燃料電池城市客車(chē)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在“863”國(guó)家重大專項(xiàng)燃料電池城市客車(chē)項(xiàng)目中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)占有舉足輕重的地位。隨著對(duì)燃料電池控制研究的逐漸深入，新的控制策略需要了解燃料電池在車(chē)用惡劣環(huán)境下的性能變化，以及燃料電池同其他部件之間的配合情況。因此，設(shè)計(jì)專用的燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)以記錄并分析其運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)于分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)用工況下的特性有著十分重要的意義。

傳統(tǒng)的車(chē)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(shí)間（如15min內(nèi)）汽車(chē)的一些運(yùn)行參數(shù)，其作用類(lèi)似于飛機(jī)上的“黑匣子”。傳統(tǒng)車(chē)用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)僅為影響到汽車(chē)行駛安全的關(guān)鍵參數(shù)，如剎車(chē)信號(hào)、安全氣囊等，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度不長(zhǎng)，并且隨著車(chē)輛的運(yùn)行，新的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋前次記錄的數(shù)據(jù)。而燃料電池?cái)?shù)據(jù)支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為分析燃料電池客車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)以及燃料電池在車(chē)用條件下的性能，需要記錄整車(chē)所有的運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)，為了保證記錄數(shù)據(jù)在時(shí)間上的完整性，在記錄數(shù)據(jù)被導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行處理和保存之前，已記錄數(shù)據(jù)不會(huì)被覆蓋。本文所述的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，利用燃料電池控制器的TPU模塊作為控制單元，可在既不影響主控制任務(wù)實(shí)時(shí)性又不增加額外控制器的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和時(shí)間的獲取。

本文所述的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，不僅適用于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，稍加改動(dòng)即可應(yīng)用于多種控制器。

1 數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)處理器選型

常規(guī)的車(chē)用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)有兩種方案：直接在控制單元的處理器上進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄功能的開(kāi)發(fā)，或者使用額外的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄功能的開(kāi)發(fā)。前者的優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用控制程序中的變量作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行額外的變量傳遞和采集，但是處理器在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)時(shí)會(huì)占用正常工作資源，降低控制單元的實(shí)時(shí)性能；后者在運(yùn)行過(guò)程中雖然不占用主控制器資源，但是需要通過(guò)外部總線、雙口RAM、模擬量采集等方式來(lái)獲取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，并且增加成本?？傊?，兩種常用的方案各有利弊。

在燃料電池城市客車(chē)控制系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)較多，加入數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)后，無(wú)疑會(huì)增加控制器CPU的負(fù)擔(dān)，降低控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。另一方面，燃料電池?cái)?shù)據(jù)支持系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)較多，如采用單獨(dú)的處理器，則需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換工作，會(huì)顯著增加成本。本文針對(duì)所述兩種方案的弊端，設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)方案――使用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元處理器中的TPU模塊作為數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的運(yùn)算單元。

燃料電池控制器數(shù)字核心為Freescale公司的MPC5xx系列單片機(jī)，相對(duì)于其他大部分車(chē)用處理器，該系列單片機(jī)擁有獨(dú)特的TPU模塊。TPU(Timer Processor Unit)，即時(shí)間處理單元。在該模塊的結(jié)構(gòu)中，包括獨(dú)立的運(yùn)算單元、程序空間、內(nèi)存區(qū)域、中斷系統(tǒng)、端口，可以認(rèn)為T(mén)PU是一個(gè)嵌入在MPC5xx內(nèi)部的小型微處理器。

同常規(guī)的單片機(jī)程序不同，TPU模塊的程序由微碼編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)編譯器編譯后，集成在主程序工程文件中并由下載線燒寫(xiě)到單片機(jī)的Flash中。單片機(jī)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DPTRAM中（如圖1左所示）。在此后的正常運(yùn)行過(guò)程中，CPU總線同DPTRAM斷開(kāi)(如圖1右所示)，TPU模塊通過(guò)TPU內(nèi)部總線從DPTRAM中取指令，并在TPU模塊內(nèi)部的運(yùn)算單元中執(zhí)行，TPU擁有獨(dú)立的RAM區(qū)和寄存器進(jìn)行臨時(shí)變量的存放。因此，在正常運(yùn)行過(guò)程中，TPU和CPU是相互獨(dú)立的處理器，TPU的運(yùn)行不占用CPU資源，從而不會(huì)影響主控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性。

在程序的正常運(yùn)行過(guò)程中，TPU與CPU之間通過(guò)Host Interface（如圖2所示）進(jìn)行連接，CPU可以通過(guò)修改HSR寄存器的值來(lái)觸發(fā)TPU運(yùn)行，TPU可以通過(guò)產(chǎn)生CPU中斷的方式與CPU交互。此外，CPU和TPU可以通過(guò)一段公共的內(nèi)存單元(Parameter RAM)交換數(shù)據(jù)。MPC5xx系列單片機(jī)擁有兩個(gè)獨(dú)立的TPU模塊――TPUA和TPUB，共有8 KB的程序存儲(chǔ)空間。每個(gè)TPU模塊擁有16路輸入/輸出通道，以及256 B的Parameter RAM、2個(gè)定時(shí)器，并可觸發(fā)16路中斷，能夠獨(dú)立完成較為復(fù)雜的任務(wù)。