針對多種傳輸層和應用的協(xié)議

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)中加入了越來越多的安全舒適性電控功能。雖然ECU的數(shù)量得到了控制，但是這就意味著要增加單個設備的復雜度來補償功能的增長。XCP通信協(xié)議為這些分布式系統(tǒng)開發(fā)過程的合理化做出了重要的貢獻，其主要任務包括實時地測量和標定ECU內(nèi)部變量。該協(xié)議繼承了CCP，它的一個巨大優(yōu)勢就是與物理傳輸層無關。

在當前，汽車控制模塊中的變量數(shù)目超過1萬的情況已經(jīng)不足為奇了！在車輛的控制中有眾多的動態(tài)過程需要控制，而ECU標定的主要任務就是優(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(jié)時可能產(chǎn)生不計其數(shù)的變化版本（圖1）。因此，就需要尋找到一個在穩(wěn)定性、速度和動態(tài)特性方面足夠好的結(jié)合點。這些可以通過實時讀取和更改變量來實現(xiàn)（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標定的時間和成本，工程師和技術(shù)員通常會依賴可以靈活讀寫變量和內(nèi)存的強大的工具和標準。為此，在90年代出現(xiàn)了CAN標定協(xié)議（CCP），當時CAN總線是汽車中唯一的主流總線。CCP后來被指定為一種交叉OEM標準。然而，隨著汽車電子的持續(xù)發(fā)展，其它總線系統(tǒng)諸如FlexRay、LIN、MOST等也開始成為主流。但是，CCP僅限于CAN網(wǎng)絡應用，所以在其它潛在領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(xiàn)。

通用的標準協(xié)議

與CCP一樣，“通用測量與標定協(xié)議”（XCP）也是源于自動化和測量系統(tǒng)標準化協(xié)會（ASAM），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通過雙層協(xié)議將協(xié)議和傳輸層完全獨立開，它采用的是單主/多從結(jié)構(gòu)。根據(jù)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從設備同時通信。這些XCP從設備包括：

·ECU或ECU原型

·測量和標定硬件，如調(diào)試接口或內(nèi)存仿真器

·快速控制原型硬件

·HIL/SIL系統(tǒng)

為了滿足作為針對大量不同應用的通用的通信解決方案的挑戰(zhàn)，ASAM工作組強調(diào)了下列XCP設計準則：最小的資源使用（包括ECU中的RAM、ROM和必需的運行時資源），高效的通信，輕松實現(xiàn)XCP Slave，需要較少配置工作的即插即用性能，較少的參數(shù)，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現(xiàn)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)絡類型而工作。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的一個特別的技術(shù)特征是動態(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態(tài)分配到當前的應用數(shù)據(jù)通信中。這樣XCP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。

正在為將來考慮的其它方案包括XCP-on-LIN；如果有充足的客戶需求，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單。

一主多從概念

測量和標定系統(tǒng)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集成在其中的XCP驅(qū)動程序來實現(xiàn)的。對于每個從設備都有一個ECU描述文件；這些文件規(guī)定的信息包括：（符號）變量名及其地址范圍分配，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸對象” （DTO）來區(qū)分（主從通信）。XCP主設備可以在總線上向ECU通過CTO發(fā)送命令。ECU會在執(zhí)行完請求的服務后以同樣的途徑進行應答。CTO會提供：CMD（命令）， RES （響應）， ERR （錯誤）， EV （事件） 和 SERV （服務請求處理機）。數(shù)據(jù)傳輸對象DAQ（數(shù)據(jù)采集）和STIM（激勵）用于以事件驅(qū)動方式從內(nèi)存中讀取測量變量或者向XCP從設備的內(nèi)存中寫入變量值。

