CN112413107B - 基于ecu的整车信号解析模拟系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于ECU的整车信号解析模拟系统，包括3个层次：硬件抽象层，服务层和应用层。硬件抽象层包括：时钟模块、定时器模块、IO模块、AD模块、CAN模块、SCI模块、PWM模块，只与单片机硬件相关的；服务层包括：接口模块，用于硬件抽象层与应用层的接口；应用层包括：输入采集模块、网关模块、CCP模块、信号模拟模块，用于具体的功能实现。本发明可提高软件开发效率，增强软件的可靠性和可移植性，采用模块化思想，结合嵌入式操作系统构架，对软件进行规范化开发。

Description

基于ECU的整车信号解析模拟系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种通信信号模拟的技术领域，特别涉及一种基于ECU的整车信号解析模拟系统及其工作方法。

背景技术

发动机开发主要存在两种开发方式，即正向开发和逆向开发。发动机正向开发的核心之一是产品数据的积累。通过积累行业大量先进发动机即标杆机的各种性能数据，掌握性能所处水平，为在研发动机性能目标的定义和分解提供参考。因此，获得标杆机准确的性能数据至关重要。

标杆机通常都是从整车上拆解得到的，然后通过发动机台架测试获得期望的各种性能数据。然而随着现代汽车技术的进步，发动机控制系统与整车其余相关系统通过信号交互逐渐成为一个整体，发动机运行工况不同程度地受到整车其余相关系统运行状态的影响。比如挂空挡时发动机的最高转速可能会受到限制，而当传动系统出现故障时发动机扭矩也可能会受到限制。为了让标杆机在性能台架上正常运转，进而测得准确的性能数据，首先，发动机与整车各系统之间的正常信号交互是必需的；其次，某些会对发动机性能有影响的信号也必须是合适的值。因此，整车信号解析及模拟技术研究就成为标杆机性能对标需要首先攻克的难题。并且随着汽车与发动机电控系统的复杂度越来越高，特别是混合动力车型发动机对标需求的出现，整车信号解析及模拟的难度也越来越高，因此，研究并建立一套行之有效的整车信号解析及模拟技术也越发重要。

综上所述，为建立发动机正向开发能力，需要开展大量先进发动机的测试评价和积累工作，而整车信号解析及模拟技术研究就是开展发动机正向开发能力建设需要完成的第一个任务。

为了解决先进发动机性能对标工作中的整车信号模拟问题，传统的方法是使用信号发生器等设备直接模拟相关传感器输出的原始信号，采用手动调整或者事先设定参数值等方式给出模拟信号值。而本专利研究的方法，其优点在于，基于CAN总线信号的解析结果，在获得期望信号的同时，采用网关的方式，将整车端对发动机运行有影响的关键信号修改后再转发给发动机电控单元，以保证发动机的正常运行。模拟信号基于CAN总线数据解析的结果，由整车模拟器按设计的策略自动计算并输出，与发动机实际运行工况相匹配，能够对发动机工况的变化做出及时的响应。可以灵活地控制各关键控制单元接收到的信号取值，避免整车系统因模拟信号的异常而报故障。

与传统的方法相比，本专利研究的方法，模拟信号不仅更准确，而且更易被整车系统认可，为电控系统越来越复杂的先进车型的对标工作提供了一套行之有效的方案，有效地提升了我们在先进发动机测试评价领域的市场竞争力。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于ECU的整车信号解析模拟系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于ECU的整车信号解析模拟系统，包括：

硬件抽象层：时钟模块、定时器模块、IO模块、AD模块、CAN模块、SCI模块、PWM模块，用于单片机稳定工作的模块；

服务层：接口模块，用于完成应用层数据与底层数据的交互；

应用层：输入采集模块，用于整车信号的采集工作；网关模块，用于CAN网络上具体信号的提取、直接转发、修改转发和屏蔽处理；CCP模块，用于模拟信号和驱动控制参数的在线调节，以及实时监控系统运行参数；信号模拟模块，用于车速或轮速信号模拟，电压信号精确模拟，直流电机驱动控制功能和调压阀驱动控制。

