針對(duì)多種傳輸層和應(yīng)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(gè)設(shè)備的復(fù)雜度來補(bǔ)償功能的增長(zhǎng)。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(xiàn)，其主要任務(wù)包括實(shí)時(shí)地測(cè)量和標(biāo)定ECU內(nèi)部變量。該協(xié)議繼承了CCP，它的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)就是與物理傳輸層無關(guān)。

在當(dāng)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(dòng)態(tài)過程需要控制，而ECU標(biāo)定的主要任務(wù)就是優(yōu)化這些控制算法。例如針對(duì)PID控制器，標(biāo)定其比例、積分和微分環(huán)節(jié)時(shí)可能產(chǎn)生不計(jì)其數(shù)的變化版本（圖1）。因此，就需要尋找到一個(gè)在穩(wěn)定性、速度和動(dòng)態(tài)特性方面足夠好的結(jié)合點(diǎn)。這些可以通過實(shí)時(shí)讀取和更改變量來實(shí)現(xiàn)（圖2）。

圖1 PID控制算法優(yōu)化

圖2 使用圖形化標(biāo)定和診斷工具CANape優(yōu)化PID控制器

為了控制ECU標(biāo)定的時(shí)間和成本，工程師和技術(shù)員通常會(huì)依賴可以靈活讀寫變量和內(nèi)存的強(qiáng)大的工具和標(biāo)準(zhǔn)。為此，在90年代出現(xiàn)了CAN標(biāo)定協(xié)議（CCP），當(dāng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(luò)應(yīng)用，所以在其它潛在領(lǐng)域的應(yīng)用局限日益增加。這樣就導(dǎo)致了其后繼協(xié)議XCP的出現(xiàn)。

通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

與CCP一樣，“通用測(cè)量與標(biāo)定協(xié)議”（XCP）也是源于自動(dòng)化和測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ASAM），它在2003年被定為標(biāo)準(zhǔn)。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(dú)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(shè)備可以和不同的XCP從設(shè)備同時(shí)通信。這些XCP從設(shè)備包括：

·ECU或ECU原型

·測(cè)量和標(biāo)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(duì)大量不同應(yīng)用的通用的通信解決方案的挑戰(zhàn)，ASAM工作組強(qiáng)調(diào)了下列XCP設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：最小的資源使用（包括ECU中的RAM、ROM和必需的運(yùn)行時(shí)資源），高效的通信，輕松實(shí)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(shí)現(xiàn)同樣的協(xié)議層。這是一種通用的測(cè)量和標(biāo)定協(xié)議，可以獨(dú)立于所使用的網(wǎng)絡(luò)類型而工作。目前，ASAM已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量、標(biāo)定和診斷工具（MCD工具），比如CANape，可以識(shí)別可用帶寬并能夠非常高效地將其動(dòng)態(tài)分配到當(dāng)前的應(yīng)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(jiǎn)單。

一主多從概念

測(cè)量和標(biāo)定系統(tǒng)承擔(dān)了XCP主設(shè)備的角色，ECU作為XCP從設(shè)備工作。主設(shè)備和從設(shè)備的通信是通過集成在其中的XCP驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)ECU描述文件；這些文件規(guī)定的信息包括：（符號(hào)）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(yàn)方法。XCP主設(shè)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(duì)象”（CTO）和“數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象” （DTO）來區(qū)分（主從通信）。XCP主設(shè)備可以在總線上向ECU通過CTO發(fā)送命令。ECU會(huì)在執(zhí)行完請(qǐng)求的服務(wù)后以同樣的途徑進(jìn)行應(yīng)答。CTO會(huì)提供：CMD（命令）， RES （響應(yīng)）， ERR （錯(cuò)誤）， EV （事件） 和 SERV （服務(wù)請(qǐng)求處理機(jī)）。數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象DAQ（數(shù)據(jù)采集）和STIM（激勵(lì)）用于以事件驅(qū)動(dòng)方式從內(nèi)存中讀取測(cè)量變量或者向XCP從設(shè)備的內(nèi)存中寫入變量值。

圖4：XCP主設(shè)備和XCP從設(shè)備之間的通信

從汽車總線到標(biāo)準(zhǔn)PC接口

PC平臺(tái)幾乎只用作測(cè)量和標(biāo)定的主設(shè)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(huì)為PC機(jī)安裝一個(gè)或多個(gè)硬件接口。此外，XCP主設(shè)備也可以利用標(biāo)準(zhǔn)PC接口，例如以太網(wǎng)、USB和RS232等。當(dāng)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(diào)試接口（JTAG，TRACE等）的測(cè)量和標(biāo)定系統(tǒng)以及內(nèi)存仿真器都可以通過這種方式實(shí)現(xiàn)。原則上，標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，比如FlexRay-on-Ethernet就可以很好地實(shí)現(xiàn)此功能。最后，在很多開發(fā)和測(cè)試計(jì)劃中會(huì)使用到傳統(tǒng)模擬和數(shù)字I/O通道，這些通道尤其會(huì)涉及時(shí)間-關(guān)鍵測(cè)量。

使用XCP的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就在于這樣一個(gè)單一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議滿足了所有這些應(yīng)用需求。如果沒有XCP，就需要為每個(gè)通信通道定義一個(gè)專用的驅(qū)

動(dòng)，然而在同時(shí)使用多種驅(qū)動(dòng)時(shí)需要考慮性能損失，此外還會(huì)增加出現(xiàn)不受歡迎的相互影響的風(fēng)險(xiǎn)和不穩(wěn)定性。