圖4：XCP主設備和XCP從設備之間的通信

從汽車總線到標準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總線系統(tǒng)，比如CAN、LIN、 FlexRay、MOST 或 K-Line等，通常會為PC機安裝一個或多個硬件接口。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增加額外的硬件接口成本。帶調(diào)試接口（JTAG，TRACE等）的測量和標定系統(tǒng)以及內(nèi)存仿真器都可以通過這種方式實現(xiàn)。原則上，標準PC接口非常適合于連接存在于不同總線系統(tǒng)間的網(wǎng)關，比如FlexRay-on-Ethernet就可以很好地實現(xiàn)此功能。最后，在很多開發(fā)和測試計劃中會使用到傳統(tǒng)模擬和數(shù)字I/O通道，這些通道尤其會涉及時間-關鍵測量。

使用XCP的一個顯著優(yōu)勢就在于這樣一個單一標準協(xié)議滿足了所有這些應用需求。如果沒有XCP，就需要為每個通信通道定義一個專用的驅(qū)

動，然而在同時使用多種驅(qū)動時需要考慮性能損失，此外還會增加出現(xiàn)不受歡迎的相互影響的風險和不穩(wěn)定性。

通用、可擴展并節(jié)約資源

一個，并且是同一個XCP驅(qū)動代碼可以應用于所有的通信過程。它可以用于從低端控制器和接口發(fā)送僅僅幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，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高速的網(wǎng)絡（比如以太網(wǎng)）使用32位處理器發(fā)送兆字節(jié)量級的數(shù)據(jù)。XCP驅(qū)動是由強制功能和可選功能組成的，驅(qū)動的大小可以根據(jù)可用的ROM/Flash的大小進行調(diào)整。在ECU中，通過是否具有高數(shù)據(jù)吞吐量或低處理器負載和RAM尺寸來表征資源用量。

對于總線負載，主要考慮傳輸信號的數(shù)目相比總線帶寬?？傊?，XCP驅(qū)動容易實現(xiàn)，而且僅需要很少的幾個變量。

事件驅(qū)動的周期性數(shù)據(jù)采集

ECU在離散的時間間隔上運行?？梢詫⑦@樣的一個時間間隔長度固定（比如10ms），或者定義其依賴于某種事件（比如發(fā)動機轉(zhuǎn)一圈）。在固定時間間隔的情況下，時間片的結(jié)束是以定時器的溢出來標記的。從廣義上講，這種定時器溢出也是一個事件。ECU的任務是在一個特定的時間片內(nèi)完成所有的計算和控制任務。為了從XCP從設備中獲取相關的數(shù)據(jù)信息，使用了XCP協(xié)議中的DAQ機制。在該機制中，在測量開始前XCP主設備會先通知XCP從設備：特定的事件發(fā)生時需要測量哪些信號。如果現(xiàn)在事件發(fā)生了（如10ms定時器溢出），XCP從設備就從內(nèi)存中讀取這些先前定義的數(shù)據(jù)，并且將他們拷貝到受保護的RAM區(qū)，然后通過消息的方式發(fā)送給XCP主設備。這保證了數(shù)據(jù)值來自同一事件循環(huán)并且是相關的。

XCP主設備接收帶有時戳的數(shù)據(jù)并且將其保存在相應的測量文件中。時戳要么通過XCP從設備作為數(shù)據(jù)發(fā)送，要么分配到消息中通過硬件接口（比如CANcardXL）發(fā)送。在測量文件中，所有數(shù)據(jù)參考XCP主設備的時間基準進行同步，然后被進一步處理，例如在一個統(tǒng)一的時間軸上對測量數(shù)據(jù)進行可視化顯示（圖5）。這就允許在一張圖中一致地顯示不同XCP從設備的多個數(shù)據(jù)通道。

圖5 在同一個時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，XCP還支持所謂的冷啟動測量和用于循環(huán)數(shù)據(jù)采集的任務的內(nèi)部ECU時戳。在冷啟動測量中，可以配置ECU讓它在被激活后就立即周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，而XCP主設備不需要明確地初始化該功能。如果使用了內(nèi)部ECU時戳，該時戳就不是在測量和標定系統(tǒng)中與后期評估相關的數(shù)據(jù)接收時間了，而是在XCP從設備中數(shù)據(jù)被創(chuàng)建的時刻。這樣就消除了由于傳輸延遲而引起的不確定性（比如在總線帶寬不足或者高負載情況下都會產(chǎn)生）。

