程 馳， 李建秋， 方 成， 高國景， 楊福源

(清華大學汽車安全與節(jié)能重點實驗室， 北京 100084)

·設計計算·

采用Flexray總線通信的柴油機缸壓采集系統(tǒng)

程 馳， 李建秋， 方 成， 高國景， 楊福源

(清華大學汽車安全與節(jié)能重點實驗室， 北京 100084)

開發(fā)了采用Flexray總線通信的低成本缸壓采集系統(tǒng)：基于MPC5644A單片機設計了缸壓實時采集系統(tǒng)的硬件模塊；針對缸壓數(shù)據(jù)大流量的特點，對Flexray總線進行了優(yōu)化設計，并通過軟件實現(xiàn)了雙緩存機制，保證缸壓數(shù)據(jù)能夠實時傳輸；通過CANoe把Flexray總線上的缸壓數(shù)據(jù)進行實時儲存，并利用Matlab對缸壓數(shù)據(jù)進行離線分析。在1臺4缸中型高壓共軌柴油機上的試驗表明：該采集系統(tǒng)能夠實時采集缸壓數(shù)據(jù)，能夠通過Flexray總線把所有缸壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C并儲存到ASC文件中，利用儲存的數(shù)據(jù)能夠離線進行相關的燃燒分析。

氣缸壓力； 數(shù)據(jù)采集； Flexray總線； 雙緩存機制； 離線分析

柴油機作為車輛的主要動力來源之一，需要滿足嚴苛的排放性、經(jīng)濟性、動力性和可靠性等要求。在柴油機的開發(fā)、控制和匹配過程中，需要對缸內燃燒狀況進行分析，采用缸壓信號是其中最常見的一種途徑，可通過缸壓來估計平均指示壓力[1-2]、爆震參數(shù)[3]、空燃比[4]、放熱率、最大壓力升高率等常用指標。近年來，基于缸壓信號的燃燒控制技術也成為學術界和工業(yè)界的熱點[5-7]。利用缸壓采集系統(tǒng)實時采集缸壓，并把缸壓記錄下來進行離線分析，可以驗證和優(yōu)化柴油機開發(fā)、控制和匹配的結果。

本研究在基于缸壓信號的燃燒控制系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)了使用Flexray總線的低成本柴油機缸壓采集系統(tǒng)，不再需要燃燒分析儀或者高速數(shù)采卡，能夠實時采集缸壓信號，并通過Flexray總線發(fā)送到上位機進行儲存，利用Matlab能夠對缸壓數(shù)據(jù)進行離線分析。

1 缸壓采集系統(tǒng)硬件

清華大學國家節(jié)能與安全重點實驗室發(fā)動機控制課題組于2008年開始，獨立開發(fā)了多代缸內燃燒分析單元iCAT(in-Cylinder Combustion Analysis Tool)用于進行基于缸壓的燃燒控制。iCAT 4.0采用汽車級單片機Freescale MPC5644A，實現(xiàn)了缸壓信息的實時采集。本研究在此基礎上實現(xiàn)缸壓數(shù)據(jù)傳輸和存儲的功能。

缸壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩個主要的模塊組成：用于數(shù)據(jù)采集的AD模塊和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇lexray通信模塊。要求單片機進行AD采集的速度滿足發(fā)動機最高轉速下缸壓數(shù)據(jù)的采集要求，并兼容Flexray Specification 2.1版本的FLexray通信模塊。

缸壓采集系統(tǒng)采用的微控制器是PowerPC 564XA系列汽車級芯片MPC5644A，該單片機相關模塊的性能指標見表1。

表1 MPC5644A單片機性能指標

數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)挠布韴D見圖1。其中Flexray模塊采用雙通道模式，由兩路差分信號組成，并在ECU端設置共模扼流圈和終端電阻以獲得更好的電磁兼容性及共模噪聲抑制。

