車用電子控制器分頁標定軟件技術研究與實現

李巖，張曉謙，孫忠剛，劉超

(中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車電子部，吉林長春130011)

車用電子控制器分頁標定軟件技術研究與實現

李巖，張曉謙，孫忠剛，劉超

(中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車電子部，吉林長春130011)

近年來，車用電子控制器在開發階段需要調試和優化的標定量大量增加。由于控制算法和標定數據都需占用大量的存儲空間，標定軟件在設計時不僅要滿足數據測量、在線標定、數據下載等基本功能，還要兼顧控制器芯片的RAM資源情況。根據XCP協議規范，在MPC5644硬件平臺上設計了基于CAN總線的分頁標定軟件，具有較好的通用性和可靠性。該技術通過內存管理單元對標定區的地址進行切換，有效解決了標定大量數據時單片機RAM資源緊缺的問題，同時優化了數據下載功能。該標定軟件目前已應用于某汽車公司研發的產品ECU上，取得了良好的效果。

電子控制器；分頁標定；XCP協議

0 引言

標定軟件是車用電子控制器平臺軟件的重要組成部分，在產品開發階段，應用軟件設計人員通過該軟件來動態修改和優化控制器內部的參數。隨著電控系統控制邏輯復雜度和控制變量數量的增加，控制器內部的RAM資源難以滿足大量標定數據進行在線標定的需求。出于成本和性能的考慮，作者采用分頁標定技術，利用一塊標定RAM區支持多塊標定ROM區域的標定，同時對分頁后的標定數據刷寫功能做了優化。該方法通過單片機本身的地址切換機制實現，支持在臺架和實車的環境下進行標定工作，對于大量數據的標定無須增加外擴RAM，節省了控制器的開發成本。

標定模塊工作的系統環境如圖1所示，上位機工具通過ECU描述文件來獲得ECU內部變量的地址、長度、數據類型等信息，再通過CAN總線與ECU控制器進行命令和數據傳輸，從而實現對控制器變量測量和在線標定等功能[1]。

圖1 標定模塊的系統環境

1 XCP協議介紹

在車用電子控制器開發的過程中，除了控制算法本身復雜度逐步提高以外，某些控制器對數據融合、功能安全的要求也越來越高，需要觀測的變量數大幅增加。與此同時，電子控制器的開發對于觀測數據的采集速度也提出了更高的要求，而XCP協議的通用性使得它具備針對其他通信速率更快的總線的可移植性，比如FlexRay、以太網等[2]。因此，基于該協議的研究和軟件實現不僅可以滿足當前ECU的產品開發需求，對于未來高速標定技術的應用也有著重要意義。

XCP協議是目前標定軟件中常用的規范，它最早是由自動化和測量系統標準化協會(ASAM)提出的。為了兼顧標定的速度和標定軟件的可重用性，XCP協議被設計成協議層和傳輸層完全獨立開，XCP中的X就代表該協議所支持的總線。這使得XCP成為一種更為通用的標定和測量協議，因為它的實現可以獨立于具體的物理層傳輸。根據XCP協議層規范，協議中所有通信的數據包都叫作XCP傳輸包，在標定的過程中，主從節點所發送和接收的傳輸包分為兩種：命令傳輸包(Command Transfer Object，CTO)和同步數據包(Data Transfer Object，DTO)[3]。XCP的報文格式(如圖2所示)由報文頭、數據包和XCP報文尾三部分組成，這種結構適用于不同網絡上的數據傳輸，保證消息傳遞不受物理層的影響。

圖2 XCP傳輸包格式

2 標定軟件設計與實現

2.1 標定模塊軟件架構

采用32位單片機MPC564A80作為控制器硬件平臺，該型號芯片有192 kB RAM資源和4 MB Flash資源，其中預留64 kB RAM作為在線標定使用、128 kB ROM作為標定數據的存儲區域。為了提高標定模塊程序的復用性，整個系統軟件的實現主要由應用程序層、XCP協議實現層、CAN傳輸層和底層模塊驅動幾部分組成。APP層實現應用的控制策略，XCP協議實現層包括初始化任務、數據采集周期任務、錯誤處理、XCP標準協議棧實現、通信服務子程序實現和用于分頁標定的頁切換模塊。由于傳輸層和協議層的分離，使得XCP協議可以應用于不同的總線，所以將協議棧與通信層相關的接口提取出來，方便在其他芯片上進行移植。從平臺化的角度考慮，底層FLASH驅動和CAN驅動的實現均采用標準的AUTOSAR接口，增加了標定組件這部分代碼的可重用性，為將來標定軟件應用在其他控制器提供了方便。

2.2 在線分頁標定

為了在可靠性、經濟性等方面提高控制器的性能，開發人員需要在臺架和實車環境中實時地調整和修正ECU內部的控制變量。在軟件設計上，這些變量被存放在Flash上的固定區域內，程序運行時，將這部分數據的內容拷貝到相應的RAM區域，再利用芯片的MMU(內存管理單元)模塊將這些需要實時修改的控制變量進行地址切換，從而實現了動態修改標定量的功能。對ECU系統的標定分在線標定和離線標定[4]。文中提出的軟件實現方式支持在線和離線兩種標定模式，開發人員可以在上位機工具上預先修改后標定數據，這些數值和地址信息保存在標定工具內，重新建立連接后，可以將標定數據更新到ECU的鏡像區域內，或者將保存好的二進制數據文件下載到Flash區域。

利用64 kB的RAM區域來標定128 kB的數據，首先定義兩個標定ROM區域，對標定數據分別進行定位，定位的方法如下：

#pragma ghs section rodata = ".Cal_Flash_Rom1"

const volatile uint8 cal_download = 1;

