采用Flexray总线通信的柴油机缸压采集系统

程 驰， 李建秋， 方 成， 高国景， 杨福源

(清华大学汽车安全与节能重点实验室， 北京 100084)

·设计计算·

采用Flexray总线通信的柴油机缸压采集系统

程 驰， 李建秋， 方 成， 高国景， 杨福源

(清华大学汽车安全与节能重点实验室， 北京 100084)

开发了采用Flexray总线通信的低成本缸压采集系统：基于MPC5644A单片机设计了缸压实时采集系统的硬件模块；针对缸压数据大流量的特点，对Flexray总线进行了优化设计，并通过软件实现了双缓存机制，保证缸压数据能够实时传输；通过CANoe把Flexray总线上的缸压数据进行实时储存，并利用Matlab对缸压数据进行离线分析。在1台4缸中型高压共轨柴油机上的试验表明：该采集系统能够实时采集缸压数据，能够通过Flexray总线把所有缸压数据传输到上位机并储存到ASC文件中，利用储存的数据能够离线进行相关的燃烧分析。

气缸压力； 数据采集； Flexray总线； 双缓存机制； 离线分析

柴油机作为车辆的主要动力来源之一，需要满足严苛的排放性、经济性、动力性和可靠性等要求。在柴油机的开发、控制和匹配过程中，需要对缸内燃烧状况进行分析，采用缸压信号是其中最常见的一种途径，可通过缸压来估计平均指示压力[1-2]、爆震参数[3]、空燃比[4]、放热率、最大压力升高率等常用指标。近年来，基于缸压信号的燃烧控制技术也成为学术界和工业界的热点[5-7]。利用缸压采集系统实时采集缸压，并把缸压记录下来进行离线分析，可以验证和优化柴油机开发、控制和匹配的结果。

本研究在基于缸压信号的燃烧控制系统的基础上，开发了使用Flexray总线的低成本柴油机缸压采集系统，不再需要燃烧分析仪或者高速数采卡，能够实时采集缸压信号，并通过Flexray总线发送到上位机进行储存，利用Matlab能够对缸压数据进行离线分析。

1 缸压采集系统硬件

清华大学国家节能与安全重点实验室发动机控制课题组于2008年开始，独立开发了多代缸内燃烧分析单元iCAT(in-Cylinder Combustion Analysis Tool)用于进行基于缸压的燃烧控制。iCAT 4.0采用汽车级单片机Freescale MPC5644A，实现了缸压信息的实时采集。本研究在此基础上实现缸压数据传输和存储的功能。

缸压数据采集系统由两个主要的模块组成：用于数据采集的AD模块和用于数据传输的Flexray通信模块。要求单片机进行AD采集的速度满足发动机最高转速下缸压数据的采集要求，并兼容Flexray Specification 2.1版本的FLexray通信模块。

缸压采集系统采用的微控制器是PowerPC 564XA系列汽车级芯片MPC5644A，该单片机相关模块的性能指标见表1。

表1 MPC5644A单片机性能指标

数据采集及传输的硬件原理图见图1。其中Flexray模块采用双通道模式，由两路差分信号组成，并在ECU端设置共模扼流圈和终端电阻以获得更好的电磁兼容性及共模噪声抑制。

2 数据传输方案

2.1 基本要求

iCAT 4.0的设计目标是能在5 000 r/min的转速下对4缸柴油机进行缸压采集。在保证数据精度要求的同时，为了降低单片机负荷，在每个气缸的压缩和做功冲程每隔0.2°采集1次缸压信号，而在排气和进气冲程每隔1°采集1次。每个气缸每循环共采集4 320 Byte的缸压数据(单个缸压数据的长度为2 Byte)。在5 000 r/min转速下，采集单缸缸压数据，平均带宽为1.44 Mbps；采集4缸所有的缸压数据，平均带宽为5.76 Mbps。基于Flexray总线的缸压采集系统需要满足在最高转速下将数据完整采集并存储的要求。

2.2 总线简介

Flexray总线传输的基本单元为通信循环，每个循环由静态段、动态段、符号窗和空闲组成。在本研究中，负责消息传输的主要部分是静态段。消息传输的基本单位为数据帧，每个帧最多可包含254 Byte的数据。

Flexray总线为时间触发的网络，在启动时要进行时间同步，需要至少3个冷启动节点(如果网络只有2个节点，则2个节点都必须是冷启动节点)。本研究实现的是单向数据传输系统，使用CANoe建立仿真节点与缸压采集单元连接，用于协助网络的同步和启动，并进行缸压数据的接收和存储。

