專利名稱：一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，涉及數(shù)據(jù)記錄與分析領(lǐng)域，尤其適用于大量數(shù) 據(jù)的采集與分析，屬于燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，對于燃料電池尤其是車用大功率燃料電池的特性，正處在研究探索階段，仍需要 通過大量的實驗數(shù)據(jù)來分析燃料電池的特性。雖然燃料電池臺架試驗可以得到燃料電池的運 行數(shù)據(jù)，但是車上的環(huán)境和實驗室的環(huán)境有很大的差異，燃料電池在惡劣的車用環(huán)境中表現(xiàn) 出來的特性是實驗室所無法觀察到的。此外，實驗室無法模擬實車運行的瞬態(tài)復(fù)雜工況，以 及實車運行時遇到的一些特殊情況。
在燃料電池城市客車的試運行過程中，由于各種原因會出現(xiàn)故障。記錄故障發(fā)生時的數(shù) 據(jù)對于分析故障原因、找到解決方案是很有意義的。綜上所述，對于燃料電池控制系統(tǒng)來說， 建立相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是十分必要的。
傳統(tǒng)的車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)一般用于記錄交通事故發(fā)生前一段時間(如15分鐘內(nèi))汽車的 一些運行參數(shù)，其作用類似于飛機上的"黑匣子"。這種數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的目的是進行 事故分析。因此，記錄的變量僅為關(guān)系到汽車行駛安全的幾個關(guān)鍵參數(shù)；相應(yīng)的，其記錄時 間范圍也僅限于事故發(fā)生前一段時間，記錄數(shù)據(jù)會覆蓋己記錄內(nèi)容。針對于燃料電池客車， 其數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的意義在于分析燃料電池在不同條件下的表現(xiàn)以及整車的運行狀況，需要記 錄的數(shù)據(jù)為所有運行數(shù)據(jù)，并且涉及的時間跨度很長(一個月以上)，記錄數(shù)據(jù)不能覆蓋已記 錄內(nèi)容。因此，傳統(tǒng)的車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)很難滿足該要求。
在處理器的選擇方面，傳統(tǒng)的車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)分為兩種方案直接在控制單元的處理 器上進行數(shù)據(jù)記錄功能的開發(fā)，或者使用額外的處理器。但是，對于燃料電池客車數(shù)據(jù)支持 系統(tǒng)來說，以上兩種方案都存在著一定的缺陷。對于前一種方案，由于燃料電池控制器的任 務(wù)較多，并且各任務(wù)對實時性的要求較高，加入數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)后會占用控制器CPU的資源，
從而影響主控制任務(wù)的實時性。然而，燃料電池客車數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)量較大， 如采用單獨處理器，則需要采用外部總線、雙口RAM、模擬量采集等方式來獲取存儲數(shù)據(jù)， 設(shè)計較為復(fù)雜，會大幅增加成本。
燃料電池控制器的數(shù)字核心采用freescale公司的MPC5xx系列單片機，該系列單片機為 了適應(yīng)復(fù)雜的發(fā)動機噴油控制，設(shè)計了獨特的TPU模塊。TPU是Timer Processor Unit的縮 寫，即時間處理單元，設(shè)計最初的目的是為了進行柴油機噴油器控制等簡單的工作，是一個 嵌入單片機內(nèi)部的小型微處理器。在該模塊的結(jié)構(gòu)中，包括獨立的運算單元、程序空間、內(nèi) 存區(qū)域、定時器、中斷系統(tǒng)、端口等，可獨立于CPU完成一些簡單的任務(wù)。
Tra模塊的程序由微碼編寫，微碼經(jīng)過編譯器編譯后，集成在主程序工程文件中并由下 載線燒寫到單片機的flash里。單片機復(fù)位完成后，在初始化任務(wù)中將TPU程序下載到TPU 模塊的程序內(nèi)存，即DPTMM中。在此后的正常運行過程中，CPU總線同DPTRAM斷開，TPLJ模 塊通過TPU內(nèi)部總線從DPTRAM中取指令，并在TPU模塊內(nèi)部的運算單元中執(zhí)行，TPU擁有獨 立的RMI區(qū)和寄存器進行臨時變量的存放。因此，在正常運行過程中，TPU和CPU是相互獨 立的處理器，TPU的運行不占用CPU資源，從而不會影響主控制任務(wù)的實時性。在數(shù)字核心 的正常運行過程中，TPU與CPU之間通過Host Interface進行連接，CPU可以通過修改HSR 寄存器的值來觸發(fā)TPU運行，TPU可以通過產(chǎn)生CPU中斷的方式來與CPU進行交互。此外， CPU和TPU可以通過一段公共的內(nèi)存單元(Parameter RAM)交換數(shù)據(jù)。