优选的，所述CCP模块包括：上位机及标定工具，命令接收对象CRO是主设备发给从设备的报文，数据传输对象DTO是从设备反馈的报文，下位机MCU用于命令处理和数据传输；

所述应用层集成了CCP driver，采用CANape工具作为测量控制系统，用于实现参数控制和测量；

所述CCP模块的执行包括两方面：一方面是MCU将DTO通过CAN driver的发送子函数以CAN报文的格式上传给测量控制系统；另一方面是测量控制系统发送的命令以CAN报文的格式进入CAN driver的接收子函数，由其判断为CRO后，再命令处理。

优选的，所述信号模拟模块包括：

所述车速或轮速信号模拟，通过发动机实际转速、当前挡位、各挡速比、主减速比和轮胎半径参数计算得到的，然后通过线性插值计算得到的理论车速值，测量得到的测量车速值与车速或者轮速信号频率的对应关系进行计算，得到模拟车速或者轮速信号频率；

所述电压信号精确模拟主要用于模拟电位计式的压力和位移传感器信号；

所述直流电机驱动控制主要用于节气门等执行器的驱动。

优选的，所述信号模拟模块包括：

信号模拟通过两个网关实现。将原车的两路CAN总线从发动机侧分别断开，并加入网关。每个网关有2路CAN模块，分别与断开的CAN总线相连，它的功能是将一路CAN上接收的数据直接从另一路转发出去，或根据一定策略修改相应的数值后从另一路CAN上转发出去。

优选的，所述信号模拟模块包括：

对于自动挡的变速箱AT，如果在台架试验时将档位挂到D档或M档，发动机运转一定时间后会出现变速箱过热故障。因此只能将档位挂到N档进行试验，而为了使发动机性能达到最大，需要通过CAN总线告诉发动机在M档，并根据发动机转速的不同模拟不同的档位。同时需要模拟变速箱输入轴和输出轴转速，以及车速信号。

优选的，所述信号模拟模块包括：

由于两路CAN总线的信号需要根据发动机转速同步，而只有PT-CAN上有发动机转速信息，为了让PT-CAN2总线上能获得实时的发动机转速信息，网关1和网关2之间需要通讯，根据硬件配置可通过串口SCI实现。网关的程序流程如图5所示。

根据之前信号解析的结果，需要修改的信号所在帧包括包含发动机转速的0xF3，0x1AC档位信息，0x39A档位和变矩器状态，0x3FD档位信息，包含变速箱输入轴及输出轴转速的0x1AF，0x1A1车速信息，0x254轮速信息等。

信号模拟在N档进行，当网关2识别到发动机转速大于900rpm，会将PT-CAN发动机侧的档位信号、变矩器锁止信号、车速和轮速信号修改为合理的值；若发动机转速小于800rpm，网关2直接转发报文，不做任何修改。

优选的，所述信号模拟模块包括：

同时网关2将实际发动机转速，由发动机转速决定的状态改变参数St_Val，以及档位通过SCI发送给网关1，若状态改变参数St_Val为0x55，则网关1修改PT-CAN2发动机侧的发动机转速、档位、变矩器锁止状态、通过发动机转速和档位确定的输入轴和输出轴转速为对应的值；若状态改变参数St_Val为0，则网关1直接转发报文，不做任何修改。

本发明还公开一种基于ECU的整车信号解析模拟工作方法，包括如下步骤：网关模块执行如下：

S1，网关模块开始运行；

S2，CAN模块底层初始化；

S3，若总线上有关键的数据帧，状态改变参数St_Val置为0；

S4，进入中断函数，接收总线数据；

S5，判断发动机转速是否大于所设置的数值N，若大于则状态改变参数St_Val置为0x55，若小于或等于则执行S10；

S6，判断状态改变参数St_Val是否等于0x55，若相等执行S7，若不等则执行S10；

S7，确定当前档位，再根据档位、转速和速比确定车速；

S8，修改总线上ECU接收到的档位信息、车速信息、变速箱输入输出转轴转速信息；

S9，屏蔽ECU发送出的发动机转速信息；

S10，从网关相应的CAN模块将数据发送出去，执行S4。

优选的，还包括：

CAN总线校验信号解析，所述CAN总线校验信号解析包括：从0逐步加1直到N的周期循环的校验算法解析；将报文的字节按照加减异或计算校验值的校验算法解析；CRC8校验算法解析；

