CN101369352A - 一种燃料电池城市客车的数据支持系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池城市客车的数据支持系统，适用于大量数据的采集与分析，属于燃料电池汽车技术领域。该系统包括含TPU模块的单片机、CAN网络、电平转换芯片、SD卡、实时时钟五个部分；含TPU模块的单片机的CAN接口同CAN网络连接；含TPU模块的单片机的TPUA端口同实时时钟相连；含TPU模块的单片机的TPUB端口同电平转换芯片连接，电平转换芯片同SD卡相连。所述单片机为飞思卡尔公司的MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx系列车用单片机。本发明既不影响燃料电池主控制任务，又无需设计额外的控制单元和数据传递；记录数据量大，记录时间跨度长，在导出数据之前，已存储数据不会被覆盖；兼容性较强。
Description
技术领域
一种燃料电池城市客车的数据支持系统，涉及数据记录与分析领域，尤其适用于大量数据的采集与分析，属于燃料电池汽车技术领域。
背景技术
目前，对于燃料电池尤其是车用大功率燃料电池的特性，正处在研究探索阶段，仍需要通过大量的实验数据来分析燃料电池的特性。虽然燃料电池台架试验可以得到燃料电池的运行数据，但是车上的环境和实验室的环境有很大的差异，燃料电池在恶劣的车用环境中表现出来的特性是实验室所无法观察到的。此外，实验室无法模拟实车运行的瞬态复杂工况，以及实车运行时遇到的一些特殊情况。
在燃料电池城市客车的试运行过程中，由于各种原因会出现故障。记录故障发生时的数据对于分析故障原因、找到解决方案是很有意义的。综上所述，对于燃料电池控制系统来说，建立相关的数据记录系统是十分必要的。
传统的车用数据记录系统一般用于记录交通事故发生前一段时间(如15分钟内)汽车的一些运行参数，其作用类似于飞机上的“黑匣子”。这种数据记录系统记录数据的目的是进行事故分析。因此，记录的变量仅为关系到汽车行驶安全的几个关键参数；相应的，其记录时间范围也仅限于事故发生前一段时间，记录数据会覆盖已记录内容。针对于燃料电池客车，其数据支持系统的意义在于分析燃料电池在不同条件下的表现以及整车的运行状况，需要记录的数据为所有运行数据，并且涉及的时间跨度很长(一个月以上)，记录数据不能覆盖已记录内容。因此，传统的车用数据记录系统很难满足该要求。
在处理器的选择方面，传统的车用数据记录系统分为两种方案：直接在控制单元的处理器上进行数据记录功能的开发，或者使用额外的处理器。但是，对于燃料电池客车数据支持系统来说，以上两种方案都存在着一定的缺陷。对于前一种方案，由于燃料电池控制器的任务较多，并且各任务对实时性的要求较高，加入数据支持系统后会占用控制器CPU的资源，从而影响主控制任务的实时性。然而，燃料电池客车数据支持系统需要记录的数据量较大，如采用单独处理器，则需要采用外部总线、双口RAM、模拟量采集等方式来获取存储数据，设计较为复杂，会大幅增加成本。
燃料电池控制器的数字核心采用freescale公司的MPC5xx系列单片机，该系列单片机为了适应复杂的发动机喷油控制，设计了独特的TPU模块。TPU是Timer Processor Unit的缩写，即时间处理单元，设计最初的目的是为了进行柴油机喷油器控制等简单的工作，是一个嵌入单片机内部的小型微处理器。在该模块的结构中，包括独立的运算单元、程序空间、内存区域、定时器、中断系统、端口等，可独立于CPU完成一些简单的任务。
TPU模块的程序由微码编写，微码经过编译器编译后，集成在主程序工程文件中并由下载线烧写到单片机的flash里。单片机复位完成后，在初始化任务中将TPU程序下载到TPU模块的程序内存，即DPTRAM中。在此后的正常运行过程中，CPU总线同DPTRAM断开，TPU模块通过TPU内部总线从DPTRAM中取指令，并在TPU模块内部的运算单元中执行，TPU拥有独立的RAM区和寄存器进行临时变量的存放。因此，在正常运行过程中，TPU和CPU是相互独立的处理器，TPU的运行不占用CPU资源，从而不会影响主控制任务的实时性。在数字核心的正常运行过程中，TPU与CPU之间通过Host Interface进行连接，CPU可以通过修改HSR寄存器的值来触发TPU运行，TPU可以通过产生CPU中断的方式来与CPU进行交互。此外，CPU和TPU可以通过一段公共的内存单元(Parameter RAM)交换数据。
经过十几年的发展，TPU模块在功能上有了很大的提高，所能执行的任务也从原有的喷油扩展到发动机控制的各个方面。目前应用于燃料电池控制器的MPC5xx单片机拥有两个功能强大的TPU3模块——TPUA和TPUB。两个模块共用8K的程序存储空间，每个TPU模块拥有16路输入/输出通道，以及256字节的Parameter RAM、2个定时器，并可触发16路中断，能够独立完成较为复杂的任务。