2 數(shù)據(jù)傳輸方案

2.1 基本要求

iCAT 4.0的設計目標是能在5 000 r/min的轉速下對4缸柴油機進行缸壓采集。在保證數(shù)據(jù)精度要求的同時，為了降低單片機負荷，在每個氣缸的壓縮和做功沖程每隔0.2°采集1次缸壓信號，而在排氣和進氣沖程每隔1°采集1次。每個氣缸每循環(huán)共采集4 320 Byte的缸壓數(shù)據(jù)(單個缸壓數(shù)據(jù)的長度為2 Byte)。在5 000 r/min轉速下，采集單缸缸壓數(shù)據(jù)，平均帶寬為1.44 Mbps；采集4缸所有的缸壓數(shù)據(jù)，平均帶寬為5.76 Mbps?；贔lexray總線的缸壓采集系統(tǒng)需要滿足在最高轉速下將數(shù)據(jù)完整采集并存儲的要求。

2.2 總線簡介

Flexray總線傳輸?shù)幕締卧獮橥ㄐ叛h(huán)，每個循環(huán)由靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗和空閑組成。在本研究中，負責消息傳輸?shù)闹饕糠质庆o態(tài)段。消息傳輸?shù)幕締挝粸閿?shù)據(jù)幀，每個幀最多可包含254 Byte的數(shù)據(jù)。

Flexray總線為時間觸發(fā)的網(wǎng)絡，在啟動時要進行時間同步，需要至少3個冷啟動節(jié)點(如果網(wǎng)絡只有2個節(jié)點，則2個節(jié)點都必須是冷啟動節(jié)點)。本研究實現(xiàn)的是單向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使用CANoe建立仿真節(jié)點與缸壓采集單元連接，用于協(xié)助網(wǎng)絡的同步和啟動，并進行缸壓數(shù)據(jù)的接收和存儲。

2.3 傳輸方案設計

缸壓采集系統(tǒng)需要將缸壓數(shù)據(jù)實時采集并傳輸?shù)絇C機中。轉速5 000 r/min下需要5.76 Mbps的平均帶寬，F(xiàn)lexray總線的波特率為20 Mbps(兩通道獨立使用)，通過優(yōu)化設計滿足缸壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

缸壓的采集和傳輸方案有兩種：采集完一個發(fā)動機循環(huán)的數(shù)據(jù)再進行傳輸，或是按照一定的周期對更新的數(shù)據(jù)進行定時傳輸。采用第二種方案在一個Flexray周期內傳輸?shù)母讐簲?shù)據(jù)量會存在差異，且不容易確定缸壓和角度的對應關系；而在一個Flexray的循環(huán)內把采集到的一個發(fā)動機循環(huán)內的缸壓數(shù)據(jù)完全發(fā)送，不需要額外發(fā)送角度信息，但這種方案主要存在3個問題：

1) 一個發(fā)動機循環(huán)數(shù)據(jù)為17 280 Byte(4缸同時儲存)，需要較大的存儲空間；

2) 由于數(shù)據(jù)采集和傳輸是同步進行的，需要保證過程中的數(shù)據(jù)完整性；

3) 由于全周期的數(shù)據(jù)在1個通信循環(huán)中傳輸，會提高網(wǎng)絡的瞬時負荷，需要對帶寬進行優(yōu)化設計。

MPC5644A有192 kB的RAM空間，擁有足夠的空間儲存一個發(fā)動機循環(huán)的所有缸壓數(shù)據(jù)；本研究設計了特殊的雙緩存機制，能保證數(shù)據(jù)的完整性；同時，通過Flexray總線的設計和優(yōu)化可滿足負荷要求。

2.4 總線設計與參數(shù)優(yōu)化

Flexray總線的波特率Bi最高為10 Mbps，但是在實際應用中，波特率會受到幀結構、幀編碼方式、時隙分配和周期分配的限制，總線的最大帶寬Ba通過下式計算：

Ba=Bi×fcons×fenc×fslot×fcycle。

式中：fcons為幀結構對帶寬利用率的影響因子，本研究中取0.968；fenc為Flexray信號的編碼的影響因子，F(xiàn)lexray協(xié)議對數(shù)據(jù)幀有固定的編碼方式，主要包括TSS(傳輸開始)、FSS(幀開始)、BSS(字節(jié)開始)、FES(幀結束)，本研究中該影響因子取0.8；fslot，fcycle為網(wǎng)絡設計參數(shù)所決定的影響因子，主要涉及到通信循環(huán)中的空閑時間長度和總時長的比例，最優(yōu)情況下參數(shù)值接近于1，此處將其近似為1。根據(jù)以上分析，網(wǎng)絡的最大可用帶寬為7.74 Mbps。

