn)組成的特性曲線(xiàn)和特性圖。為了達到預期的系統行為，通常通過(guò)試驗方法（比如臺架試驗）建立和優(yōu)化這些特性值表。A2L文件是用來(lái)描述測量變量和標定參數的。描述的選項覆蓋了從簡(jiǎn)單標量參數到復雜數值表的范圍。其中，描述內容包含了數據類(lèi)型、原始值和物理值間的轉換規則、特性map圖的存儲方案以及更多的功能。Vector Informatik公司提供的CANape及類(lèi)似的高性能標定工具可以在屏幕上通過(guò)圖形圖表或數值表格的方式清晰地顯示特性曲線(xiàn)和map圖。

使用CANape和XCP進(jìn)行快速原型

　　在ECU開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )頻繁地將重要功能導出到外部仿真系統，這樣可以花最小的代價(jià)來(lái)計算這些功能。直到仿真模型中的算法達到一定的成熟度，開(kāi)發(fā)者才會(huì )從這些算法生成代碼，這些代碼可與其它ECU代碼一起編譯并燒寫(xiě)到ECU中。然而，在此之前，可以使用一種被稱(chēng)作“旁通”的技術(shù)（該技術(shù)耦合了真實(shí)ECU及其模型），通過(guò)旁通可以在開(kāi)發(fā)初期不依賴(lài)硬件進(jìn)行測試和優(yōu)化工作。

　　在使用XCP的旁通技術(shù)中，XCP主設備使用DAQ從ECU中讀取數據，將這些數據作為輸入值發(fā)給模型并且使用STIM將模型返回的結果發(fā)送回ECU。值得注意的是，使用運行MCD工具CANape的普通PC機平臺就足以滿(mǎn)足旁通和建模的要求。這是個(gè)好消息，因為基于特殊實(shí)時(shí)硬件的解決方案可能會(huì )貴好多倍，而且在開(kāi)發(fā)部門(mén)中這類(lèi)設備也可能為數不多。CANape作為一個(gè)高度優(yōu)化的XCP主設備，可以同時(shí)處理與真實(shí)ECU的通信和與在PC上運行的模型之間的通信（圖6）。ECU參數和模型參數都可通過(guò)CANape和XCP進(jìn)行標定。

　
圖6 旁通：使用標準PC和CANape作為測試系統

通過(guò)XCP進(jìn)行flash編程

　　XCP同樣為進(jìn)行ECU編程的用戶(hù)提供了便利。ECU flash內存中的數據只能使用特殊的預定的flash程序進(jìn)行改寫(xiě)，這些預定的程序也必須駐留在ECU中。原則上，可使用兩種方法：第一種方案，flash程序被永久存儲在flash中；首先，這樣會(huì )浪費內存，其次會(huì )遇到交付車(chē)輛的安全問(wèn)題。第二種方案，在需要重新編程的時(shí)候，僅使用PC工具通過(guò)XCP將flash內核下載到微控制器的RAM中。除了包含用于擦除flash內存和重寫(xiě)數據的flash程序外，flash內核也包含自己的總線(xiàn)和SCP驅動(dòng)，它們用于通過(guò)總線(xiàn)接口與PC工具進(jìn)行通信。

總結

　　XCP是一種標準而通用的有很多合理化潛力的應用協(xié)議。它不僅用于ECU開(kāi)發(fā)、標定和編程；也用于在原型開(kāi)發(fā)中集成需要的測量設備、功能開(kāi)發(fā)中的旁通以及在測試臺上進(jìn)行的SIL和HIL過(guò)程。對于通過(guò)微控制器調試接口（例如NEXUS等）快速訪(fǎng)問(wèn)內部數據，通信是在專(zhuān)用硬件上進(jìn)行的，不會(huì )出現故障。該硬件完成NEXUS到XCP-on-Ethernet的通信轉換。這樣帶給用戶(hù)的好處是不依賴(lài)于專(zhuān)用解決方案的工具生產(chǎn)商，并且可以重用組件。

　　Vector Informatik公司為用戶(hù)提供了免費的驅動(dòng)用于建立XCP從設備，該驅動(dòng)可以從其公司的網(wǎng)頁(yè)上下載[3]。從1996年就作為ECU標定工具出現的MCD工具CANape，一直以來(lái)都作為XCP主設備并按照最新的XCP標準進(jìn)行不斷地升級，這也得益于Vector積極參與ASAM工作委員會(huì )。CANape是市場(chǎng)上第一個(gè)具有XCP-on-FlexRay接口的工具。在第一輛FlexRay量產(chǎn)車(chē)BMW X5的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，這成為讓BMW工程師決定在標定減震器控制系統時(shí)放心使用Vector的XCP協(xié)議棧和CANape的一個(gè)重要因素。

文獻和鏈接:
[1] www.asam.net
[2] www.ecu-calibration.com
[3] www.vector-informatik.com/downloads