基于XCP協(xié)議的ECU標定工具研究與實現(xiàn)

劉通 張良 王祥 楊金新

摘要：國內(nèi)汽車電子領(lǐng)域研發(fā)工具國產(chǎn)化替代趨勢近年來變得愈來愈明顯。通過分析國內(nèi)外標定工具的發(fā)展現(xiàn)狀，基于標定工具的基本特點和功能需求，采用業(yè)界ASAM-MCD標準和XCP標定協(xié)議，使用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，設計并實現(xiàn)了一種基于XCP協(xié)議的ECU標定工具。該工具使用C#圖形化編程語言開發(fā)，實現(xiàn)了上位機進行系統(tǒng)配置、A2L參數(shù)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測以及參數(shù)標定的功能。首先驗證了上下位機之間的正常通信功能，其次導入相應數(shù)據(jù)文件驗證了A2L文件解析功能，最后選擇監(jiān)控量和標定量進行了參數(shù)監(jiān)控，并成功實現(xiàn)了不同類型變量標定的功能。試驗結(jié)果表明，所研發(fā)的標定工具能夠穩(wěn)定地運行，各項功能模塊均能夠滿足測量和標定的使用要求。

關(guān)鍵詞：ECU標定；測量與標定；CAN總線；XCP協(xié)議

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-04-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.027

1 前言

現(xiàn)代汽車發(fā)動機是汽車的核心部件，其性能的好壞對整車的動力性、經(jīng)濟性和排放性有著直接的影響。為了確保發(fā)動機性能的滿足要求，現(xiàn)代發(fā)動機通常采用電子控制單元（ECU）對電氣參數(shù)進行標定。通過修改控制系統(tǒng)的參數(shù)，我們可以實現(xiàn)發(fā)動機的精準控制和管理。

隨著電控系統(tǒng)數(shù)量的不斷增加，標定工作量也隨之急劇增加，導致標定成本大幅提高。因此，一款操作便捷、高效的標定工具對于標定來說至關(guān)重要。使用標定工具可以大幅降低標定成本，提高標定效率，從而實現(xiàn)更快速、更準確的電控系統(tǒng)標定。標定工具可以監(jiān)控發(fā)動機運行時參數(shù)的變化，包括電氣參數(shù)和機械參數(shù)等，了解發(fā)動機的實時狀況，為發(fā)動機的優(yōu)化控制提供精準的依據(jù)。使用標定工具，可以在線修改ECU內(nèi)的控制參數(shù)，對發(fā)動機的控制策略進行優(yōu)化，使其以最優(yōu)性能進行工作。通過這種方式，能夠大幅提高發(fā)動機的駕駛體驗，同時減少了排放和油耗，最大程度地提高了發(fā)動機的性能和可靠性。

在汽車電控領(lǐng)域，外國標定工具已有成熟的商業(yè)產(chǎn)品。這些標定工具可以使用不同的通信協(xié)議進行標定，如基于CAN總線的KWP2000或CCP或XCP協(xié)議、基于K線或FlexRay協(xié)議等，這使得它們具有多功能性、靈活性、可擴展性和易用性等特點。但是，它們大部分只支持特定的通信設備硬件，并且需要專門的培訓進行使用和維護，其中一些商業(yè)軟件集成了標定部分，價格較高，可能并不適合個人用戶或小型企業(yè)使用。

近年來，我國在發(fā)動機標定系統(tǒng)的研究方面主要集中在研究所和高校[1-6]。為了縮小與發(fā)達國家在汽車電控技術(shù)方面的差距，國家科技項目近年來不斷支持和推進國內(nèi)汽車電控技術(shù)的新發(fā)展，發(fā)動機標定系統(tǒng)作為一個重要的研究方向受到了越來越多的重視。國內(nèi)開始不斷出現(xiàn)商業(yè)化標定工具，它們通過消化吸收國外成熟產(chǎn)品的理念進行設計研發(fā)，并逐漸成為了汽車電控技術(shù)的重要組成部分。