缸壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緟?shù)見表2。

表2 缸壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緟?shù)

在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸之前，要對Flexray總線的協(xié)議參數(shù)進行計算，并對數(shù)據(jù)幀在循環(huán)中的位置進行分配。

每幀的數(shù)據(jù)最多為254 Byte，單缸每循環(huán)傳輸數(shù)據(jù)量為4 320 Byte，可在17.01個幀內傳輸完畢。設置每幀數(shù)據(jù)長度為240 Byte，則單缸數(shù)據(jù)放在18個數(shù)據(jù)幀內，4缸數(shù)據(jù)放在72個有效數(shù)據(jù)幀內。

只傳輸單缸缸壓數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡的最高負荷率為47.5%。并且由于A，B通道傳輸相同數(shù)據(jù)，因此AB通道的最高負荷率在相同時刻達到，并且數(shù)值相同?？偩€平均負荷率隨著轉速的不同而變化，轉速越高，網(wǎng)絡的平均負荷率越高。本研究設計的Flexray總線的平均負荷率在發(fā)動機轉速為10 000 r/min時達到峰值負荷，此轉速遠高于發(fā)動機正常工況的最高轉速，因此可保證網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

傳輸4缸缸壓數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡靜態(tài)段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最多為40×240 Byte，實際最多使用的有效數(shù)據(jù)量為36×240 Byte，總線的靜態(tài)負載峰值負荷率為95%。同樣，總線平均負荷率隨著轉速的不同而變化，轉速越高，網(wǎng)絡的平均負荷率越高。

網(wǎng)絡協(xié)議關鍵參數(shù)有宏節(jié)拍(MT)包含微節(jié)拍(μT)個數(shù)NμT和循環(huán)宏節(jié)拍個數(shù)NMT。節(jié)點設計需要計算的關鍵參數(shù)包括靜態(tài)段時間TS和靜態(tài)段個數(shù)TN。

總線波特率選擇10 Mbps，NμT最小為80個[8]，最大為120，本研究選擇NμT=80。微節(jié)拍的長度(tμT)與單片機的采樣頻率相關，10 Mbps波特率下tμT=25 ns[9]。宏節(jié)拍的長度tMT=tμT×NμT=2 μs，根據(jù)循環(huán)長度和tMT可得到循環(huán)宏節(jié)拍個數(shù)NMT=6 000。

本研究的網(wǎng)絡結構中，有效數(shù)據(jù)置于靜態(tài)段，為了保證網(wǎng)絡的高利用率，在網(wǎng)絡設計時將其他部分盡可能簡化。

靜態(tài)段時間(TS)基于數(shù)據(jù)幀長度(Lframe)進行計算，保守設計為145個MT。靜態(tài)段時隙的個數(shù)NS<41.1，此處靜態(tài)段個數(shù)取為40。傳輸1缸數(shù)據(jù)僅用到18個ID作為有效數(shù)據(jù)幀。

每個節(jié)點必須有一個關鍵幀用于此節(jié)點和網(wǎng)絡的時間同步，如果節(jié)點為冷啟動節(jié)點，則關鍵幀同時用于啟動和時間同步。本研究中網(wǎng)絡由2個節(jié)點組成，因此有2個ID被關鍵幀占用，其中ECU端的啟動幀可用于數(shù)據(jù)傳輸。但是為了方便試驗的進行，使用CANoe設置2個節(jié)點用于啟動網(wǎng)絡，ECU節(jié)點可隨時作為跟隨冷啟動節(jié)點加入，因此仍需要2個ID專門用于輔助啟動。最終確定的Flexray總線時間結構見圖2和圖3。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸程序

數(shù)據(jù)傳輸程序將網(wǎng)絡驅動層和傳輸層通過接口連接起來。Flexray總線驅動層為上層模塊提供與硬件獨立的應用編程接口。

系統(tǒng)設計要求實現(xiàn)的功能是在一個通信循環(huán)(12 ms)內將缸壓數(shù)據(jù)存入Flexray模塊的緩存中，發(fā)送至總線上，最終被CANoe接收和記錄。