優(yōu)化特性曲線和特性圖

除了基于數(shù)學模型的控制算法，ECU還要使用由離散插值點組成的特性曲線和特性圖。為了達到預期的系統(tǒng)行為，通常通過試驗方法（比如臺架試驗）建立和優(yōu)化這些特性值表。A2L文件是用來描述測量變量和標定參數(shù)的。描述的選項覆蓋了從簡單標量參數(shù)到復雜數(shù)值表的范圍。其中，描述內(nèi)容包含了數(shù)據(jù)類型、原始值和物理值間的轉(zhuǎn)換規(guī)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及類似的高性能標定工具可以在屏幕上通過圖形圖表或數(shù)值表格的方式清晰地顯示特性曲線和map圖。

使用CANape和XCP進行快速原型

在ECU開發(fā)過程中，經(jīng)常會頻繁地將重要功能導出到外部仿真系統(tǒng)，這樣可以花最小的代價來計算這些功能。直到仿真模型中的算法達到一定的成熟度，開發(fā)者才會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到ECU中。然而，在此之前，可以使用一種被稱作“旁通”的技術(shù)（該技術(shù)耦合了真實ECU及其模型），通過旁通可以在開發(fā)初期不依賴硬件進行測試和優(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(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為輸入值發(fā)給模型并且使用STIM將模型返回的結(jié)果發(fā)送回ECU。值得注意的是，使用運行MCD工具CANape的普通PC機平臺就足以滿足旁通和建模的要求。這是個好消息，因為基于特殊實時硬件的解決方案可能會貴好多倍，而且在開發(fā)部門中這類設備也可能為數(shù)不多。CANape作為一個高度優(yōu)化的XCP主設備，可以同時處理與真實ECU的通信和與在PC上運行的模型之間的通信（圖6）。ECU參數(shù)和模型參數(shù)都可通過CANape和XCP進行標定。

通過XCP進行flash編程

XCP同樣為進行ECU編程的用戶提供了便利。ECU flash內(nèi)存中的數(shù)據(jù)只能使用特殊的預定的flash程序進行改寫，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，這樣會浪費內(nèi)存，其次會遇到交付車輛的安全問題。第二種方案，在需要重新編程的時候，僅使用PC工具通過XCP將flash內(nèi)核下載到微控制器的RAM中。除了包含用于擦除flash內(nèi)存和重寫數(shù)據(jù)的flash程序外，flash內(nèi)核也包含自己的總線和SCP驅(qū)動，它們用于通過總線接口與PC工具進行通信。

總結(jié)

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開發(fā)、標定和編程；也用于在原型開發(fā)中集成需要的測量設備、功能開發(fā)中的旁通以及在測試臺上進行的SIL和HIL過程。對于通過微控制器調(diào)試接口（例如NEXUS等）快速訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)，通信是在專用硬件上進行的，不會出現(xiàn)故障。該硬件完成NEXUS到XCP-on-Ethernet的通信轉(zhuǎn)換。這樣帶給用戶的好處是不依賴于專用解決方案的工具生產(chǎn)商，并且可以重用組件。

Vector Informatik公司為用戶提供了免費的驅(qū)動用于建立XCP從設備，該驅(qū)動可以從其公司的網(wǎng)頁上下載。從1996年就作為ECU標定工具出現(xiàn)的MCD工具CANape，一直以來都作為XCP主設備并按照最新的XCP標準進行不斷地升級，這也得益于Vector積極參與ASAM工作委員會。CANape是市場上第一個具有XCP-on-FlexRay接口的工具。在第一輛FlexRay量產(chǎn)車BMW X5的開發(fā)過程中，這成為讓BMW工程師決定在標定減震器控制系統(tǒng)時放心使用Vector的XCP協(xié)議棧和CANape的一個重要因素。

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