總體而言，基于CAN總線的CCP協(xié)議是當前車載ECU標定技術(shù)所使用的主要標定協(xié)議。標定系統(tǒng)應著重關(guān)注其通用性和移植性，以提高標定和開發(fā)效率。研究和開發(fā)符合國際主流標準的標定工具可以提高汽車產(chǎn)品的競爭力，推動我國在汽車電子領(lǐng)域的創(chuàng)新和技術(shù)升級。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 ASAM標準

隨著電控系統(tǒng)數(shù)量的增加和復雜度的提高，標定工作量也會急劇增加，導致產(chǎn)品開發(fā)的時間成本和人力成本的大幅提高。因此，如何提高標定效率和準確性是當前電控系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域面臨的重要問題。為了解決這個問題，自動化及測量系統(tǒng)標準協(xié)會（Association for Standardization of Automation and Measuring system，ASAM）制定和推廣了MCD系統(tǒng)標準[7]。MCD標準的主要目標是自動化測量、標定和診斷系統(tǒng)，以提高效率并確保標定的一致性和精度。ASAM-MCD標準對ECU開發(fā)過程中的軟件接口、參數(shù)描述格式和通信協(xié)議進行標準化，為標定工具的開發(fā)提供了標準化的基礎。ASAM-MCD標準規(guī)定的測量與標定系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，ASAM MCD-1MC定義了ECU與應用系統(tǒng)之間的物理和邏輯接口標準，確保不同系統(tǒng)之間的兼容性; ASAM MCD-2MC定義了電子控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)描述文件的規(guī)范，即A2L文件格式，為標定工具提供了重要的參數(shù)描述信息；ASAM MCD-3MC定義了標定系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的接口規(guī)范，可用于遠程臺架自動化測試和標定。

2.2 標定協(xié)議

標定協(xié)議通過對ECU與PC標定工具的接口進行標準化，實現(xiàn)了測量、標定等服務的標準化。在標定協(xié)議中，CCP協(xié)議是最早根據(jù)標準定義的標定協(xié)議[8-10]。在CCP協(xié)議下，標定工具通過CAN總線與ECU進行通信，進行數(shù)據(jù)讀取、寫入及校準等操作，為標定工程師提供了一種快速高效地進行標定工作的途徑。XCP協(xié)議是在ASAM標準體系中的ASAP MCD-1MC標準中，由CCP2.1版本發(fā)展而來的標定協(xié)議。與CCP協(xié)議相比，XCP協(xié)議最大的特點在于可以同時支持多種傳輸層作為標定系統(tǒng)上位機和ECU之間的傳輸介質(zhì)。傳輸層可以是CAN、USB、SxI、FlexRay和Ethernet等多種不同的物理層[11-13]，這使得XCP協(xié)議極大地提高了標定過程的靈活性和可擴展性。

2.3 CAN驅(qū)動通信

在基于標定協(xié)議的測量與標定系統(tǒng)中，采用XCP數(shù)據(jù)包進行上位機與下位機之間的實際數(shù)據(jù)通信，XCP數(shù)據(jù)包可以通過CAN數(shù)據(jù)包進行傳輸。在整個測量與標定系統(tǒng)中，CAN驅(qū)動模塊是其基礎通信模塊之一，用于實現(xiàn)上位機與下位機之間數(shù)字信號的傳輸。PC端標定工具與ECU間的CAN接口進行通信，需要借助CANUSB轉(zhuǎn)接設備。本文選用CANUSB接口卡支持Win7/10等操作系統(tǒng)，可以基于二次開發(fā)函數(shù)庫編寫軟件，該設備接口庫以基于Windows系統(tǒng)的動態(tài)鏈接庫（DLL）的方式提供，可實現(xiàn)設備打開、配置、報文收發(fā)、關(guān)閉等功能，主要開發(fā)流程如圖2所示。

2.4 XCP協(xié)議棧

XCP協(xié)議作為實現(xiàn)測量與標定系統(tǒng)中標定協(xié)議的重要一環(huán)，可以完成XCP數(shù)據(jù)包的封裝和解析，實現(xiàn)在線修改ECU中控制參數(shù)和獲取運行數(shù)據(jù)，從而減少標定工程師的重復性工作。