Flexray總線的正常通信包括兩個步驟：網(wǎng)絡啟動(初始化)和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡啟動的內部仲裁由單片機自動完成，需要手動操作的是對硬件和協(xié)議的初始化參數(shù)的配置，以及根據(jù)協(xié)議狀態(tài)決定是否進行下一步的操作。

數(shù)據(jù)傳輸過程包括兩個步驟：將有效數(shù)據(jù)更新至Flexray緩存區(qū)，以及將緩存中的數(shù)據(jù)傳輸至總線。涉及到的關鍵問題在于發(fā)動機轉速和Flexray循環(huán)周期不一致以及避免出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)過程沖突。

采用的數(shù)據(jù)存儲方式為雙緩存機制，結構見圖4。原理是將缸壓數(shù)據(jù)輪流存儲于兩個緩存區(qū)域中，保證每個循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)均被傳輸至總線上并且不會相互覆蓋。將網(wǎng)絡所有的時隙設置為事件傳輸模式(event-transmission mode)，如果缸壓數(shù)據(jù)沒有更新完成，不會對傳輸緩存進行更新，則網(wǎng)絡上相應的時隙數(shù)據(jù)為空，這樣也簡化了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。圖4所示雙緩存機制有效地解決了缸壓數(shù)據(jù)存儲區(qū)域連續(xù)更新而導致的數(shù)據(jù)可能在傳輸之前就被覆蓋的風險，并且保證缸壓數(shù)據(jù)按照發(fā)動機循環(huán)的順序進行傳輸。

2.6 數(shù)據(jù)的監(jiān)控和存取

采用CANoe軟件配合VN6700硬件Flexray接口進行總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控和存儲。CANoe是一種可用于汽車車載網(wǎng)絡與電控單元的測試、開發(fā)、分析和仿真的專業(yè)開發(fā)工具，它可實現(xiàn)對總線上的通信數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和記錄：在Trace窗口中可以監(jiān)控傳輸?shù)母讐簲?shù)據(jù)，并監(jiān)控總線上出現(xiàn)的錯誤幀，判斷網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)；通過對log進行配置，可將總線上的數(shù)據(jù)用ASC格式將數(shù)據(jù)進行存儲。

利用Matlab編寫相應的程序對ASC進行解析，從中提取出缸壓數(shù)據(jù)，基于這些缸壓數(shù)據(jù)，可以進行離線的燃燒分析。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

本研究中進行缸壓數(shù)據(jù)采集使用的系統(tǒng)是課題組的發(fā)動機測試臺架系統(tǒng)，該臺架配備Horiba HT350瞬態(tài)交流電力測功機。所使用的發(fā)動機為1臺直列4缸、缸內直噴、增壓中冷柴油機，其技術規(guī)格和性能指標見表3。

表3 發(fā)動機技術規(guī)格和性能指標

使用的缸壓傳感器為一款電熱塞一體式缸壓傳感器，采用壓阻式測量原理，技術參數(shù)見表4。

表4 缸壓傳感器技術參數(shù)

3.2 試驗結果

對4缸缸壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院涂煽啃赃M行試驗驗證，并對1缸的缸壓數(shù)據(jù)進行具體分析以驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

在100 N·m，1 000～2 500 r/min工況下，選取10個轉速點進行缸壓采集。圖5示出4個轉速下單循環(huán)的缸壓曲線。

由于扭矩不變，計算得到的pi為4.1 MPa，pme為2.6 MPa，發(fā)動機低速小負荷機械效率約為60%，與試驗結果相符，驗證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

缸壓數(shù)據(jù)傳輸并非高實時性、高安全性的控制參數(shù)傳輸，可考慮使用AB通道傳輸不同的數(shù)據(jù)以提高傳輸帶寬。在網(wǎng)絡接近滿負荷的情況下，可傳輸4缸的缸壓數(shù)據(jù)，1 500 r/min轉速下的缸壓曲線見圖6。