2.3 传输方案设计

缸压采集系统需要将缸压数据实时采集并传输到PC机中。转速5 000 r/min下需要5.76 Mbps的平均带宽，Flexray总线的波特率为20 Mbps(两通道独立使用)，通过优化设计满足缸压数据传输的要求。

缸压的采集和传输方案有两种：采集完一个发动机循环的数据再进行传输，或是按照一定的周期对更新的数据进行定时传输。采用第二种方案在一个Flexray周期内传输的缸压数据量会存在差异，且不容易确定缸压和角度的对应关系；而在一个Flexray的循环内把采集到的一个发动机循环内的缸压数据完全发送，不需要额外发送角度信息，但这种方案主要存在3个问题：

1) 一个发动机循环数据为17 280 Byte(4缸同时储存)，需要较大的存储空间；

2) 由于数据采集和传输是同步进行的，需要保证过程中的数据完整性；

3) 由于全周期的数据在1个通信循环中传输，会提高网络的瞬时负荷，需要对带宽进行优化设计。

MPC5644A有192 kB的RAM空间，拥有足够的空间储存一个发动机循环的所有缸压数据；本研究设计了特殊的双缓存机制，能保证数据的完整性；同时，通过Flexray总线的设计和优化可满足负荷要求。

2.4 总线设计与参数优化

Flexray总线的波特率Bi最高为10 Mbps，但是在实际应用中，波特率会受到帧结构、帧编码方式、时隙分配和周期分配的限制，总线的最大带宽Ba通过下式计算：

Ba=Bi×fcons×fenc×fslot×fcycle。

式中：fcons为帧结构对带宽利用率的影响因子，本研究中取0.968；fenc为Flexray信号的编码的影响因子，Flexray协议对数据帧有固定的编码方式，主要包括TSS(传输开始)、FSS(帧开始)、BSS(字节开始)、FES(帧结束)，本研究中该影响因子取0.8；fslot，fcycle为网络设计参数所决定的影响因子，主要涉及到通信循环中的空闲时间长度和总时长的比例，最优情况下参数值接近于1，此处将其近似为1。根据以上分析，网络的最大可用带宽为7.74 Mbps。

缸压数据传输的基本参数见表2。

表2 缸压数据传输的基本参数

在实现数据传输之前，要对Flexray总线的协议参数进行计算，并对数据帧在循环中的位置进行分配。

每帧的数据最多为254 Byte，单缸每循环传输数据量为4 320 Byte，可在17.01个帧内传输完毕。设置每帧数据长度为240 Byte，则单缸数据放在18个数据帧内，4缸数据放在72个有效数据帧内。

只传输单缸缸压数据时，网络的最高负荷率为47.5%。并且由于A，B通道传输相同数据，因此AB通道的最高负荷率在相同时刻达到，并且数值相同。总线平均负荷率随着转速的不同而变化，转速越高，网络的平均负荷率越高。本研究设计的Flexray总线的平均负荷率在发动机转速为10 000 r/min时达到峰值负荷，此转速远高于发动机正常工况的最高转速，因此可保证网络传输的可靠性。

传输4缸缸压数据时，网络静态段传输的数据量最多为40×240 Byte，实际最多使用的有效数据量为36×240 Byte，总线的静态负载峰值负荷率为95%。同样，总线平均负荷率随着转速的不同而变化，转速越高，网络的平均负荷率越高。

网络协议关键参数有宏节拍(MT)包含微节拍(μT)个数NμT和循环宏节拍个数NMT。节点设计需要计算的关键参数包括静态段时间TS和静态段个数TN。

总线波特率选择10 Mbps，NμT最小为80个[8]，最大为120，本研究选择NμT=80。微节拍的长度(tμT)与单片机的采样频率相关，10 Mbps波特率下tμT=25 ns[9]。宏节拍的长度tMT=tμT×NμT=2 μs，根据循环长度和tMT可得到循环宏节拍个数NMT=6 000。

本研究的网络结构中，有效数据置于静态段，为了保证网络的高利用率，在网络设计时将其他部分尽可能简化。

静态段时间(TS)基于数据帧长度(Lframe)进行计算，保守设计为145个MT。静态段时隙的个数NS<41.1，此处静态段个数取为40。传输1缸数据仅用到18个ID作为有效数据帧。

每个节点必须有一个关键帧用于此节点和网络的时间同步，如果节点为冷启动节点，则关键帧同时用于启动和时间同步。本研究中网络由2个节点组成，因此有2个ID被关键帧占用，其中ECU端的启动帧可用于数据传输。但是为了方便试验的进行，使用CANoe设置2个节点用于启动网络，ECU节点可随时作为跟随冷启动节点加入，因此仍需要2个ID专门用于辅助启动。最终确定的Flexray总线时间结构见图2和图3。

