CN105116868A - 一种基于can总线的小型电控汽油机触摸式hmi标定方法 - Google Patents

一种基于can总线的小型电控汽油机触摸式hmi标定方法 Download PDF

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    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
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Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，标定***开发内容包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分，在小型汽油机电控***软硬件平台上，应用控制器局域网(CAN)总线技术实现通信。上位机标定软件以触摸式人机交互设备(HMI)为载体进行开发，下位机ECU主芯片选用Freescale？MC9S12P128。HMI版标定软件采用Kinco公司组态编辑软件进行设计，应用CANopen自定义标定协议，具有实时监视运行参数、故障诊断通信、在线标定以及数据保存等功能。CAN通信是实现标定协议的基础，重新分配内存资源是实现MAP擦写的前提，擦写Flash则是实现标定功能的主要方法。

Description

一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法
技术领域
本发明涉及一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定***，包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分。
技术背景
目前基于查表策略的电控发动机，需要根据MAP来控制发动机喷油、点火等运行，这些MAP和控制参数被存储在ECU的Flash当中，ECU上电之后，将代码和数据从Flash拷贝到RAM中运行。利用标定软件可以在线调整RAM中运行的MAP和控制参数，刷写Flash数据，进而获得更优良的空燃比控制，更精确的喷油点火控制，以提高发动机性能，降低发动机排放，满足日益严格的法规要求。
国际上具有代表性的标定***有ETAS公司的INCA软件，ATI公司的VISION软件，Vector公司的CANape软件以及dSPACE公司的CalDesk软件等。但这些软件都没有专用的硬件平台，需要安装于PC上，在便携性、安全性和经济性上做出了一定的妥协。国内已申请的相关专利方面，有北汽福田汽车股份有限公司的一种混合动力汽车的标定***及标定方法(申请公布号：CN103162964A)，深圳市郎仁科技有限公司的手持式柴油机ECU读取、刷写和重新标定***及方法(申请公布号：CN103885436A)等。这些发明专利虽然也都是面向标定***，但却不是针对通用小型汽油机的标定***。
发明内容
为了完成通用小型汽油机电控***的标定工作，本发明提供了一种功能丰富、界面友好的通用小型汽油机触摸式HMI标定***。
本发明的另一目的在于克服现有***在人机交互方面的不足，现有标定软件大多为安装在PC电脑上的应用程序。标定***基于CAN总线，针对小型汽油机电控***进行了优化。
本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1，建立基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定***，标定***包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分，上位机标定软件以HMI为载体，下位机为ECU，通过CAN总线，接口类型为DB9针，实现上位机、下位机间实时、可靠的数据通信任务，使用CANopen自定义通信和标定协议；
步骤2，下位机ECU上电运行后，程序将代码和数据分别从PFlash和DFlash拷贝到RAM中运行，并实时采集经过硬件和软件调节后的传感器信号，包括曲轴位置(转速)信号、节气门位置(负荷)信号、氧传感器信号、机体温度信号、进气温度信号和进气压力信号；
步骤3，上位机标定软件上电开始运行后，通过数据管理模块读取配置文件，进行初始化设定，包括定义数据结构类型、写入初始数值以及设置主程序循环时间为50ms；
步骤4，上位机标定软件主函数是一个无限循环函数，通过查询标志位响应界面操作，标定软件界面上的控制按钮具有通知功能，程序中当对控制按钮进行操作时，将写入特定数值到指定寄存器中，主函数根据指定寄存器中不同的数值来执行不同的操作；
步骤5，通信控制模块根据通信协议将不同的控制命令封装成CAN报文，发送到下位机ECU，下位机ECU标定模块通过CAN驱动接收控制命令；
步骤6，下位机ECU协议控制子模块根据通信协议解析CAN报文，并调用相应的应用程序执行对应的控制命令，程序中设定“连接/断开”、“监测数据”、“请求MAP”、“在线调试”、“在线标定”控制命令；