所述CRC8算法解析具体步骤如下：

S-A，CRC8算法解析流程开始；

S-B，*ptr为指向需要计算的校验值的数组tset[]，用于确定多项式值和异或值的计算；

S-C，对多项式值poly_v置0；

S-D，对异或值xor_v置0；

S-E，调整函数CRC8_Cal(*ptr,poly_v，xor_v)计算相应的CRC值check_sum；

S-F，判断check_sum是否与目标值相等，若相等，则记录poly_v和xor_v的值，并将解析成功标志flag_succ置1，若不相等执行S-G；

S-G，xor_v的值为xor_v值加一；

S-H，判断xor_v是否小于256，若小于，则执行S-E；若不小于，执行S-I；

S-I，poly_v的值为poly_v的值加一；

S-J，判断poly_v是否小于256，若小于，则执行S-D，否则执行S-K；

S-K，将解析成功标志flag_succ置0；

S-L，结束；

该函数的原型声明如下：CRC8_Cal(unsigned char*ptr,unsigned char poly_v，unsigned char xor_v)；

其中，*ptr：指向需要计算校验值的数组，poly_v：多项式的值为0-255，xor_v：异或值为0-255。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：模拟信号能及时响应发动机实际运行工况变化，而且更易被整车系统认可，为电控系统越来越复杂的先进车型的对标工作提供了一套行之有效的方案。

本发明能够模拟发动机正常运行的所需信号，如车速和变速箱的信号，能让发动机从整车上拆解下来后，在测试台架上正常运转，从而完成发动机对标工作。

采用该方法，先后完成了多项对标车型的信号解析及模拟工作，有效地促进了先进发动机对标工作的开展。项目开展过程中积极与企业合作，新增效益1000多万元，并为客户创造新增产值约1亿多元，取得了明显的经济效益，提升了企业产品竞争力，得到了企业广泛的认可。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是软件总体架构设计图；

图2是网关控制软件执行流程图；

图3是CCP协议传输方式图；

图4是宝马MINI的网关结构示意图；

图5是宝马MINI的网关程序流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示：为了提高软件开发效率，增强软件的可靠性和可移植性，采用模块化思想，结合嵌入式操作系统构架，对软件进行规范化开发。整个软件系统分为3个层次，如图1所示，依次为硬件抽象层，服务层和应用层。

硬件抽象层是只与单片机硬件相关的，主要是指单片机的底层驱动软件。根据系统开发需求，针对芯片MC9S12XEP100开发的底层驱动程序主要包括时钟模块、定时器模块、IO模块、AD模块、CAN通信模块、DA模块、PWM模块等。

服务层是硬件抽象层与应用层的接口，主要是完成应用层数据与底层数据的交互，使应用层和底层完全独立。例如，底层的CAN接收程序从总线上获取数据后，由服务层程序将数据传递到应用层网关模块进行处理。

应用层是指具体的功能实现，主要包括输入采集模块、网关模块、CCP模块、信号模拟模块。

1.信号模拟模块

信号模拟模块主要包括车速或轮速信号模拟功能，电压信号精确模拟功能，直流电机驱动控制功能和调压阀驱动控制功能。

车速或者轮速信号模拟通常是基于发动机实际转速、当前挡位、各挡速比、主减速比和轮胎半径等参数通过理论计算得到车速值，然后基于通过测量得到的车速值与车速或者轮速信号频率的对应关系，通过线性插值的方式得到模拟车速或者轮速信号频率，由PWM功能控制输出。发动机实际转速由CAN总线信号解析得到，当前挡位则由试验人员通过上位机界面手动控制给出。