#pragma ghs section rodata = default

#pragma ghs section rodata= ".Cal_Flash_Rom2"

const volatile uint8 cal_download2 = 0;

#pragma ghs section rodata = default

每個分頁標定ROM區大小為64 kB，通過對MMU的操作進行標定區地址的映射[5]。文中利用MMU來實現標定區的分頁功能。MPC5644擁有16個TLB(Translation Lookaside Buffer)地址入口，支持從1 kB到4 GB的地址空間映射。通過對MMU編程來實現從虛擬地址(Virtual Address)向物理地址(Real Address)的轉化，MMU虛擬地址到物理地址的映射過程如圖3所示。TLB的作用是保存虛擬頁和物理頁之間的對應關系，當標定軟件做頁切換操作時，實際上是芯片MMU模塊更新了TLB的記錄，包括地址信息、分頁區大小等信息，使得單片機內存中虛擬地址和實際地址的映射關系發生了改變。

同一時刻，只有一個分頁ROM區可以映射到標定RAM區,所以分布在不同分頁區的標定量不允許被同時標定，分頁標定的切換機制如圖4所示。調和有限的MCU內部RAM資源和逐步增加的系統標定數據之間的矛盾，用一塊RAM完成兩塊以上ROM數據的標定，節省MCU外擴RAM的投入。文中沒有依賴XCP命令包中的相關頁切換命令來實現，而是根據所選芯片的特點，將標定頁切換的具體切換過程融合到XCP的標準命令包中，將頁切換開關做成一個標定量，通過修改標定開關來切換不同的標定區域。操作過程與單頁標定的操作過程一致，方便程序開發人員使用，同時進一步提高了XCP模塊的可移植性和對上位機工具的兼容性。

圖3 虛擬地址與物理地址映射關系

圖4 標定分頁區域對應關系

2.3 數據觀測和下載

對于數據采集功能，此軟件支持靜態DAQ采集和動態DAQ采集兩種方式[6]，能夠在不同周期任務中實現數據傳輸。對于標定數據下載，該模塊除了支持標準的XCP協議外，還具備掉電下載功能，即通過下載數據開關實現當前標定RAM內數據的刷寫，兩種數據刷寫方式如圖5所示。

第一種方式通過上位機工具和ECU交互，基于PROGRAM_START、SET_MTA、PROGRAM_CLEAR、PROGRAM、PROGRAM_NEXT等XCP協議命令進行數據下載，需要將標定RAM區域的數據保存到上位機，再進行下載。第二種方式通過標定量開關，標定軟件將當前的標定RAM區數據下載到對應的分頁ROM區域中，下載過程沒有數據交互，也不需要將標定數據保存到上位機，簡化了操作步驟，同時節省了數據下載時間。

圖5 標定數據刷寫

3 結論

通過上述研究，提出的ECU端標定軟件實現方案具備了數據測量、分頁標定等功能，達到了設計目的，實際使用的效果滿足預期的要求。除實現了標準的XCP-On-CAN協議外，還具備以下特點：

占用芯片資源少。采用分頁技術，將128 kB的標定數據映射到64 kB RAM區域，通過分頁機制實現了對全部數據進行在線修改，節省了單片機RAM資源。

通用性強。該標定軟件采用國際通用的XCP協議實現了數據測量、在線標定和數據下載等功能。軟件架構層次清晰，可在不同芯片平臺上進行移植。標定分頁功能通過一個標定量作為切換開關，不依賴上位機工具的選取。

可靠性高。對整個標定系統在實驗室、臺架和實車環境下進行測試，并且已在某汽車公司開發的電控系統中得到應用。

【1】邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社，2004:51-90.

【2】SCHUERMANS R,ZAISER R,HEPPERLE F,et al.XCP-Part2:Protocol Layer Specification-1.0[M].Association for Standardization of Automation and Measuring Systems,2003.

【3】SCHUERMANS R,ZAISER R,HEPPERLE F,et al.XCP-Part3:Transport Layer Specification XCP on CAN-1.0[M].Association for Standardization of Automation and Measuring Systems,2003.

【4】熊婉儀，吳宏志，朱元.基于CAN總線的XCP標定協議研究[J].信息通信,2015(9):19-20. XIONG W Y,WU H Z,ZHU Y.Research of Based on CAN Bus XCP Calibration Protocol[J].Information & Communications,2015(9):19-20.

【5】程春桃.XCP協議在電控柴油機標定系統中的應用研究[D].西安:長安大學,2011.

【6】肖亞迪，肖兵.基于XCP協議的ECU標定系統開發[J].計算機測量與控制,2015,23(2):600-603. XIAO Y D,XIAO B.Development of ECU Calibration System Based on XCP Protocol[J].Computer Measurement & Control,2015,23(2):600-603.

Research and Implementation of Paging Calibration Software Technology on Automotive Electronic Controller

LI Yan, ZHANG Xiaoqian, SUN Zhonggang, LIU Chao

(Research & Development Center, FAW Group Corporation,Changchun Jilin 130011,China)

In recent years, values required debugging and optimization in development phase for automotive electronic controller are increased more and more. Since the control algorithm and calibrated data are required to take up a lot of storage space, not only calibration software should have the data measuring, on-line calibration, data download and other basic functions, but also RAM resources of the controller should be considered. The paging calibration software was designed on the MPC5644 platform, which had good universality and reliability. The calibration area was switched through the memory management unit. So RAM resources shortage problem when a large number of data were needed to calibrate was solved, at the same time, the data download function was optimized. The calibration software has been applied to a product ECU of some company, and good results have be achieved.

Electronic controller; Paging calibration; XCP protocol

2016-08-29

李巖(1986—)，男，工程師，從事嵌入式軟件開發工作。E-mail：liyan6@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.006

U463.6

B

1674-1986(2017)02-025-03