步骤7，步骤6中的“监测数据”命令决定DAQ模式的开闭，若打开DAQ，则从RAM中实时读取从传感器输入ECU的发动机运行参数，根据通信协议将其封装成CAN报文发送；
步骤8，步骤6中的“请求MAP”命令则根据对应MAP在RAM中的地址读取实时数据信息，同样根据通信协议将其封装成CAN报文发送；
步骤9，步骤6中的“在线调试”命令将RAM中实时运行的标定MAP和变量修改为目标值；
步骤10，步骤6中的“在线标定”命令则调用Flash刷写函数将RAM中实时运行的目标MAP和变量刷写到DFlash的对应地址，将修改之后的数据固化到ECU内存中；
步骤11，上位机标定软件通过通信控制模块接收CAN报文，根据通信协议进行解析并在软件界面上显示或报警，程序中设定反馈信息主要有故障码、监测数据和MAP数据。
进一步，所述步骤1中HMI的操作界面是触摸式显示屏，采用Kinco公司组态编辑软件进行设计；实时监视运行参数、故障诊断通信、在线标定以及数据保存。
进一步，所述步骤4中所述标定软件界面主要包括监视窗口、传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定、故障诊断以及PID整定窗口，监视窗口作为主界面，通过数值显示、棒图、表盘等元件实时显示转速、负荷、氧浓度、机体温度、进气温度、进气压力等发动机运行参数；可以打开传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定等窗口。
进一步，所述步骤10中Flash刷写函数主要实现对DFlash的擦写，Flash的擦除与写入遵循以下步骤：
S1，Flash初始化操作，对FCLKDIV(Flash时钟分频寄存器)进行设置，以产生一个目标频率1MHz的内部Flash时钟FCLK；
S2，读取FSTAT(Flash状态寄存器)，查询其中的CCIF(命令完成中断标志位)，等待Flash操作完成；
S3，对FSTAT(Flash状态寄存器)中的ACCERR(错误标志位)进行清除，并FPVIOL位写保护；
S4，写FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)，以设置FCCOB(Flash命令对象寄存器)中写入数据的意义；
S5，写FCCOB(Flash命令对象寄存器)，根据FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)的设置，分别写入对应的命令、地址或数据；
S6，置FSTAT(Flash状态寄存器)后开始执行Flash擦写命令。
进一步，所述步骤10还包括，通过对prm文件进行修改操作，将MAP等标定量放置于0x0400起始的DFlash内存块中；通过对DFlash的擦写，实现将在线标定完成后的MAP数据固化到ECU内存中。
本发明具有以下技术功能和特点：
(1)实时显示发动机运行参数。标定***实时采集来自电子控制单元(ECU)传感器的数据，在监视界面以图形、表格或数字的形式显示发动机工作状态，作为标定时的依据。
(2)故障诊断(OBD)通信。根据制定的通信协议，在线监视传感器、执行器数据以及发动机运行参数，接收来自电子控制单元(ECU)故障诊断模块的故障码，查询诊断数据库并报告相应故障。
(3)在线标定。标定软件向电子控制单元(ECU)发送不同的控制命令，在线调整RAM中的MAP、PID等数据，使发动机按照不同的参数运行，并将它们刷写至DFlash中，以使下次发动机启动时再次调用这些运行参数。
(4)历史数据保存。根据标定结果，记录参数并存储到外部U盘，以便后期进行处理和分析。
附图说明
图1为上位机KincoMT4414TE-CAN；
图2为主界面监视窗口；
图3为故障诊断窗口；
图4为HMI标定软件通信控制模块程序流程图；
图5为标定***硬件结构图；
图6为CAN总线收发器原理图；
图7为标定***总体架构；
图8为标定***软件流程图。
具体实施方式
本发明的目的通过如下技术方案完成：
标定***开发内容包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分，在小型汽油机电控***软硬件平台上，通过上、下位机的“桥梁”——CAN总线，实现各节点间实时、可靠的数据通信任务。上位机标定软件以触摸式人机交互设备(HMI)为载体进行开发，包含前台界面、数据管理和通信控制三个子模块。其中，标定界面提供人机交互访问并响应用户操作，数据管理优化全局变量并建立工程文件，通信控制合理组织、发送与接收数据，是实现通信协议的重点环节。下位机ECU主芯片选用FreescaleMC9S12P128，其中标定模块集成了CAN驱动、协议控制和应用程序三个子模块。其中，CAN驱动负责报文封装、接收与发送，协议控制负责标定命令的解析，并调用应用程序负责具体的执行操作。