电压信号精确模拟功能主要用于模拟电位计式的压力和位移传感器信号，比如加速踏板信号。基于DA输出驱动，模拟信号数值可以通过上位机手动修改，也可以由MCU自动计算。

直流电机驱动控制功能主要用于节气门等执行器的驱动。在开展发动机倒拖试验时，通常需要独立控制节气门全开，此时就需要用到该功能。调压阀驱动控制功能主要用于机油压力调节阀等电磁阀的驱动控制。在开展发动机分解摩擦试验时需要用到该功能，试验人员通过上位机软件手动调节机油压力调节阀的开度以调节实际机油压力。

2.网关模块

网关模块的功能就是处理CAN总线上的信号，具体而言就是实现对CAN网络上具体信号的提取、直接转发、修改转发和屏蔽等处理。目的是保证发动机的运行状态不会因为CAN总线上的信号而出现限速限扭等异常情况。

网关模块的执行流程如图2所示。首先是基于ECU的整车信号解析模拟系统对CAN模块底层的初始化即对两路CAN通道进行初始化，确定波特率、接收发送的方式等。然后，若总线上有数据帧，则状态改变参数设置为St_Val＝0。网关控制软件会进入中断函数进行数据接收和信号提取。而对于大多数的数据帧，都是直接通过另一路CAN通道直接转发到另一侧的网络上；对发动机的运行有影响的数据帧，则会在满足设定的条件时，重新计算后再转发出去。虚线内的程序始终在中断函数中运行。进入中断函数，接收总线数据；然后判断发动机转速是否大于所设置的数值N，若大于则状态改变参数设置为St_Val＝0x55；若小于等于则从网关相应的CAN模块将数据发送出去。然后判断状态改变参数St_Val是否等于0x55，若不等则从网关相应的CAN模块将数据发送出去；若相等则进入下一步，确定当前档位，再根据档位、转速和速比确定车速。然后，修改总线上ECU接收到的档位信息、车速信息、变速箱输入输出转轴转速信息等；再屏蔽ECU发送出的发动机转速等信息；中断函数最后一步，从网关相应的CAN模块将数据发送出去。

3.CCP模块

CCP模块主要功能是实现测试人员对模拟信号和驱动控制参数的在线调节，并为实时监控系统运行参数提供了一种手段。CCP协议只占用两帧CAN报文，分别是命令接收对象CRO和数据传输对象DTO，如图3所示。CRO由主设备发给从设备，DTO是从设备反馈的报文，两者分别通过一个自己的ID标识符进行标识。

为了实现参数控制和测量功能，应用层软件集成了CCP driver，并采用Vector公司的CANape工具做为测量控制系统。软件执行分为两个方面，一方面是MCU将DTO通过CANdriver的发送子函数以CAN报文的格式上传给测量控制系统；另一方面是测量控制系统发送的命令以CAN报文的格式首先进入CAN driver的接收子函数，由其判断为CRO后，进一步交给命令处理环节处理。基于CCP协议的通信控制软件的实现使信号模拟变得更加灵活、方便，使信号模拟算法得以简化。

对于网关模块的具体实施例如下：当进行发动机台架试验时，基于之前解析的相关信号，并根据发动机的控制策略对信号进行模拟，使发动机正常工作。

DME：发动机控制器，EGS：变速箱控制器，DSC：动态稳定控制系统，ZGM：中央网关，KOMBI：仪表板；FlexRay：车载网络标准，整车有两路动力CAN，PT-CAN和PT-CAN2。

如图4所示，信号模拟通过两个网关实现。将原车的两路CAN总线从发动机侧分别断开，并加入网关。每个网关有2路CAN模块，分别与断开的CAN总线相连，它的功能是将一路CAN上接收的数据直接从另一路转发出去，或根据一定策略修改相应的数值后从另一路CAN上转发出去。

