基于控制器局域網絡總線的發動機電子控制單元硬件在環試驗臺的通信系統設計

韋超毅， 吳一雄， 黃大明， 姚正遠

(1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004； 2.南寧學院交通學院，南寧 530200)

硬件在環試驗傳承并拓展了純仿真試驗的優點，受益于實時處理器控制技術、傳感器技術、控制局域網技術(CAN)通信網絡技術的發展，硬件在環可以對發動機模型進行建模、模擬特定工況傳感器信號、搭建虛實結合的CAN通信網絡，通過信號轉換技術將虛擬模型與真實電子控制單元(ECU)和傳感器連接，在特定工況下實現真實ECU控制策略及CAN通信網絡開發，從而最大限度接近實車開發，減少建模難度，縮短工期。

自1994年dSPACE公司發布一套發動機實時仿真系統后，各大仿真公司紛紛展開硬件在環設備研究。1994年，文獻[1]提出使用數據采集電路板(DS2301)聯合DSP和CAN通信網絡對發動機ECU進行實時測試，結果表明該方法相比純仿真能更早發現信號傳輸隱患。文獻[2]提出了仿真ECU-CAN總線-真實ECU的CAN通信網絡驅動發動機仿真系統工作，不僅保證了系統實時性，更增加了系統真實性。文獻[3]提出在V模式開發基礎上，構建電子控制單元(ECU)硬件在環測試臺，并使用PXI設備搭建上位機與ECU的CAN通信網絡，最后開展ECU硬件在環發動機臺架測試。此外，還有大量研究促進了硬件在環通信網絡的開發：CAN車載網絡在環測試系統、CAN總線人機交互硬件在環試驗臺、dSPACE環境下CAN通信混合動力硬件在環試驗臺等[4-6]。但這些研究主要集中在仿真模型搭建及ECU測試上，CAN測試網絡大多通過購買現成板卡實現。硬件在環設備對于上位機與ECU的CAN通信報文信號定義及CAN通信協議的研究文獻很少。

綜上，中國硬件在環設備仿真技術經歷了從模型搭建到ECU開發的進程，目前主要集中于控制策略的開發和ECU驗證上，在NI PXI硬件在環試驗臺上采用J1939協議結合NI VeriStand 平臺開發CAN通信上層協議的研究極少，難點是如何構建通信高層協議并創建DBC文件使上位機與ECU通訊[7]。而一套發動機硬件在環設備在添加其他傳感器和設備后完全可以改裝成電池硬件在環設備，但這需要重新搭建CAN通信網絡。為此，擬通過應用NI VeriStand軟件和NI PXI平臺的CAN通信模塊基于J1939高層協議創建基于CAN總線通信的發動機ECU硬件在環通信系統，并截取CAN通信報文詳細解讀，為后期平臺擴展作有用的鋪墊。

1 發動機 ECU硬件在環試驗臺及其通信

硬件在環試驗臺由五部分構成，分別是人機交互界面(上位機)、實時處理器及板卡模塊(下位機)、ECU、模擬裝置、組合儀表，系統構架如圖1所示。

圖1 系統構架Fig.1 Platform architecture

上位機加載NI VeriStand平臺，負責運行發動機SIMULINK仿真模型[8]，完成人機交互界面搭建并分配下位機上板卡資源使上位機NI VeriStand平臺的發動機SIMULINK模型與ECU物理通道相連[9]。下位機實時處理器及板卡模塊是硬件在環平臺關鍵部分，用來精確模擬曲軸傳感器、氧傳感器、進氣溫度傳感器等發動機測試平臺中不存在的物理傳感器，從而模擬需要的物理信號。臺架通過數字IO采集傳感器信息并驅動模擬傳感器工作，可以通過CAN總線實現ECU與上位機數據交互。

ECU上運行發動機電控系統控制算法，讀取板卡采集和模擬的信號計算后得到控制信號。人機交互界面可實現硬件配置、對發動機模型在線操控、發動機模型參數實時監控、數據記錄與分析等功能。