2.5 数据传输程序

数据传输程序将网络驱动层和传输层通过接口连接起来。Flexray总线驱动层为上层模块提供与硬件独立的应用编程接口。

系统设计要求实现的功能是在一个通信循环(12 ms)内将缸压数据存入Flexray模块的缓存中，发送至总线上，最终被CANoe接收和记录。

Flexray总线的正常通信包括两个步骤：网络启动(初始化)和数据传输。网络启动的内部仲裁由单片机自动完成，需要手动操作的是对硬件和协议的初始化参数的配置，以及根据协议状态决定是否进行下一步的操作。

数据传输过程包括两个步骤：将有效数据更新至Flexray缓存区，以及将缓存中的数据传输至总线。涉及到的关键问题在于发动机转速和Flexray循环周期不一致以及避免出现发送数据和更新数据过程冲突。

采用的数据存储方式为双缓存机制，结构见图4。原理是将缸压数据轮流存储于两个缓存区域中，保证每个循环的缸压数据均被传输至总线上并且不会相互覆盖。将网络所有的时隙设置为事件传输模式(event-transmission mode)，如果缸压数据没有更新完成，不会对传输缓存进行更新，则网络上相应的时隙数据为空，这样也简化了后续的数据处理。图4所示双缓存机制有效地解决了缸压数据存储区域连续更新而导致的数据可能在传输之前就被覆盖的风险，并且保证缸压数据按照发动机循环的顺序进行传输。

2.6 数据的监控和存取

采用CANoe软件配合VN6700硬件Flexray接口进行总线数据的监控和存储。CANoe是一种可用于汽车车载网络与电控单元的测试、开发、分析和仿真的专业开发工具，它可实现对总线上的通信数据进行实时监控和记录：在Trace窗口中可以监控传输的缸压数据，并监控总线上出现的错误帧，判断网络传输状态；通过对log进行配置，可将总线上的数据用ASC格式将数据进行存储。

利用Matlab编写相应的程序对ASC进行解析，从中提取出缸压数据，基于这些缸压数据，可以进行离线的燃烧分析。

3 试验验证

3.1 试验条件

本研究中进行缸压数据采集使用的系统是课题组的发动机测试台架系统，该台架配备Horiba HT350瞬态交流电力测功机。所使用的发动机为1台直列4缸、缸内直喷、增压中冷柴油机，其技术规格和性能指标见表3。

表3 发动机技术规格和性能指标

使用的缸压传感器为一款电热塞一体式缸压传感器，采用压阻式测量原理，技术参数见表4。

表4 缸压传感器技术参数

3.2 试验结果

对4缸缸压数据传输的可行性和可靠性进行试验验证，并对1缸的缸压数据进行具体分析以验证数据传输的正确性。

在100 N·m，1 000～2 500 r/min工况下，选取10个转速点进行缸压采集。图5示出4个转速下单循环的缸压曲线。

由于扭矩不变，计算得到的pi为4.1 MPa，pme为2.6 MPa，发动机低速小负荷机械效率约为60%，与试验结果相符，验证了数据传输的可靠性。

缸压数据传输并非高实时性、高安全性的控制参数传输，可考虑使用AB通道传输不同的数据以提高传输带宽。在网络接近满负荷的情况下，可传输4缸的缸压数据，1 500 r/min转速下的缸压曲线见图6。

在1 500 r/min和2 500 r/min时，总线的理论负荷率分别为15%和25%，利用CANoe测量的总线负荷率分别为16.56%和25%，结果基本符合。

4 结论

a) Flexray循环周期为12 ms，单循环最多能够传递17 280 Byte数据，同时使用A通道和B通道，波特率设为10 Mbps；

b) 只传输单缸缸压数据时，静态负载峰值负荷率为45%；传输4缸缸压数据时，静态负载峰值负荷率达到90%；

c) 在1台4缸中型高压共轨柴油机上的试验表明，此系统在1 000～2 500 r/min的转速下能够实时采集4缸缸压，利用采集到的缸压计算得到的pi和pme符合实际情况；

d) 在1 500 r/min和2 500 r/min的转速下，利用CANoe测得的实际总线负荷率为16.56%和25%，符合设计结果。

[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.

[编辑： 袁晓燕]

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 驰(1989—)，女，硕士，主要研究方向为车载网络和发动机标定系统及其应用；chengchithu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.001

TK423.2

B

1001-2222(2014)03-0001-05