上位机HMI(HumanMachineInterface)标定软件的操作界面是触摸式显示屏，采用Kinco公司组态编辑软件进行设计，应用CANopen自定义标定协议，具有实时监视运行参数、故障诊断通信、在线标定以及数据保存等功能。下位机ECU通过对prm文件进行修改操作，将MAP等标定量放置于0x0400起始的DFlash内存块中，通过对DFlash的擦写，实现将在线标定完成后的MAP数据固化到ECU内存中。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
如图1所示，上位机HMI标定软件搭载Kinco公司MT4414TE-CAN。界面主要包括监视窗口、传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定、故障诊断以及PID整定等窗口。
如图2所示，为监视窗口作为主界面。通过数值显示、棒图、表盘等元件实时显示转速、负荷、氧浓度、机体温度、进气温度、进气压力等发动机运行参数；可以打开传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定等窗口。
在标定窗口中，处于连接状态时，点击“下载”按钮，将下位机ECU中的MAP显示在窗口中；在MAP显示区域直接修改数值，即可修改下位机RAM中对应的MAP，实现在线标定功能；修改完成后，点击“上传”按钮，即可将重新标定的MAP刷写至DFlash。
如图3所示，为故障诊断窗口，可进行传感器、执行器、失火诊断的通信。传感器包括节气门位置、机体温度、进气温度、进气压力和转速等传感器，执行器包括喷油器、点火器和继电器等。当接收到故障码时，闪烁对应的报警灯，并在下方窗口处显示故障码。
上位机HMI标定软件通信控制模块位于“EV5000安装目录/Kinco/EV5000_V1.7_CHS/builddriver”中的fbserver.c文件，程序流程如图4所示。程序中，首先需要定义一个CAN数据帧结构体类型，包括标识符(ID)，保留位(RTR)，数据长度(DLC)以及数据(Data)等。
1)然后是初始化函数，包括主程序循环时间设置和写入初始数值。
2)接下来是主程序，这里是HMI版标定软件的核心，主要负责响应界面操作，根据协议封装及解析CAN报文，此外，MAP及监视数据显示和控制命令发送也在这里完成。而CAN报文的接收则需要通过CAN接收中断来实现，每接收到一帧CAN报文，就执行一次中断。
如图5所示，为标定***总体硬件结构，上位机HMI标定软件搭载Kinco公司MT4414TE-CAN，所述下位机MCU主芯片具体型号为Freescale公司MC9S12P128。两者通过CAN总线实现通信。所述CAN协议控制器为MSCAN模块，集成于MCU之中。MCU的一端与输入调节模块连接，输入调节模块采集传感器信号，包括对曲轴位置、节气门位置、氧传感器、机体温度、进气温度、进气压力信号的采集。
图6为CAN总线收发器原理图；所述CAN收发器型号为TJA1050，下位机ECU标定模块通信电路包含两个芯片，集成于MCU的控制器局域网(MSCAN)和CAN总线收发器(TJA1050)。MCU负责数据采集与处理，完成初始化等特定功能；控制器局域网(MSCAN)负责实现网络协议，进行数据的发送和接收等通信任务。
CAN协议控制器通过MCU的串行数据输出引脚TXD和串行数据输入引脚RXD连接到收发器，而收发器则通过具有差动接收及发送功能的引脚CAN_H和CAN_L连接到总线网络。TJA1050使用额定5V电源供电。Vref的作用是具有模拟Rx输入的CAN控制器参考电压，其输出值等于额定电压Vcc的一半，但是MSCAN带有数字量输入，故可以将此电压悬置。端口S用于模式控制，将其接地则进入高速模式，即工作模式。收发器与CAN总线并不直接相连，而是采取了相关的安全及抗干扰措施，如图5所示。CAN_H和CAN_L与地之间设计一个RC滤波电路，由一个62Ω的电阻和一个20pF的电容构成，具有滤除CAN总线上高频干扰的作用。课题设计还在两根CAN总线接收、发送引脚与地之间分别连接一个瞬态抑制二极管，当出现瞬变干扰时，通过钳位保护，防止负电压过大。此外，100pF电容用于维持电压稳定。
下位机ECU标定模块通过对prm文件进行修改操作，实现FreescaleS12系列单片机内存芯片资源的重新定义和划分，并将MAP等标定量放置于0x0400起始的DFlash内存块中。
一般将不分页的代码空间定义成ROM，若非使用Bootloader更新用户程序，ECU开发完成封装好之后ROM中的用户应用程序一般不需要改动；将数据空间定义成DFlash，多存放需要标定的MAP和常量，DFlash中的数据无法直接修改，需要擦写Flash，ECU掉电后仍维持刷写成功的数据不变；而上电运行区域为RAM，即ECU上电之后，将代码和数据从Flash拷贝到RAM中运行，RAM中的数据可直接修改，适合在线标定调试，但ECU掉电后代码和数据将消失，再次上电将重新拷贝。
标定***总体架构如图7所示，标定软件包括标定界面、数据管理、通信控制，通信控制环节通过CAN总线实时与下位机ECU的CAN驱动连接，软件流程如图8所示，总体实现的具体步骤如下：