經(jīng)過十幾年的發(fā)展，TPU模塊在功能上有了很大的提高，所能執(zhí)行的任務(wù)也從原有的噴油 擴展到發(fā)動機控制的各個方面。目前應(yīng)用于燃料電池控制器的MPC5xx單片機擁有兩個功能強 大的TPU3模i央——TPUA和TPUB。兩個模塊共用8K的程序存儲空間，每個TPU模塊擁有16 路輸入/輸出通道，以及256字節(jié)的Parameter RAM、 2個定時器，并可觸發(fā)16路中斷，能夠 獨立完成較為復(fù)雜的任務(wù)。
目前， 一種小型存儲卡——SD卡廣泛用于各種存儲場合，SD卡的全稱是Secure Digital Card,即安全數(shù)碼卡，是由日本松下公司，東芝公司和美國SANDISK公司共同開發(fā)研制的， 具有大容量，高性能，尤其是安全等多種特點的多功能存儲卡?，F(xiàn)多用于MP3，數(shù)碼攝像機， 電子圖書，微型電腦，AV器材等。隨著SD卡技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了SD， SD體積只有指甲蓋大 小，但可以存儲最多4G的容量，廣泛應(yīng)用于各種電子領(lǐng)域。隨著近年來存儲卡技術(shù)的發(fā)展， SD卡的成本也在不斷降低， 一片2G容量的SD市場售價只有幾十元。
產(chǎn)品化的ECU大多數(shù)需要提供絕對時間參照用以標識該ECU的壽命，實現(xiàn)該功能的常用 方案為增加時鐘芯片。如今市場上的時鐘芯片正向著高度集成化方向發(fā)展，逐漸將電池、晶 振集成到芯片內(nèi)部。隨著電池技術(shù)的發(fā)展及芯片功耗的降低，集成了電池的時鐘芯片壽命也 越來越長，可以達到數(shù)年之久。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前燃料電池對數(shù)據(jù)記錄的需要，提供一種以燃料電池主控制器 TPU模塊為控制單元的車用數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，用于對燃料電池大量運行數(shù)據(jù)的記錄和分析。
本系統(tǒng)在硬件上包括單片機(包括TPU模塊)、CAN網(wǎng)絡(luò)、電平轉(zhuǎn)換芯片、SD卡、實時 時鐘五個部分。
所述單片機為飛思卡爾公司的車用單片機，可以是MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx 系列，此類單片機均擁有TPU模塊。TPU模塊是嵌入在單片機內(nèi)部的一個小型處理單元，擁 有獨立的運算單元、內(nèi)存空間、端口資源、定時器以及獨立的代碼空間，可以運行簡單的程 序。TPU模塊在運行過程中，獨立于CPU模塊，不占用CPU的資源。同時，TPU和CPU之間有 一段公共的內(nèi)存區(qū)域Parameter RAM，可以進行數(shù)據(jù)的交流。TPU模塊一般用于控制與時間相 關(guān)的簡單任務(wù)，如柴油機的噴油等，在本發(fā)明中用于產(chǎn)生SPI時序及并口時序。MPC5xx系列 單片機擁有兩個獨立的TPU模塊，即TPUA和TPUB。在本例中，單片機的主控制單元CPU用 于對控制對象(如發(fā)動機、整車等)的控制，而其TPU模塊用于數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的操作。
所述CAN網(wǎng)絡(luò)為燃料電池ECU同燃料電池內(nèi)部節(jié)點控制器以及整車控制器通訊的接口。 通過CAN網(wǎng)絡(luò)，ECU可以接收到所有與燃料電池客車運行相關(guān)的數(shù)據(jù)。
所述電平轉(zhuǎn)換芯片為任一能在3. 3V和5V之間切換的芯片(常用的有SN74LVC2T45等)， 根據(jù)單片機和SD卡通訊SPI協(xié)議的要求，共需要四路轉(zhuǎn)換通道。
所述SD卡為任一兼容SD協(xié)議和接口的存儲卡，可以是目前市場上任意一種Micro-SD、 Mini-SD以及TD卡、CF卡。該部分主要用于數(shù)據(jù)的存儲，選擇的存儲卡容量越大，記錄周期 越長。
所述實時時鐘為任一具有時間記錄功能的時鐘芯片，作用為幫助控制單元獲取當前的絕 對時間。TPU通過并行接口對時鐘數(shù)據(jù)進行讀取，為了保證在控制單元斷電后時鐘的持續(xù)更 新，該部分應(yīng)使用內(nèi)置電池的芯片或者嵌入紐扣電池對芯片進行供電。
各部分的關(guān)系如下單片機的CAN接口同CAN網(wǎng)絡(luò)連接；單片機的TPUA端口同實時時鐘 相連；單片機的TPUB端口同電平轉(zhuǎn)換芯片連接，電平轉(zhuǎn)換芯片同SD卡相連。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖如圖l所示。