XCP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為兩大類：運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制命令參數(shù)及配置參數(shù)。這些數(shù)據(jù)需要按照XCP協(xié)議規(guī)定的格式和協(xié)議進行封裝和傳輸。在XCP協(xié)議層中，CAN數(shù)據(jù)幀被用來傳輸XCP數(shù)據(jù)包，通過傳輸控制字符和數(shù)據(jù)控制字符的正確設置，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

XCP協(xié)議的相關(guān)命令主要分為邏輯連接與斷開、數(shù)據(jù)監(jiān)測和參數(shù)標定三大模塊。邏輯連接與斷開模塊主要用于建立和斷開上下位機之間的連接，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊即DAQ功能模塊，完成下位機數(shù)據(jù)的周期性上傳和監(jiān)測。參數(shù)標定模塊的主要功能是完成對下位機應用程序中重要控制參數(shù)的修改，在實際操作中，它還可以分為參數(shù)下載和在線編程兩個階段。

2.5 A2L解析

ASAM MCD-2MC標準是一種對ECU中參數(shù)信息及其邏輯關(guān)系進行規(guī)范化描述的標準[14]。在測量與標定過程中，工程師需要對ECU中的參數(shù)信息進行調(diào)整和修改。為了方便管理和使用這些參數(shù)信息，A2L文件被廣泛應用于測量與標定系統(tǒng)中。A2L文件是一份包含了ECU中所有參數(shù)及其相關(guān)邏輯關(guān)系的文本文件，采用規(guī)范化的方式描述參數(shù)信息，在A2L文件中，參數(shù)信息和邏輯關(guān)系都會被以關(guān)鍵字的形式進行描述，這樣就可以方便地解析和管理參數(shù)信息。A2L文件的解析模塊主要負責對規(guī)范化的A2L文件進行解析，生成參數(shù)列表，供工程師在測量與標定過程中使用，從而使工程師的工作更加高效和準確。圖3所示為文件組織結(jié)構(gòu)與模塊描述。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 標定工作流程

標定系統(tǒng)的整體工作流程如圖4所示。首先由PC標定工具對標定過程中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、供油時間、噴油壓力、點火時間等參數(shù)進行采集，然后送至ECU進行計算，再由ECU把計算結(jié)果以控制信號的形式發(fā)送至 CAN總線網(wǎng)絡上，由CAN總線把計算結(jié)果發(fā)送給PC標定工具，對傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行實時采集和存儲。通過PC標定工具對標定過程中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制，可以通過總線將故障信息實時反饋給操作人員，以便操作人員及時了解發(fā)動機運行情況，并根據(jù)故障信息調(diào)整標定參數(shù)。

3.2 標定系統(tǒng)架構(gòu)設計

標定系統(tǒng)的設計需考慮到系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和易用性等方面。標定系統(tǒng)需將PC端上位機、ECU端下位機、通信轉(zhuǎn)換設備CANUSB和A2L數(shù)據(jù)庫文件等組成部分（圖5）進行合理地組合和管理，以便實現(xiàn)標定參數(shù)的讀取、修改和保存等功能。標定系統(tǒng)的設計原則是盡量保證各功能單元模塊化、層次化，降低各功能模塊間的耦合度，方便后續(xù)對軟件的升級和針對不同平臺進行移植。為實現(xiàn)這一目標，標定系統(tǒng)需采用統(tǒng)一的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，以實現(xiàn)標定工具和ECU之間的統(tǒng)一管理和控制，使標定系統(tǒng)更加易用、可靠和有效。

在具體實現(xiàn)時，標定系統(tǒng)的各個功能單元需要采用模塊化和層次化的設計，以便實現(xiàn)各個單元之間的信息共享和功能拓展。對于不同的應用場景和不同的平臺，標定系統(tǒng)的設計也應該具備一定的靈活性和可移植性。通過采用通用的接口和協(xié)議，方便地移植到不同的硬件設備上，實現(xiàn)對不同的標定工具和ECU類型的支持，從而滿足不同用戶的需求。

3.3 標定工具功能實現(xiàn)