(1)下位机ECU上电运行后，程序将代码和数据分别从PFlash和DFlash拷贝到RAM中运行，并实时采集经过硬件和软件调节后的传感器信号，包括曲轴位置(转速)信号、节气门位置(负荷)信号、氧传感器信号、机体温度信号、进气温度信号和进气压力信号等。
(2)上位机标定软件上电开始运行后，通过数据管理模块读取配置文件，进行初始化设定，包括定义数据结构类型、写入初始数值以及设置主程序循环时间为50ms。
(3)上位机标定软件主函数是一个无限循环，通过查询标志位响应界面操作。标定软件界面上的控制按钮具有通知功能，程序中当对控制按钮进行操作时，将写入特定数值到指定寄存器中，主函数根据指定寄存器中不同的数值来执行不同的操作。
(4)通信控制模块根据通信协议将不同的控制命令封装成CAN报文，发送到下位机ECU，下位机ECU标定模块通过CAN驱动接收控制命令。
(5)下位机ECU协议控制子模块根据通信协议解析CAN报文，并调用相应的应用程序执行对应的控制命令。程序中设定“连接/断开”、“监测数据”、“请求MAP”、“在线调试”、“在线标定”等控制命令。
(6)“监测数据”命令决定DAQ模式的开闭。若打开DAQ，则从RAM中实时读取从传感器输入ECU的发动机运行参数，根据通信协议将其封装成CAN报文发送。
(7)“请求MAP”命令则根据对应MAP在RAM中的地址读取实时数据信息，同样根据通信协议将其封装成CAN报文发送。
(8)“在线调试”命令将RAM中实时运行的标定MAP和变量修改为目标值。
(9)“在线标定”命令则调用Flash刷写函数将RAM中实时运行的目标MAP和变量刷写到DFlash的对应地址，将修改之后的数据固化到ECU内存中。
(10)上位机标定软件通过通信控制模块接收CAN报文，根据通信协议进行解析并在软件界面上显示或报警。程序中设定反馈信息主要有故障码、监测数据和MAP数据等。
上述步骤(3)中所述界面主要包括监视窗口、传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定、故障诊断以及PID整定等窗口。监视窗口作为主界面，如图2所示。通过数值显示、棒图、表盘等元件实时显示转速、负荷、氧浓度、机体温度、进气温度、进气压力等发动机运行参数；可以打开传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定等窗口。
上述步骤(9)中所述Flash刷写函数主要实现对DFlash的擦写，Flash的擦除与写入遵循以下步骤：
(1)Flash初始化操作，对FCLKDIV(Flash时钟分频寄存器)进行设置，以产生一个目标频率1MHz的内部Flash时钟FCLK。
(2)读取FSTAT(Flash状态寄存器)，查询其中的CCIF(命令完成中断标志位)，等待Flash操作完成。
(3)对FSTAT(Flash状态寄存器)中的ACCERR(错误标志位)进行清除，并FPVIOL位写保护。
(4)写FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)，以设置FCCOB(Flash命令对象寄存器)中写入数据的意义。
(5)写FCCOB(Flash命令对象寄存器)，根据FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)的设置，分别写入对应的命令、地址或数据。
(6)置FSTAT(Flash状态寄存器)后开始执行Flash擦写命令。
上述基于CAN总线的小型电控汽油机标定的操作过程及方法为：
步骤1)HMI标定软件与ECU通过CAN总线连接后，在主界面点击“连接”按钮，按钮被按下，说明上、下位机连接成功；
步骤2)连接成功后，点击“监视”按钮，下位机ECU发送转速、负荷、机体温度、进气压力、蓄电池电压以及氧浓度等发动机运行参数，上位机接收并在监视窗口中显示；
步骤3)在标定窗口中，点击“下载”按钮，下位机ECU发送MAP，上位机接收并显示；
步骤4)点击MAP中需要标定的数值，在弹出的数字对话框中重新输入目标数值，按回车键结束，此时RAM中实时运行的MAP数据已修改完成；
步骤5)在线标定完成之后，点击“上传”按钮，通过对DFlash的擦写，将修改之后的目标MAP数据固化到ECU内存中；
步骤6)在主界面点击“断开”按钮，按钮被按下，解除上、下位机间的连接。
综上，本发明的一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，标定***开发内容包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分，在小型汽油机电控***软硬件平台上，应用控制器局域网(CAN)总线技术实现通信。上位机标定软件以触摸式人机交互设备(HMI)为载体进行开发，下位机ECU主芯片选用FreescaleMC9S12P128。HMI版标定软件采用Kinco公司组态编辑软件进行设计，应用CANopen自定义标定协议，具有实时监视运行参数、故障诊断通信、在线标定以及数据保存等功能。CAN通信是实现标定协议的基础，重新分配内存资源是实现MAP擦写的前提，擦写Flash则是实现标定功能的主要方法。