選取NI生產的PXI高性能實時處理器板卡資源完成硬件在環平臺組建。上位機選用NI PXIe-1071機箱，搭載PXIe-8135 2.3 GHz雙核PXI嵌入式控制器。下位機選用PXI-1075機箱，搭載PXIe-8115 2.5 GHz雙核嵌入式處理器，可連接以太網端口，包含外設IO口以及高速USB端口可用于數據采集以及模塊化儀器控制。PXI-6713板卡具備模擬信號輸出功能且能同步更新多通道信號，可用來模擬發動機產生加速踏板等信號。PXI-6229板卡具備32條單端模擬輸入通道，48個雙向數字通道，用于數據采集(DAQ)。PXI-7842R板卡載有FPGA芯片，可用于高性能板載處理，最大時鐘頻率為40 MHz，具有96個定時模塊，用于模擬PWM信號模擬曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號。PXI-8513板卡帶有CAN控制器和收發器模塊，可使用軟件編程結合NI-XNET驅動構建應用程序。試驗根據發動機運行所需要信號數量以及板卡性能，對通道分配做了詳細定義。具體通道分配如表1所示。

表1 通道分配Table 1 Channel allocation

2 試驗臺 CAN通信網絡設計

2.1 CAN網絡協議

制定CAN總線通信協議能夠為發動機電控測試臺提供一個開放互連系統，極大簡化現場布線并提供一個標準化互連通信平臺。Bosch公司制定并發布了CAN技術規范(Version2.0)[10]，分為CAN2.0A和CAN2.0B兩個版本。CAN總線依據四種不同的通信幀進行應答和傳輸數據，包括數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。其中數據幀由七個部分構成，包括幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、ACK場和幀結束[11]，數據場可以長度為零，圖2為標準格式和擴展格式的構成。標準幀格式的仲裁場由兩部分構成，分別是11標識符以及1位遠程請求位RTR，從ID28～ID18；擴展幀格式的仲裁場由四部分構成，分別是29位標識符、1位SRR位、1位IDE位及1位RTR位，標識符從ID28至ID0[12]。報文傳輸順序由報文優先級編碼決定，優先級編碼數值越小優先級就更高，贏得仲裁的高優先級報文先行傳輸。如報文上出現多個傳輸請求，此時嚴格遵循報文優先級法則仲裁出高優先級報文先行傳輸。仲裁后的報文從控制器單元導入濾波寄存器后，使用屏蔽寄存器過濾掉其他標識符不一致的幀，留下標識符相符的報文。

圖2 標準幀和擴展幀的數據幀構成Fig.2 Data frame composition of standardframe and extended frame

CAN2.0A/B規范只是對開放系統互聯(OSI)結構的數據鏈路層和物理層做了詳細規定，上層協議部分沒有定義。對比圖如圖3所示。因此依據發動機硬件在環試驗臺信號交互需求制定了一個CAN網絡應用層協議。

圖3 CAN總線與OSI模型基本分層對比Fig.3 Basic layering comparison chart betweenCAN bus and OSI model

ECU發送給組合儀表的協議制定過程參考了J1939-71協議(車輛應用層)[13]。J1939以CAN2.0B為依據，給擴展幀29位標識作了新的描述，其余協議內容不更改[14]。包括優先級P、預留位R、數據頁DP、協議數據單元PF、擴展單元PS、源地址SA和數據字節[7]。這七部分通過協議數據單元PDU封裝成數據幀發送給其他設備。PGN(parameter group number)是J1939的核心部分，作為數據幀獨一無二的參數組編號，決定著報文傳輸的方向，由PF場、PS場這兩部分構成[15]。PDU具體構成如圖4所示。

圖4 PDU具體構成Fig.4 PDU specific composition

CAN協議規定了數據幀的SOF、SRR、IDE、RTR、控制域部分、CRC域和EOF域這幾部分，SAEJ1939不能修改，因此沒有在PDU中對這幾部分作規定。J1939有兩種格式PDU，分別是PDU1和PDU2，PF域數值為0～239則為PDU1格式，若PF數值為240～255則為PDU2格式[7]。PDU1格式用于發送給指定節點的信息，PS域決定目的地址；PDU2格式不指定節點，可以廣播給總線上所有節點，PS域此時作為擴展地址。