該系統(tǒng)的工作過程如下單片機從CAN網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，通過Parameter RAM將數(shù)據(jù)傳輸 給TPUB模塊，TPUB模塊通過電平轉(zhuǎn)換芯片，按照SPI時序?qū)?shù)據(jù)寫入SD卡。同時，單片機 的TPUA模塊通過并口時序從實時時鐘讀取當前時間，通過Parameter RAM將時間傳輸給CPU。 在整個過程中實現(xiàn)對當前時間的獲取和運行數(shù)據(jù)的存儲。
在軟件方面，該系統(tǒng)包括底層驅(qū)動軟件和上層分析軟件。底層驅(qū)動軟件為TPU模塊驅(qū)動 程序，用微碼編寫，用于讀取時鐘和寫SD卡，寫SD卡部分程序流程圖如圖2所示。上層分 析軟件用MATLAB的GUI模塊實現(xiàn)，該軟件可以實現(xiàn)從SD卡讀取數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)按照一定的格 式解析并導出文件、分析作圖等一系列工作。該軟件可以自動讀取配置文件獲取數(shù)據(jù)解析協(xié) 議，當由于控制程序發(fā)生改變導致存儲數(shù)據(jù)格式發(fā)生變化時，只需改動配置文件即可。
本發(fā)明使用燃料電池控制器數(shù)字核心MPC5xx的TPU模塊作為主控制器，可在既不影響主 控制任務(wù)實時性又不增加額外控制器的前提下進行數(shù)據(jù)的存儲和時間的獲取。本系統(tǒng)存儲數(shù) 據(jù)為整車運行全部數(shù)據(jù)，存儲時間范圍為客車運行的全過程，采用SD卡實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存 儲。為了在客車運行過程中獲取絕對時間，采用集成了電池(可使用5年)和晶振的時鐘芯 片DS12CR887進行時間的讀取。同時，針對于SD卡中記錄數(shù)據(jù)，利用MATLAB平臺設(shè)計了專 門的數(shù)據(jù)導出和分析軟件。
本數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)嵌入在燃料電池控制器內(nèi)部，利用數(shù)字核心的TPU模塊作為系統(tǒng)處理單 元，采用SD卡作為數(shù)據(jù)存儲器，并通過時鐘芯片讀取絕對時間。和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持記錄系統(tǒng) 相比，本發(fā)明擁有以下幾點優(yōu)勢
1利用主控制器的TPU模塊作為處理單元，可以做到既不影響燃料電池主控制任務(wù)，又 無需設(shè)計額外的控制單元和數(shù)據(jù)傳遞；
2記錄數(shù)據(jù)量大，記錄時間跨度長，在導出數(shù)據(jù)之前，已存儲數(shù)據(jù)不會被覆蓋；
3該系統(tǒng)無需在原有控制器基礎(chǔ)上進行大幅改動，增加的芯片體積小，便于嵌入式設(shè)計;
4配套的數(shù)據(jù)處理軟件可以對數(shù)據(jù)進行各種分析、整理，采用讀取配置文件獲取變量存 儲信息的方法兼容性較強。


圖1是數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。 圖2是數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)流程圖。
具體實施例方式
數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)包括兩個模塊，即時間日歷模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。如圖l為該系統(tǒng)控制結(jié) 構(gòu)圖，利用數(shù)字核心MPC5xx兩個TPU單元作為模塊控制器。其中，TPUA控制數(shù)據(jù)存儲模塊， TPUB控制時間日歷模塊。
數(shù)據(jù)存儲模塊中，SD卡和TPU間的通訊協(xié)議為SPI協(xié)議，利用TPUA的四個端口模擬SPI 協(xié)議進行通訊。由于數(shù)字核心為5V供電和信號系統(tǒng)，而SD卡為3.3V供電和信號系統(tǒng)，在二 者之間需要增加電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換二者電平標準以保證正常通訊。同時，使用單獨的電源芯 片為SD卡提供3. 3V供電系統(tǒng)。CPU將數(shù)據(jù)存入TPU和CPU都能訪問的公共RAM區(qū)，即Parameter RAM中，TPU從中讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送至SD卡。CPU利用內(nèi)部定時器中斷，每秒進行一次數(shù)據(jù)傳 輸，將數(shù)據(jù)拷貝至Parameter RAM中，并觸發(fā)HSR，從而啟動TPU模塊向SD卡發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。