通用、可擴(kuò)展并節(jié)約資源

一個(gè)，并且是同一個(gè)XCP驅(qū)動(dòng)代碼可以應(yīng)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(gè)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(luò)（比如以太網(wǎng)）使用32位處理器發(fā)送兆字節(jié)量級(jí)的數(shù)據(jù)。XCP驅(qū)動(dòng)是由強(qiáng)制功能和可選功能組成的，驅(qū)動(dòng)的大小可以根據(jù)可用的ROM/Flash的大小進(jìn)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(fù)載和RAM尺寸來表征資源用量。

對(duì)于總線負(fù)載，主要考慮傳輸信號(hào)的數(shù)目相比總線帶寬。總之，XCP驅(qū)動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)，而且僅需要很少的幾個(gè)變量。

事件驅(qū)動(dòng)的周期性數(shù)據(jù)采集

ECU在離散的時(shí)間間隔上運(yùn)行。可以將這樣的一個(gè)時(shí)間間隔長(zhǎng)度固定（比如10ms），或者定義其依賴于某種事件（比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈）。在固定時(shí)間間隔的情況下，時(shí)間片的結(jié)束是以定時(shí)器的溢出來標(biāo)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(nèi)完成所有的計(jì)算和控制任務(wù)。為了從XCP從設(shè)備中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，使用了XCP協(xié)議中的DAQ機(jī)制。在該機(jī)制中，在測(cè)量開始前XCP主設(shè)備會(huì)先通知XCP從設(shè)備：特定的事件發(fā)生時(shí)需要測(cè)量哪些信號(hào)。如果現(xiàn)在事件發(fā)生了（如10ms定時(shí)器溢出），XCP從設(shè)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(hù)的RAM區(qū)，然后通過消息的方式發(fā)送給XCP主設(shè)備。這保證了數(shù)據(jù)值來自同一事件循環(huán)并且是相關(guān)的。

XCP主設(shè)備接收帶有時(shí)戳的數(shù)據(jù)并且將其保存在相應(yīng)的測(cè)量文件中。時(shí)戳要么通過XCP從設(shè)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(cè)量文件中，所有數(shù)據(jù)參考XCP主設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行同步，然后被進(jìn)一步處理，例如在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間軸上對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)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(shè)備的多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

圖5 在同一個(gè)時(shí)間軸上顯示不同信號(hào)源的各種信號(hào)

除了前面已經(jīng)提到的XCP相對(duì)于CCP的優(yōu)點(diǎn)，XCP還支持所謂的冷啟動(dòng)測(cè)量和用于循環(huán)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)的內(nèi)部ECU時(shí)戳。在冷啟動(dòng)測(cè)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(shè)備不需要明確地初始化該功能。如果使用了內(nèi)部ECU時(shí)戳，該時(shí)戳就不是在測(cè)量和標(biāo)定系統(tǒng)中與后期評(píng)估相關(guān)的數(shù)據(jù)接收時(shí)間了，而是在XCP從設(shè)備中數(shù)據(jù)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（比如在總線帶寬不足或者高負(fù)載情況下都會(huì)產(chǎn)生）。

優(yōu)化特性曲線和特性圖

除了基于數(shù)學(xué)模型的控制算法，ECU還要使用由離散插值點(diǎn)組成的特性曲線和特性圖。為了達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)行為，通常通過試驗(yàn)方法（比如臺(tái)架試驗(yàn)）建立和優(yōu)化這些特性值表。A2L文件是用來描述測(cè)量變量和標(biāo)定參數(shù)的。描述的選項(xiàng)覆蓋了從簡(jiǎn)單標(biāo)量參數(shù)到復(fù)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(chǔ)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(biāo)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(jìn)行快速原型

在ECU開發(fā)過程中，經(jīng)常會(huì)頻繁地將重要功能導(dǎo)出到外部仿真系統(tǒng)，這樣可以花最小的代價(jià)來計(jì)算這些功能。直到仿真模型中的算法達(dá)到一定的成熟度，開發(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(shí)ECU及其模型），通過旁通可以在開發(fā)初期不依賴硬件進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化工作。

在使用XCP的旁通技術(shù)中，XCP主設(shè)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(yùn)行MCD工具CANape的普通PC機(jī)平臺(tái)就足以滿足旁通和建模的要求。這是個(gè)好消息，因?yàn)榛谔厥鈱?shí)時(shí)硬件的解決方案可能會(huì)貴好多倍，而且在開發(fā)部門中這類設(shè)備也可能為數(shù)不多。CANape作為一個(gè)高度優(yōu)化的XCP主設(shè)備，可以同時(shí)處理與真實(shí)ECU的通信和與在PC上運(yùn)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(jìn)行標(biāo)定。

通過XCP進(jìn)行flash編程

XCP同樣為進(jìn)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(yù)定的flash程序進(jìn)行改寫，這些預(yù)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(chǔ)在flash中；首先，這樣會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存，其次會(huì)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(shí)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(dòng)，它們用于通過總線接口與PC工具進(jìn)行通信。

總結(jié)

XCP是一種標(biāo)準(zhǔn)而通用的有很多合理化潛力的應(yīng)用協(xié)議。它不僅用于ECU開發(fā)、標(biāo)定和編程；也用于在原型開發(fā)中集成需要的測(cè)量設(shè)備、功能開發(fā)中的旁通以及在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行的SIL和HIL過程。對(duì)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(jìn)行的，不會(huì)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(fèi)的驅(qū)動(dòng)用于建立XCP從設(shè)備，該驅(qū)動(dòng)可以從其公司的網(wǎng)頁上下載。從1996年就作為ECU標(biāo)定工具出現(xiàn)的MCD工具CANape，一直以來都作為XCP主設(shè)備并按照最新的XCP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷地升級(jí)，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BMW X5的開發(fā)過程中，這成為讓BMW工程師決定在標(biāo)定減震器控制系統(tǒng)時(shí)放心使用Vector的XCP協(xié)議棧和CANape的一個(gè)重要因素。

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