面向初学者的XCP——测量/校准协议是什么？

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面向初学者的XCP

测量/校准协议XCP入门

 

 

第一章、测量/校准协议是什么？

下面将说明，首先使用在汽车“控制”相关的产品开发中，测量/校准阶段的通用协议“XCP”。像是汽车或一般工业设备的与“控制”相关的产品开发中，存在着被称为“校准”或“适配”、“匹配”的过程（图1）。

 

图1：产品开发的过程和校准

 

在这个过程是将执行数字化控制的“电子控制单元（ECU：Electronic Control Unit）”、作为控制对象的执行器（Actuator）等“控制装置（Control Device）”和用于获得控制指标的“传感器（Sensor）”处于连接状态，并优化整体控制以符合需求定义的工作。具体来说，像是为了优化而改变ECU中的控制乘数和控制因素参数，或者访问ECU以确认变更后的结果的工作。

 

这里的访问ECU的协议被称为“测量/校准协议”。通过规定出作为访问侧的测量/校准工具和作为被访问侧的ECU之间的协议，即使是使用不同的微控制器或在不同的物理访问环境，也可以使用相同的协议进行测量/校准。

 

本文中，在介绍测量/校准和说明校准协议的必要性的同时，也说明了用于测量和校准的通用协议“XCP（Universal Calibration Protocol）”的优点和协议内容。最后将介绍其趋势和在基于模型开发中的具体案例，以及在混合动力汽车（HV：Hybrid Vehicle）和电动汽车（EV：Electric Vehicle）的开发中使用XCP的应用示例。

 

首先从“什么是测量/校准？”开始，然后说明其协议化和定位、优点和网络示例。

 

测量/校准是什么？

什么是“测量”呢？从术语的含义来讲，是“用仪器或设备来测量如长度、重量和速度等各种量值”。然后“校准”的术语的含义是“对条件、情况等的适配”。为了了解测量/校准是什么样的，首先以使用机械方式进行校准的“化油器（Carburetor）”来举例，然后讲解数字化的校准及其协议、测量。

 

对化油器的机械校准

化油器是为了使内燃机“燃烧”而混合燃料和空气的装置，为了制造适当的混合气体需要进行控制。这个控制是机械方式完成的，化油器根据来自油门（Accelerator）的输入来决定混合气体的燃料和空气的比例。

 

化油器有多个“螺丝”来确定混合气体中燃料和空气的比例。通过各个螺丝，除了可以决定怠速（Idling）、油门半开或全开时混合气体的比例情况，还可以进行调整以生成与发动机（Engine）和消声器（Muffler）等匹配的适当的混合气体。

 

这个调整行为本身就是一种校准。换句话说，在有着机械控制装置的化油器中，根据所连接的发动机和消声器等的物理条件、情况，进行混合气体的适配就是校准，校准的工具是“螺丝刀”，其作用对象是螺丝（图2）。

 

图2：对化油器的校准

 

在ECU中的校准

上述的化油器的混合气体的机械控制和燃烧控制，现在被数字化，并替换为ECU中的软件控制。类似曾经使用的螺丝的调整部件，在软件上全部被视为“参数”。然而，即使是在被软件控制所取代的情况下，有一点还是保持不变，即必须根据物理的条件/情况进行校准。因此，进行校准的工具，换句话说，替换机械的螺丝刀的工具还是需要的。为了进行校准而访问ECU的工具称为“校准工具”。

 

此外，在必须有校准工具的同时，“工具的统一化”也是必要的，可以从使用螺丝和螺丝刀的机械校准来考虑。比较理想的，像是螺丝刀可以与任何机械控制装置一起使用，也想要使用相同的工具对不同ECU软件的参数进行校准。

 

就这样，机械控制被替换为ECU中的软件控制，从如何实现校准过程的需求出发，就诞生了校准协议。表1中，展示了机械校准和ECU校准的类比。

 

表1：机械校准和ECU校准的比较表

 

机械的校准和测量

在机械控制的化油器的情况下，通过传感器测量混合气体和燃烧后排出的废气等，来获得校准的结果。总之，在校准的时候，必然需要进行测量。在机械的校准中，测量和校准是一对，可以说测量是获得校准结果的指标所必需的（图3）。

 

 

图3：测量和校准的关系

 

 

在ECU中的测量

数字化ECU的软件控制，也需要进行测量，按需要添加测量的项目。与上述机械的校准相同的是，需要使用传感器来测量最终的控制结果，除此之外，还需要测量控制软件的内部值。

 

通过测量该软件的内部值，可以调查软件控制本身的有效性。另外，ECU内的软件不仅进行混合气体的控制，还会进行燃烧控制等其它控制，以及进行综合的控制。在这种情况下，除非测量作为控制过程之间传递的值的软件内部值，否则不可能知道软件是否有效。

 

由于需要在与校准相同的条件下进行测量，并且需要访问ECU软件中的内部数据，所以校准工具始终包含作为“测量工具”的功能，测量和“协议化”成为统一的事情。

 

测量/校准协议

测量和校准在相同的环境下访问相同的目标，实现具有这一功能的测量/校准协议已经诞生。

 