CAN總線網絡選用ECU的CAN2通道作為CAN總線，傳輸波特率為250 kbit/s。設定ECU源地址SA為0xD2，所以凡是ECU發出來的報文，報文ID最后一個字節就是0xD2[16]。如EngVecSpeed報文，ID為0x18FE6CD2，其中0x18表示優先級為110，R為0，DP為0，由于PF>240,0x18FE6C表示PGN，其他報文制定以此類推。根據試驗臺通信網絡需求，依據CAN2.0B協議和J1939協議設計應用層協議，PXI-8513與ECU通信采用標準幀，ECU與組合儀表通信采用擴展幀。部分總線報文定義及特性如表2所示。

同時也對信號的格式、字節順序、分辨率、數據長度、取值范圍、單位等信息做了詳細定義，部分信息如圖5所示。

表2 總線報文定義及特性Table 2 Bus message definition and characteristics

圖5 報文部分信息Fig.5 Partial message information

2.2 CAN總線網絡上數據交互

發動機試驗臺上各個節點數據使用CAN總線進行報文傳輸。上位機通過以太網將數據發送至實時處理器模塊，PXI-8513 CAN板卡接收后將數據發送至CAN總線，ECU獲取從CAN總線接收數據實現發動機算法處理，同時利用CAN總線把數據傳輸給組合儀表。其中Kvaser CAN接口節點是一個USB-CAN模塊，用來讀取CAN總線報文顯示在PC機上實現數據監測、報文解析、故障診斷。各個節點交互關系如圖6所示。

圖6 節點交互關系Fig.6 Node interaction relationship

2.3 CAN總線硬件接口設計

2.3.1 ECU CAN總線接口設計

發動機試驗臺ECU主芯片選用Freescale MPC565，定位為汽車電子控制處理器。集成了3個TouCan控制器模塊，符合CAN2.0標準。ECU的CAN收發器使用的是PCA82C250，采用斜率控制，具備高達1 M的傳送波特率，能有效減少射頻干擾。ECU集成了一對CAN數據交互端口，通過PCA82C250芯片把MPC565內部CAN通道與外部CAN總線連接在一起。MPC565的A_CNTX0，A_CNRX0引腳和B_CNTX0，B_CNRX0引腳是兩組接收和發送端。A_CANL，A_CANH和B_CANL，B_CANH分別掛載到總線上，其原理圖如圖7所示。

圖7 CAN總線驅動原理圖Fig.7 CAN bus driver schematic

2.3.2 PXI-8513總線接口設計

PXI-8513是一款軟件可選的容錯控制局域網(CAN)接口，可使用NI-XNET驅動并開發上位機程序。能夠掛載多個節點同步通信，精確傳輸總線上大量交互的報文。其物理層的CAN收發器選用NXP TJA1041，兼容ISO11898協議，具備延時保護性能，有優良靜電保護功能，支持波特率范圍為40 kbit/s～1 Mbit/s。由于通信在CAN總線上雙向流動，因此CAN要求有終端電阻，按照ISO11898要求使用120 Ω的電阻，防止信號發生反射[11]。

3 系統測試

發動機ECU硬件在環系統如圖8所示。

圖8 發動機ECU硬件在環系統Fig.8 Engine ECU hardware in-loop system

使用可編程電源供電后ECU及下位機通電工作，火花塞此時點火，噴油器信號燈閃爍。

圖9 部分報文數據Fig.9 Partial message data

3.1 報文數據讀取與解析

試驗臺啟動后,運行PC機上的Kvaser Canking程序讀取CAN2通道報文數據。根據J1939標準數據鏈路層中的定義對接收到的報文1個幀ID和數據分析。其中ID=0x18FE6CD2=0001,1000,1111,1110,0110,1100,1101,0010；29位ID前3位不用，優先級3位：110；數據幀位(DP)：0；保留位(R)：0；協議數據單元(PF)：FE；擴展單元(PS)：6C；源地址(SA)：D2。除去優先級(P)3位和源地址(SA)可得PGN=0000,1111,1110,0110,1100=0xFE6C(H)=65132(D)，為EngVecSpeed報文信息。解析總線上報文具體物理值需借助轉換公式，總線上物理參數的計算公式為[12]：