目前，一种小型存储卡——SD卡广泛用于各种存储场合，SD卡的全称是Secure DigitalCard，即安全数码卡，是由日本松下公司，东芝公司和美国SANDISK公司共同开发研制的，具有大容量，高性能，尤其是安全等多种特点的多功能存储卡。现多用于MP3，数码摄像机，电子图书，微型电脑，AV器材等。随着SD卡技术的发展，出现了SD，SD体积只有指甲盖大小，但可以存储最多4G的容量，广泛应用于各种电子领域。随着近年来存储卡技术的发展，SD卡的成本也在不断降低，一片2G容量的SD市场售价只有几十元。
产品化的ECU大多数需要提供绝对时间参照用以标识该ECU的寿命，实现该功能的常用方案为增加时钟芯片。如今市场上的时钟芯片正向着高度集成化方向发展，逐渐将电池、晶振集成到芯片内部。随着电池技术的发展及芯片功耗的降低，集成了电池的时钟芯片寿命也越来越长，可以达到数年之久。
发明内容
本发明的目的在于针对目前燃料电池对数据记录的需要，提供一种以燃料电池主控制器TPU模块为控制单元的车用数据支持系统，用于对燃料电池大量运行数据的记录和分析。
本系统在硬件上包括：单片机(包括TPU模块)、CAN网络、电平转换芯片、SD卡、实时时钟五个部分。
所述单片机为飞思卡尔公司的车用单片机，可以是MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx系列，此类单片机均拥有TPU模块。TPU模块是嵌入在单片机内部的一个小型处理单元，拥有独立的运算单元、内存空间、端口资源、定时器以及独立的代码空间，可以运行简单的程序。TPU模块在运行过程中，独立于CPU模块，不占用CPU的资源。同时，TPU和CPU之间有一段公共的内存区域Parameter RAM，可以进行数据的交流。TPU模块一般用于控制与时间相关的简单任务，如柴油机的喷油等，在本发明中用于产生SPI时序及并口时序。MPC5xx系列单片机拥有两个独立的TPU模块，即TPUA和TPUB。在本例中，单片机的主控制单元CPU用于对控制对象(如发动机、整车等)的控制，而其TPU模块用于数据支持系统的操作。
所述CAN网络为燃料电池ECU同燃料电池内部节点控制器以及整车控制器通讯的接口。通过CAN网络，ECU可以接收到所有与燃料电池客车运行相关的数据。
所述电平转换芯片为任一能在3.3V和5V之间切换的芯片(常用的有SN74LVC2T45等)，根据单片机和SD卡通讯SPI协议的要求，共需要四路转换通道。
所述SD卡为任一兼容SD协议和接口的存储卡，可以是目前市场上任意一种Micro-SD、Mini-SD以及TD卡、CF卡。该部分主要用于数据的存储，选择的存储卡容量越大，记录周期越长。
所述实时时钟为任一具有时间记录功能的时钟芯片，作用为帮助控制单元获取当前的绝对时间。TPU通过并行接口对时钟数据进行读取，为了保证在控制单元断电后时钟的持续更新，该部分应使用内置电池的芯片或者嵌入纽扣电池对芯片进行供电。
各部分的关系如下：单片机的CAN接口同CAN网络连接；单片机的TPUA端口同实时时钟相连；单片机的TPUB端口同电平转换芯片连接，电平转换芯片同SD卡相连。该系统结构框图如图1所示。
该系统的工作过程如下：单片机从CAN网络获取数据，通过Parameter RAM将数据传输给TPUB模块，TPUB模块通过电平转换芯片，按照SPI时序将数据写入SD卡。同时，单片机的TPUA模块通过并口时序从实时时钟读取当前时间，通过Parameter RAM将时间传输给CPU。在整个过程中实现对当前时间的获取和运行数据的存储。
在软件方面，该系统包括底层驱动软件和上层分析软件。底层驱动软件为TPU模块驱动程序，用微码编写，用于读取时钟和写SD卡，写SD卡部分程序流程图如图2所示。上层分析软件用MATLAB的GUI模块实现，该软件可以实现从SD卡读取数据、将数据按照一定的格式解析并导出文件、分析作图等一系列工作。该软件可以自动读取配置文件获取数据解析协议，当由于控制程序发生改变导致存储数据格式发生变化时，只需改动配置文件即可。
本发明使用燃料电池控制器数字核心MPC5xx的TPU模块作为主控制器，可在既不影响主控制任务实时性又不增加额外控制器的前提下进行数据的存储和时间的获取。本系统存储数据为整车运行全部数据，存储时间范围为客车运行的全过程，采用SD卡实现大规模的数据存储。为了在客车运行过程中获取绝对时间，采用集成了电池(可使用5年)和晶振的时钟芯片DS12CR887进行时间的读取。同时，针对于SD卡中记录数据，利用MATLAB平台设计了专门的数据导出和分析软件。
本数据支持系统嵌入在燃料电池控制器内部，利用数字核心的TPU模块作为系统处理单元，采用SD卡作为数据存储器，并通过时钟芯片读取绝对时间。和传统的数据支持记录系统相比，本发明拥有以下几点优势：
1利用主控制器的TPU模块作为处理单元，可以做到既不影响燃料电池主控制任务，又无需设计额外的控制单元和数据传递；
2记录数据量大，记录时间跨度长，在导出数据之前，已存储数据不会被覆盖；
3该系统无需在原有控制器基础上进行大幅改动，增加的芯片体积小，便于嵌入式设计；
4配套的数据处理软件可以对数据进行各种分析、整理，采用读取配置文件获取变量存储信息的方法兼容性较强。
附图说明
图1是数据支持系统控制结构图。