本文的主角XCP是一种测量/校准工具和ECU软件之间的通信协议，可以访问要校准的参数和内部测量值。它也是一种通用协议，可以用在工具和软件之间的任何通信介质上，比如控制器局域网（CAN：Controller Area Network）、FlexRay和以太网等（图4）。

 

图4：XCP

 

测量/校准协议的历史

XCP作为通用测量/校准协议，现在最新的版本是1.1版。这里将简单介绍历史上XCP诞生的背景。

 

（1）CCP的诞生

作为旨在能够访问校准的参数和内部测量值的协议，“CCP”协议的最初版本（1.0版本），在1992年进行了标准化。CCP是“CAN Calibration Protocol”的缩写，是使用CAN的测量/校准协议的意思。在这之后，随着CCP功能追加，其版本也在增加，并于1999年到了2.1版本。这是CCP实质上的最终版本，在此之后的功能追加，都移交到了XCP。

 

（2）CCP的普及

随着CAN的普及，CCP被广泛使用。其背景是CAN用作访问ECU内部软件的通信媒介，可以以低成本实现通用的测量/校准。实际上，只需在连接到车载网络的ECU中集成CCP驱动程序，就有了对支持CAN的ECU进行测量/校准的可能性。

 

（3）从CCP到XCP

在CCP普及后，随着ECU性能的提高，测量/校准的要求需求也随之扩大。例如，对测量速度和测量点的数量的扩大，已经到了在CCP被标准化时所想不到的程度。此外，不仅是CAN，CAN以外的其它车载网络，例如FlexRay，已经被标准化和实际应用，这也是原因之一。

 

基于这些，XCP在继承了CCP标准之后，又增加了上述的新功能，然后作为可以处理不同网络的唯一的通用测量/校准协议，XCP的1.0版本在2003年被标准化。

 

什么是ASAM？

CCP和XCP由名为“自动化与测量系统标准化协会（ASAM：Association for Standardization of Automation and Measuring Systems）”的协会进行的标准化。ASAM正在规范汽车和工业设备相关的开发平台。另外，标准化的内容可以在ASAM网站上查看。

 

CCP和XCP是由ASAM旗下的名为“汽车电子（AE：Automotive Electronics）”的工作组进行标准化，并被分配到“MCD”领域。名称MCD来源于“Measurement”、“Calibration”和“Diagnostic”的首字母。

 

ASAM中CCP / XCP的定位

ASAM的标准规范文档的标准AE类别中，有称为“ASAM MCD-1 XCP”的规范文档，这是XCP的标准文件。同样的，CCP是以“ASAM MCD-1 CCP”的名义存在。图5显示了CCP/XCP在整个MCD标准中的位置。

 

图5：MCD标准和CCP/XCP

 

CCP/XCP是测量/校准系统的工具侧与ECU的通信协议，“ASAM MCD-2 MC”是包含以下三种内容的数据库文件的标准。

 

（1）CCP/XCP的通信设置信息
使用CAN的情况下，CAN的波特率和消息ID等

 

（2）测量值信息

测定对象的地址、大小以及物理值变换系数等。

 

（3）参数信息

校准参数的地址、大小以及物理值变换系数等。

 

也就是说，CCP / XCP是规定的协议本身，协议的设置和测量/校准的对象信息是在另外的数据库文件，工具基于数据库文件，使用CCP/XCP 来访问ECU。
※补充：图5中的“ASAM ASAP 3”是用于从外部来控制测量/校准系统的接口规范。

XCP的好处

接下来，将介绍XCP的主要优点。

 

（1）可以对所有ECU，进行统一的测量/校准

XCP考虑了各个ECU中使用的微控制器的字节序（Endian）和可用的ROM/RAM容量的差异，即使网络的通信介质不同也可以使用相同的协议。这使得对所有的ECU，可以只使用XCP来做测量/校准。

 

（2）测量/校准使用的是经过验证的协议

XCP在CCP的实绩的基础上，包含对ECU进行测量/校准的需求规格。而且，所有的协议都发布在ASAM网站上，任何人都可以使用它。在某些情况下，一些工具制造商免费提供了在ECU侧运行的协议处理软件和驱动程序。

 

（3）可以在ECU的运行中同步进行测量

一般的ECU会以预定的控制周期重复执行，基于来自传感器等的外部信息或别的处理过程的输入进行处理，再输出到别的处理过程或外部装置；或者根据输入因素的现象，来触发特定处理过程。使用XCP，可以在这些过程中同步测量输入/输出的数据（图6）。

 

图6：使用XCP的同步测量

 

如果仅需要进行测量/校准，那么使用车载网络上其它协议，例如用于车辆诊断的协议也是可以的，但是在校准过程中对控制的同步测量是不可或缺的。能够做这种对控制的同步测量，就是XCP的价值所在了。

 

各个XCP网络的示例

XCP在不同网络上使用相同的协议，实际上每个网络的数据包结构等都是标准化的。这被称为“传输层标准”。

 

XCP +“on”+ 网络名

 

以这个规则，将运行在其上的各个网络的名字前，附加上XCP。例如，在CAN上运行的XCP是“XCP on CAN”。

最后，列举出XCP的网络示例（表2）。

 

表2：XCP的网络示例

 

以上从“什么是测量/校准？”开始，解释了协议化的历史、协议的定位、优点和网络示例