以上对本发明所提供的一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定***，标定***包括上位机标定软件和下位机ECU标定模块两部分，上位机标定软件以HMI为载体，下位机为ECU，通过CAN总线，接口类型为DB9针，实现上位机、下位机间实时、可靠的数据通信任务，使用CANopen自定义通信和标定协议；
步骤2，下位机ECU上电运行后，程序将代码和数据分别从PFlash和DFlash拷贝到RAM中运行，并实时采集经过硬件和软件调节后的传感器信号，包括曲轴位置(转速)信号、节气门位置(负荷)信号、氧传感器信号、机体温度信号、进气温度信号和进气压力信号；
步骤3，上位机标定软件上电开始运行后，通过数据管理模块读取配置文件，进行初始化设定，包括定义数据结构类型、写入初始数值以及设置主程序循环时间为50ms；
步骤4，上位机标定软件主函数是一个无限循环函数，通过查询标志位响应界面操作，标定软件界面上的控制按钮具有通知功能，程序中当对控制按钮进行操作时，将写入特定数值到指定寄存器中，主函数根据指定寄存器中不同的数值来执行不同的操作；
步骤5，通信控制模块根据通信协议将不同的控制命令封装成CAN报文，发送到下位机ECU，下位机ECU标定模块通过CAN驱动接收控制命令；
步骤6，下位机ECU协议控制子模块根据通信协议解析CAN报文，并调用相应的应用程序执行对应的控制命令，程序中设定“连接/断开”、“监测数据”、“请求MAP”、“在线调试”、“在线标定”控制命令；
步骤7，步骤6中的“监测数据”命令决定DAQ模式的开闭，若打开DAQ，则从RAM中实时读取从传感器输入ECU的发动机运行参数，根据通信协议将其封装成CAN报文发送；
步骤8，步骤6中的“请求MAP”命令则根据对应MAP在RAM中的地址读取实时数据信息，同样根据通信协议将其封装成CAN报文发送；
步骤9，步骤6中的“在线调试”命令将RAM中实时运行的标定MAP和变量修改为目标值；
步骤10，步骤6中的“在线标定”命令则调用Flash刷写函数将RAM中实时运行的目标MAP和变量刷写到DFlash的对应地址，将修改之后的数据固化到ECU内存中；
步骤11，上位机标定软件通过通信控制模块接收CAN报文，根据通信协议进行解析并在软件界面上显示或报警，程序中设定反馈信息主要有故障码、监测数据和MAP数据。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，其特征在于，所述步骤1中HMI的操作界面是触摸式显示屏，采用Kinco公司组态编辑软件进行设计；实时监视运行参数、故障诊断通信、在线标定以及数据保存。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，其特征在于，所述步骤4中所述标定软件界面主要包括监视窗口、传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定、故障诊断以及PID整定窗口，监视窗口作为主界面，通过数值显示、棒图、表盘等元件实时显示转速、负荷、氧浓度、机体温度、进气温度、进气压力等发动机运行参数；可以打开传感器标定、基本喷油脉宽标定、基本点火提前角标定等窗口。
4.根据权利要求1所述的基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，其特征在于，所述步骤10中Flash刷写函数主要实现对DFlash的擦写，Flash的擦除与写入遵循以下步骤：
S1，Flash初始化操作，对FCLKDIV(Flash时钟分频寄存器)进行设置，以产生一个目标频率1MHz的内部Flash时钟FCLK；
S2，读取FSTAT(Flash状态寄存器)，查询其中的CCIF(命令完成中断标志位)，等待Flash操作完成；
S3，对FSTAT(Flash状态寄存器)中的ACCERR(错误标志位)进行清除，并FPVIOL位写保护；
S4，写FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)，以设置FCCOB(Flash命令对象寄存器)中写入数据的意义；
S5，写FCCOB(Flash命令对象寄存器)，根据FCCOBIX(Flash命令对象索引寄存器)的设置，分别写入对应的命令、地址或数据；
S6，置FSTAT(Flash状态寄存器)后开始执行Flash擦写命令。
5.根据权利要求1所述的基于CAN总线的小型电控汽油机触摸式HMI标定方法，其特征在于，所述步骤10还包括，通过对prm文件进行修改操作，将MAP等标定量放置于0x0400起始的DFlash内存块中；通过对DFlash的擦写，实现将在线标定完成后的MAP数据固化到ECU内存中。
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