图2是数据支持系统流程图。
具体实施方式
数据支持系统包括两个模块，即时间日历模块和数据存储模块。如图1为该系统控制结构图，利用数字核心MPC5xx两个TPU单元作为模块控制器。其中，TPUA控制数据存储模块，TPUB控制时间日历模块。
数据存储模块中，SD卡和TPU间的通讯协议为SPI协议，利用TPUA的四个端口模拟SPI协议进行通讯。由于数字核心为5V供电和信号系统，而SD卡为3.3V供电和信号系统，在二者之间需要增加电平转换芯片转换二者电平标准以保证正常通讯。同时，使用单独的电源芯片为SD卡提供3.3V供电系统。CPU将数据存入TPU和CPU都能访问的公共RAM区，即ParameterRAM中，TPU从中读取数据后发送至SD卡。CPU利用内部定时器中断，每秒进行一次数据传输，将数据拷贝至Parameter RAM中，并触发HSR，从而启动TPU模块向SD卡发送一帧数据。
TPU模块的Parameter RAM区总共只有256个字节，但是SD卡一次写入的最小单位为一个block，即512字节。为了将512个字节的变量从CPU连续地写入SD卡，本发明中设计了缓存协议。具体协议内容为：收到CPU触发信号后，TPU从RAM区的低地址开始写，每写完128个字节后产生TPU中断，通知CPU更新已写区域的数据。这样保证了TPU对SD卡写时序操作的连续性。
在时间日历模块中，时钟芯片DS12CR887与外界接口为8位地址/数据复用的并口总线。使用数字核心的TPUB模块作为时钟芯片的控制器，该模块的16个端口模拟并口时序对时钟芯片进行操作。为了节约电池电量，DS12CR887在出厂时没有开启计时功能。因此，在电路板调试阶段需要对时钟芯片的时间日期进行初始化，即写相应的寄存器，同时启动计时功能，之后时钟芯片处于运行状态。系统正常运行时，TPUB模块通过读取时间日期寄存器得到当前时间，并将时间日期存入Parameter RAM区，CPU随时可以通过读Parameter RAM区获取当前的时间日期等信息。
Claims (8)
1.一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，该系统包括含TPU模块的单片机、CAN网络、电平转换芯片、SD卡、实时时钟五个部分；
含TPU模块的单片机的CAN接口同CAN网络连接；含TPU模块的单片机的TPUA端口同实时时钟相连；含TPU模块的单片机的TPUB端口同电平转换芯片连接，电平转换芯片同SD卡相连。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述含TPU模块的单片机为飞思卡尔公司的MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx系列车用单片机任意之一种。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述CAN网络是燃料电池ECU同燃料电池内部节点控制器以及整车控制器通讯的接口。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述电平转换芯片为能在3.3V和5V之间切换的芯片，且需要四路转换通道。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述电平转换芯片为SN74LVC2T45。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述SD卡为兼容SD协议和接口的存储卡。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述SD卡为Micro-SD、Mini-SD、TD卡、CF卡任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池城市客车的数据支持系统，其特征在于，所述实时时钟为具有时间记录功能的时钟芯片，作用为帮助控制单元获取当前的绝对时间；所述时钟芯片使用内置电池的芯片或者嵌入纽扣电池对芯片进行供电。
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Cited By (3)
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| CN107615714A (zh) * | 2015-05-18 | 2018-01-19 | 国立大学法人名古屋大学 | 通信装置及通信限制程序 |
| CN108073474A (zh) * | 2016-11-18 | 2018-05-25 | 大陆汽车电子(芜湖)有限公司 | 适于汽车仪表的数据处理方法 |
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2008
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Open date: 20090218 |