在1 500 r/min和2 500 r/min時，總線的理論負荷率分別為15%和25%，利用CANoe測量的總線負荷率分別為16.56%和25%，結果基本符合。

4 結論

a) Flexray循環(huán)周期為12 ms，單循環(huán)最多能夠傳遞17 280 Byte數(shù)據(jù)，同時使用A通道和B通道，波特率設為10 Mbps；

b) 只傳輸單缸缸壓數(shù)據(jù)時，靜態(tài)負載峰值負荷率為45%；傳輸4缸缸壓數(shù)據(jù)時，靜態(tài)負載峰值負荷率達到90%；

c) 在1臺4缸中型高壓共軌柴油機上的試驗表明，此系統(tǒng)在1 000～2 500 r/min的轉速下能夠實時采集4缸缸壓，利用采集到的缸壓計算得到的pi和pme符合實際情況；

d) 在1 500 r/min和2 500 r/min的轉速下，利用CANoe測得的實際總線負荷率為16.56%和25%，符合設計結果。

[1] Tokuta Inoue,Souichi Matsushita,Kiyoshi Nakanishi,

et al.Toyota Lean Combustion System-The Third Generation System[C]．SAE Paper 930873,1993.

[2] Matsushita S,Inoue T,Nakanishi K,et al.Development of the Toyota Lean Combustion System[C]．SAE Paper 850044,1985.

[3] Kwang Min Chun,Kyung Woon Kim.Measurement and Analysis of Knock in a SI Engine Using the Cylinder Pressure and Block Vibration Signals[C]．SAE Paper 940146,1994.

[4] Mark C Sellnau,Frederic A Matekunas,Paul A Battiston,et al. Cylinder-Pressure-Based Engine Control Using Pressure-Ratio-Management and Low-Cost Non-Intrusive Cylinder Pressure Sensors[C]．SAE Paper 2000-01-0932.

[5] Paljoo Yoon,Seungbum Park,Myoungho Sunwoo,et al.Closed-Loop Control of Spark Advance and Air-Fuel Ratio in SI Engines Using Cylinder Pressure[C]．SAE Paper 2000-01-0933.

[6] Dimitrios T Hountalas,Antonis A Antonopoulos,Georgios N Zovanos,et al.Evaluation of a New Diagnostic Technique to Detect and Account for Load Variation during Cylinder Pressure Measurement of Large-Scale Four-Stroke Diesel Engines[C]．SAE Paper 2012-01-1342.

[7] Guoming G Zhu,Chao F Daniels,James Winkelman.MBT Timing Detection and its Closed-Loop Control Using In-Cylinder Pressure Signal[C]．SAE Paper 2003-01-3266.

[8] FlexRay Consortium.FlexRay Communications System Protocol Specification Version 2.1 Revision A[M]．[S.l.]:[s.n.],2005.

[9] Freescale Semiconductor. MPC5644A Microcontroller Reference Manual[M]．[S.l.]:[s.n.],2012.

[編輯： 袁曉燕]

In-cylinder Pressure Acquisition System of Diesel Engine Based on Flexray Bus

CHENG Chi, LI Jian-qiu, FANG Cheng, GAO Guo-jing, YANG Fu-yuan

(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The in-cylinder pressure real-time acquisition system with low cost was developed with Flexray bus and the hardware module of the system was designed with MPC5644A single chip microcomputer. For the large data flow of in-cylinder pressure, the Flexray bus was optimized and the dual-buffer was realized by the software to guarantee the real-time transmission of in-cylinder pressure data. The in-cylinder data in Flexray bus was saved in real time by CANoe and its offline analysis was carried out with Matlab tool. On a 4-cylinder high-pressure common rail diesel engine, the acquisition system was verified. The results show that the system can collect the in-cylinder pressure data, transmit them to upper computer and save them in ASC file. With the saved data, the offline combustion analysis can be carried out.

in-cylinder pressure; data acquisition; Flexray bus; dual-buffer mechanism; offline analysis

2014-01-02；

2014-06-08

程 馳(1989—)，女，碩士，主要研究方向為車載網(wǎng)絡和發(fā)動機標定系統(tǒng)及其應用；chengchithu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.001

TK423.2

B

1001-2222(2014)03-0001-05