对于自动挡的变速箱AT，如果在台架试验时将档位挂到D档或M档，发动机运转一定时间后会出现变速箱过热故障。因此只能将档位挂到N档进行试验，而为了使发动机性能达到最大，需要通过CAN总线告诉发动机在M档，并根据发动机转速的不同模拟不同的档位。同时需要模拟变速箱输入轴和输出轴转速，以及车速信号。

由于两路CAN总线的信号需要根据发动机转速同步，而只有PT-CAN上有发动机转速信息，为了让PT-CAN2总线上能获得实时的发动机转速信息，网关1和网关2之间需要通讯，根据硬件配置可通过串口SCI实现。网关的程序流程如图5所示。

根据之前信号解析的结果，需要修改的信号所在帧包括包含发动机转速的0xF3，0x1AC档位信息，0x39A档位和变矩器状态，0x3FD档位信息，包含变速箱输入轴及输出轴转速的0x1AF，0x1A1车速信息，0x254轮速信息等。

信号模拟在N档进行，当网关2识别到发动机转速大于900rpm，会将PT-CAN发动机侧的档位信号、变矩器锁止信号、车速和轮速信号修改为合理的值；若发动机转速小于800rpm，网关2直接转发报文，不做任何修改。

同时网关2将实际发动机转速，由发动机转速决定的状态改变参数St_Val，以及档位通过SCI发送给网关1，若状态改变参数St_Val为0x55，则网关1修改PT-CAN2发动机侧的发动机转速、档位、变矩器锁止状态、通过发动机转速和档位确定的输入轴和输出轴转速为对应的值；若状态改变参数St_Val为0，则网关1直接转发报文，不做任何修改。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，包括：

硬件抽象层：时钟模块、定时器模块、IO模块、AD模块、CAN模块、SCI模块、PWM模块，用于单片机稳定工作的模块；

服务层：接口模块，用于完成应用层数据与底层数据的交互；

应用层：输入采集模块，用于整车信号的采集工作；网关模块，用于CAN网络上具体信号的提取、直接转发、修改转发和屏蔽处理；CCP模块，用于模拟信号和驱动控制参数的在线调节，以及实时监控系统运行参数；信号模拟模块，用于车速或轮速信号模拟，电压信号精确模拟，直流电机驱动控制功能和调压阀驱动控制；

所述信号模拟模块包括：

由于两路CAN总线的信号需要根据发动机转速同步，而只有PT-CAN上有发动机转速信息，为了让PT-CAN2总线上能获得实时的发动机转速信息，网关1和网关2之间需要通讯，根据硬件配置可通过串口SCI实现；

根据之前信号解析的结果，需要修改的信号所在帧包括包含发动机转速的0xF3，0x1AC档位信息，0x39A档位和变矩器状态，0x3FD档位信息，包含变速箱输入轴及输出轴转速的0x1AF，0x1A1车速信息，0x254轮速信息；

信号模拟在N档进行，当网关2识别到发动机转速大于900rpm，会将PT-CAN发动机侧的档位信号、变矩器锁止信号、车速和轮速信号修改为合理的值；若发动机转速小于800rpm，网关2直接转发报文，不做任何修改。

2.根据权利要求1所述的基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，所述CCP模块包括：上位机及标定工具，命令接收对象CRO是主设备发给从设备的报文，数据传输对象DTO是从设备反馈的报文，下位机MCU用于命令处理和数据传输；所述应用层集成了CCPdriver，采用CANape工具作为测量控制系统，用于实现参数控制和测量；

所述CCP模块的执行包括两方面：一方面是MCU将DTO通过CAN driver的发送子函数以CAN报文的格式上传给测量控制系统；另一方面是测量控制系统发送的命令以CAN报文的格式进入CAN driver的接收子函数，由其判断为CRO后，再命令处理。

3.根据权利要求1所述的基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，所述信号模拟模块包括：

车速或轮速信号模拟，通过发动机实际转速、当前挡位、各挡速比、主减速比和轮胎半径参数计算得到的，然后通过线性插值计算得到的理论车速值，测量得到的测量车速值与车速或者轮速信号频率的对应关系进行计算，得到模拟车速或者轮速信号频率；所述电压信号精确模拟主要用于模拟电位计式的压力和位移传感器信号；所述直流电机驱动控制主要用于节气门等执行器的驱动。