標定工具一般運行在PC機上，能夠通過上下位機之間的通信介質(zhì)與發(fā)動機ECU實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，它主要實現(xiàn)的模塊及功能如圖6所示。

a.用戶界面功能模塊。主要包括系統(tǒng)配置、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)標定和其他輔助功能。這些功能模塊為用戶提供了一個集成化的平臺，實現(xiàn)ECU和PC機之間的數(shù)據(jù)信息交互。

該模塊所包含的具體功能如下：

①系統(tǒng)配置。標定工具可配置的內(nèi)容包括系統(tǒng)參數(shù)、總線參數(shù)、通信參數(shù)設置、硬件信息以及其他系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)等。在標定工作過程中，可通過標定工具對系統(tǒng)參數(shù)進行配置，以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理和調(diào)節(jié)。所有可配置的內(nèi)容都可以被讀取、保存并重新載入使用，以實現(xiàn)系統(tǒng)的運行靈活性。

②參數(shù)管理。標定系統(tǒng)通過解析A2L文件獲取所需標定的參數(shù)信息，此解析過程需要標定系統(tǒng)具備高度的規(guī)范化。只有系統(tǒng)解析A2L文件的過程準確無誤，才能保證ECU參數(shù)標定的準確性和可靠性。

③數(shù)據(jù)采集。標定工程師需通過對ECU運行過程中的各種信號進行采集和分析，來實現(xiàn)精準的控制策略和參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)。因此，具備實時采集ECU信號的系統(tǒng)和上位機軟件交互界面成為了標定工作必不可少的重要組成部分。這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時采集ECU運行的各種信號，并在上位機軟件的交互界面上予以同步顯示。這樣的設計方便標定工程師對比ECU控制策略中涉及的各個參數(shù)的具體數(shù)值和控制效果之間的關(guān)系。此外系統(tǒng)中需提供多種不同的形式來顯示這些參數(shù)，如數(shù)值窗口、曲線窗口、三維圖窗口等，不同的顯示形式能夠滿足不同標定工程師的需求，以便在實時控制策略調(diào)整時更加方便地進行參數(shù)分析。

④數(shù)據(jù)存儲。該系統(tǒng)需動態(tài)記錄測量監(jiān)測數(shù)據(jù)并保存記錄，保存修改完成的標定數(shù)據(jù)，同時具備導入導出功能，實現(xiàn)文件存儲和能夠從磁盤文件中加載讀取數(shù)據(jù)至當前試驗窗口中，提供可靠的數(shù)據(jù)源和高效的數(shù)據(jù)管理工具。

⑤參數(shù)標定。在線修改處于連接狀態(tài)的ECU特定控制參數(shù)，能夠方便地進行參數(shù)優(yōu)化和性能調(diào)整，而不必刷寫整個ECU控制程序。這種方法最大的優(yōu)點之一是可以在不中斷ECU連接的情況下進行參數(shù)優(yōu)化。因此，標定工程師可以直接對比控制參數(shù)修改前后系統(tǒng)各項性能指標所受到的影響，并快速優(yōu)化參數(shù)。這種方法可以在線修改處于連接狀態(tài)的ECU特定控制參數(shù)，同時避免對整個ECU控制程序的刷寫。它能方便工程師對比修改前后的系統(tǒng)性能指標影響，進行參數(shù)快速優(yōu)化。

b.通信及標定協(xié)議模塊。包括XCP協(xié)議棧和CAN通信驅(qū)動模塊。XCP協(xié)議棧負責完成將人機交互界面數(shù)據(jù)封裝并生成XCP數(shù)據(jù)包，同時按照具體傳輸層要求生成XCP數(shù)據(jù)包。CAN通信驅(qū)動模塊進一步封裝符合CAN傳輸層格式的XCP數(shù)據(jù)包，并生成對應的CAN數(shù)據(jù)幀。最后，利用CANUSB通信轉(zhuǎn)換裝置將標定命令或數(shù)據(jù)從上位機傳輸?shù)紺AN總線上。通過這種方式，可以實現(xiàn)與ECU的通信，以便標定工程師進行參數(shù)優(yōu)化和性能調(diào)整。