物理參數=比例系數×總線數值+偏移量

(1)

如讀取EngVecSpeed報文ID=0x18FE6CD2的數據域為00000000401F0021。按照所制定的協議，Byte4和Byte5字節作為發動機轉速數據，數據采用intle排列方式，比例系數為0.125，偏移量為0，單位為r/min。則Byte4為低字節，Byte5為高字節。第4字節4為高4位，0為低4位，第5字節1為高4位，F為低4位。那么解析時就為：1F40，0x1F40轉換成十進制是8 000，參照式(1)，則總線轉速物理值為0.125×8 000+0=1 000 r/min。

根據編寫的發動機CAN通信協議，通過Vector CANoe軟件制定了報文解析DBC文件，在PC機上運行Kvaser Canking加載DBC文件通過CAN-USB接頭實時讀取通信報文。接收到部分報文數據如圖9所示。

此時發動機轉速的報文解析值是1 000 r/min，與公式解析結果一致，這表明所設計的DBC文件準確效性。同時，解析值與上位機設定值和組合儀表實際顯示值一致，且無明顯延遲。組合儀表實際數據如圖10所示。

這說明所設計CAN通信網絡準確有效，能夠使上位機運行發動機模型跟下位機及ECU正常通訊，實現發動機硬件在環CAN網絡數據交互，同時可以實現對報文監控，一旦設備出現參數故障，可以直接分析報文數據從而加快診斷和開發進度。

3.2 發動機轉速保持定值試驗驗證及噴油脈寬圖

3.2.1 發動機轉速保持定值試驗

試驗選用發動機低高兩個代表性的轉速：n1=1 000 r/min，n2=3 000 r/min[17]。設定節氣門不同開度條件下，在硬件在環試驗臺進行進氣歧管壓力測試。將LJ465Q發動機的節氣門開度，發動機轉速與進氣歧管壓力的實測數據[18]與硬件在環仿真數據對比，Measured value表示發動機實測值，SIMULINK value表示硬件在環仿真值，采用三次樣條插值處理數據后得到對比圖如圖11所示。

圖10 組合儀表實際數據Fig.10 Combination dashboard actual data

圖11 實測數據與仿真數據對比Fig.11 Comparison of measured data and simulation data

由實驗數據和曲線圖可以看出，當加大節氣門的開度時，轉速隨之上升，進氣歧管壓力的仿真曲線慢慢接近實測值曲線，這表明仿真模型精度隨著轉速提升而提升。說明被控對象模型在所設計的硬件在環CAN通信網絡中能準確通信，能夠為試驗提供可靠的進氣歧管壓力。

3.2.2 噴油脈寬

圖12 噴油脈寬脈譜圖Fig.12 Fuel injection pulse width spectrum

在硬件在環系統中測試了不同節氣門開度下的進氣歧管壓力和噴油脈寬，設定空燃比為14.7，處理實驗數據后得相應噴油脈寬脈譜圖如圖12所示。

噴油脈寬數據表明所構建的硬件在環系統能夠在人機交互界面實時監測到進氣歧管壓力、扭矩、發動機轉速、冷卻液溫度、進氣溫度和氧傳感器反饋的空燃比等信息，很好地實現預期功能。

4 結論

在原有發動機硬件在環系統中提出基于CAN總線的通信網絡，應用 NI VeriStand軟件和 NI PXI平臺的 CAN通信板卡，依據 J1939高層協議搭建采用 CAN總線通信的發動機 ECU硬件在環通信系統。試驗引入Kvaser Canking報文監控軟件實現報文監控，加速CAN總線網絡開發進程并降低CAN總線開發成本。結果表明，設計的CAN網絡能滿足發動機ECU硬件在環試驗臺的通信需求，擴展了硬件在環通信網絡，使試驗開發環境更接近真實ECU開發過程。