4.根据权利要求1所述的基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，所述信号模拟模块包括：

信号模拟通过两个网关实现，将原车的两路CAN总线从发动机侧分别断开，并加入网关；每个网关有2路CAN模块，分别与断开的CAN总线相连，它的功能是将一路CAN上接收的数据直接从另一路转发出去，或根据一定策略修改相应的数值后从另一路CAN上转发出去。

5.根据权利要求1所述的基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，所述信号模拟模块包括：

对于自动挡的变速箱AT，如果在台架试验时将档位挂到D档或M档，发动机运转一定时间后会出现变速箱过热故障，因此只能将档位挂到N档进行试验，而为了使发动机性能达到最大，需要通过CAN总线告诉发动机在M档，并根据发动机转速的不同模拟不同的档位；同时需要模拟变速箱输入轴和输出轴转速，以及车速信号。

6.根据权利要求1所述的基于ECU的整车信号解析模拟系统，其特征在于，所述信号模拟模块包括：

同时网关2将实际发动机转速，由发动机转速决定的状态改变参数St_Val，以及档位通过SCI发送给网关1，若状态改变参数St_Val为0x55，则网关1修改PT-CAN2发动机侧的发动机转速、档位、变矩器锁止状态、通过发动机转速和档位确定的输入轴和输出轴转速为对应的值；若状态改变参数St_Val为0，则网关1直接转发报文，不做任何修改。

7.一种基于ECU的整车信号解析模拟工作方法，其特征在于，包括如下步骤：网关模块执行如下：

S1，网关模块开始运行；

S2，CAN模块底层初始化；

S3，若总线上有关键的数据帧，状态改变参数St_Val置为0；

S4，进入中断函数，接收总线数据；

S5，判断发动机转速是否大于所设置的数值N，若大于则状态改变参数St_Val置为0x55，若小于或等于则执行S10；

S6，判断状态改变参数St_Val是否等于0x55，若相等执行S7，若不等则执行S10；

S7，确定当前档位，再根据档位、转速和速比确定车速；

S8，修改总线上ECU接收到的档位信息、车速信息、变速箱输入输出转轴转速信息；

S9，屏蔽ECU发送出的发动机转速信息；

S10，从网关相应的CAN模块将数据发送出去，执行S4。

8.根据权利要求7所述的基于ECU的整车信号解析模拟工作方法，其特征在于，还包括：

CAN总线校验信号解析，所述CAN总线校验信号解析包括：从0逐步加1直到N的周期循环的校验算法解析；将报文的字节按照加减异或计算校验值的校验算法解析；CRC8校验算法解析；

所述CRC8算法解析具体步骤如下：

S-A，CRC8算法解析流程开始；

S-B，*ptr为指向需要计算的校验值的数组tset[]，用于确定多项式值和异或值的计算；

S-C，对多项式值poly_v置0；

S-D，对异或值xor_v置0；

S-E，调整函数CRC8_Cal(*ptr,poly_v，xor_v)计算相应的CRC值check_sum；

S-F，判断check_sum是否与目标值相等，若相等，则记录poly_v和xor_v的值，并将解析成功标志flag_succ置1，若不相等执行S-G；

S-G，xor_v的值为xor_v值加一；

S-H，判断xor_v是否小于256，若小于，则执行S-E；若不小于，执行S-I；

S-I，poly_v的值为poly_v的值加一；

S-J，判断poly_v是否小于256，若小于，则执行S-D，否则执行S-K；

S-K，将解析成功标志flag_succ置0；

S-L，结束；

该函数的原型声明如下：CRC8_Cal(unsigned char*ptr,unsigned char poly_v，unsigned char xor_v)；

其中，*ptr：指向需要计算校验值的数组，poly_v：多项式的值为0-255，xor_v：异或值为0-255。

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