4 功能驗證

4.1 上下位機通信

首先需驗證CAN驅(qū)動程序的正確性，以確保ECU能夠通過CAN總線與上位機的標定工具進行通信。在通信過程中，需要對ECU反饋的報文進行分析，以驗證返回的數(shù)據(jù)域內(nèi)容是否符合XCP協(xié)議棧的報文格式。本文使用致遠電子提供的配套總線分析軟件ZCANPRO監(jiān)測CAN通信狀態(tài)。通過手動編寫包含命令碼和數(shù)據(jù)包，封裝到CAN數(shù)據(jù)幀中發(fā)送到ECU。在接收到ECU反饋的CAN報文后，分析其是否符合規(guī)定的XCP報文ID。分別進行了CONNECT、GET_STATUS以及DISCONNECT命令的測試，測試的結(jié)果如圖7所示。試驗表明，ECU反饋的報文ID為0XFF開頭，符合XCP協(xié)議規(guī)定要求。

4.2 參數(shù)管理

對上位機功能進行驗證時，首先需要驗證A2L文件解析功能的正確性，確保上位機標定工具能正確解析A2L文件，生成對應的標定量和監(jiān)控量解析列表。首先，在上位機標定工具界面點擊數(shù)據(jù)庫，在文件選擇窗口中添加A2L文件，確定后解析A2L文件，將其中的參數(shù)和預先的標定量取出并存儲到數(shù)據(jù)庫中。對于標定量還需要能按照VALUE、CURVE和MAP等不同類別進行篩選，方便根據(jù)數(shù)據(jù)類型找到所需要的參數(shù)，解析測試參數(shù)列表如圖8所示。試驗結(jié)果表明，標定工具可以正常進行不同類型變量解析。

4.3 數(shù)據(jù)采集和參數(shù)標定

在標定工具圖形用戶界面，選擇相應的監(jiān)控量后，點擊確定，該監(jiān)控量便可以在試驗窗口進行顯示，如圖9所示。建立上位機和下位機成功通信后，標定工具便可以發(fā)送封裝SET_MTA命令的數(shù)據(jù)包，指定選擇的監(jiān)控量在ECU中存放的地址，在獲取ECU反饋后，再繼續(xù)發(fā)送封裝了UPLOAD命令的數(shù)據(jù)包，從而獲取ECU內(nèi)部對應地址上的數(shù)值。為了滿足實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能，需要采用DAQ通信模式，選擇監(jiān)控參數(shù)，配置DAQ列表，設置DAQ列表的定時上傳周期，實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測。采用DAQ通信模式后的CAN報文交換過程如圖10所示，試驗表明，本文設計的標定工具中的數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊能準確完成對選定參數(shù)的讀取和上傳功能。

測試人員在標定工具界面選擇需要標定的參數(shù)作為標定對象，顯示界面如圖11所示。標定主要進行獲取標定頁、設置數(shù)據(jù)操作地址和下載數(shù)據(jù)操作，該過程CAN報文交換如圖12所示。試驗結(jié)果表明，該程序能夠?qū)崿F(xiàn)對ECU控制參數(shù)進行在線修改，并改變控制對象的工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)控制參數(shù)的標定匹配，可以結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測窗口反饋的數(shù)據(jù)進行分析和調(diào)整。

5 結(jié)語

本文研究了國內(nèi)外標定工具的發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)了標定工具的基本特點和功能需求。本文采用ASAM-MCD標準和XCP標定協(xié)議，并利用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，設計并實現(xiàn)了一種基于CAN總線和XCP協(xié)議的ECU標定系統(tǒng)，其中PC端標定工具使用C#語言進行圖形化界面開發(fā)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測與參數(shù)標定模塊、XCP協(xié)議棧模塊、CAN通信模塊和A2L文件解析模塊，并且可以通過界面進行參數(shù)設置、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)標定等多項功能。本文最后對該標定工具進行了測試驗證，驗證了上位機與ECU間的正常通信、數(shù)據(jù)監(jiān)控、不同類型變量標定的功能。實驗結(jié)果表明，該標定工具可以穩(wěn)定可靠地運行，滿足日常測量與標定工作的使用要求。

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作者簡介：

劉通，男，1995年生，碩士，研究方向為汽車網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)。