TPU模塊的Parameter RAM區(qū)總共只有256個字節(jié)，但是SD卡一次寫入的最小單位為一 個block,即512字節(jié)。為了將512個字節(jié)的變量從CPU連續(xù)地寫入SD卡，本發(fā)明中設(shè)計了 緩存協(xié)議。具體協(xié)議內(nèi)容為收到CPU觸發(fā)信號后，TPU從RAM區(qū)的低地址開始寫，每寫完 128個字節(jié)后產(chǎn)生TPU中斷，通知CPU更新已寫區(qū)域的數(shù)據(jù)。這樣保證了TPU對SD卡寫時序 操作的連續(xù)性。
在時間日歷模塊中，時鐘芯片DS12CR887與外界接口為8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的并口總線。 使用數(shù)字核心的TPUB模塊作為時鐘芯片的控制器，該模塊的16個端口模擬并口時序?qū)r鐘 芯片進行操作。為了節(jié)約電池電量，DS12CR887在出廠時沒有開啟計時功能。因此，在電路 板調(diào)試階段需要對時鐘芯片的時間日期進行初始化，即寫相應(yīng)的寄存器，同時啟動計時功能， 之后時鐘芯片處于運行狀態(tài)。系統(tǒng)正常運行時，TPUB模塊通過讀取時間日期寄存器得到當前 時間，并將時間日期存入Parameter RAM區(qū)，CPU隨時可以通過讀Parameter RAM區(qū)獲取當 前的時間日期等信息。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括含TPU模塊的單片機、CAN網(wǎng)絡(luò)、電平轉(zhuǎn)換芯片、SD卡、實時時鐘五個部分；含TPU模塊的單片機的CAN接口同CAN網(wǎng)絡(luò)連接；含TPU模塊的單片機的TPUA端口同實時時鐘相連；含TPU模塊的單片機的TPUB端口同電平轉(zhuǎn)換芯片連接，電平轉(zhuǎn)換芯片同SD卡相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，其特征在于，所述含 TPU模塊的單片機為飛思卡爾公司的MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx系列車用單片機任 意之一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，其特征在于，所述 CAN網(wǎng)絡(luò)是燃料電池ECU同燃料電池內(nèi)部節(jié)點控制器以及整車控制器通訊的接口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),其特征在于，所述電 平轉(zhuǎn)換芯片為能在3. 3V和5V之間切換的芯片，且需要四路轉(zhuǎn)換通道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),其特征在于，所述電 平轉(zhuǎn)換芯片為SN74LVC2T45。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),其特征在于，所述SD 卡為兼容SD協(xié)議和接口的存儲卡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),其特征在于，所述SD 卡為Micro-SD、 Mini-SD、 TD卡、CF卡任意一種。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng),其特征在于，所述實 時時鐘為具有時間記錄功能的時鐘芯片，作用為幫助控制單元獲取當前的絕對時間；所述時 鐘芯片使用內(nèi)置電池的芯片或者嵌入紐扣電池對芯片進行供電。
全文摘要
一種燃料電池城市客車的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，適用于大量數(shù)據(jù)的采集與分析，屬于燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括含TPU模塊的單片機、CAN網(wǎng)絡(luò)、電平轉(zhuǎn)換芯片、SD卡、實時時鐘五個部分；含TPU模塊的單片機的CAN接口同CAN網(wǎng)絡(luò)連接；含TPU模塊的單片機的TPUA端口同實時時鐘相連；含TPU模塊的單片機的TPUB端口同電平轉(zhuǎn)換芯片連接，電平轉(zhuǎn)換芯片同SD卡相連。所述單片機為飛思卡爾公司的MC68HC系列、MC68K系列以及MPC5xx系列車用單片機。本發(fā)明既不影響燃料電池主控制任務(wù)，又無需設(shè)計額外的控制單元和數(shù)據(jù)傳遞；記錄數(shù)據(jù)量大，記錄時間跨度長，在導出數(shù)據(jù)之前，已存儲數(shù)據(jù)不會被覆蓋；兼容性較強。
文檔編號G07C5/00GK101369352SQ20081022403
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者華劍鋒, 徐梁飛, 李建秋, 林辛凡, 歐陽明高, 胡明寅 申請人:清華大學