燃料電池城市客車數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)設計

在“863”國家重大專項燃料電池城市客車項目中，燃料電池發(fā)動機占有舉足輕重的地位。隨著對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，設計專用的燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)以記錄并分析其運行數(shù)據(jù)對于分析燃料電池發(fā)動機在車用工況下的特性有著十分重要的意義。

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15min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”。傳統(tǒng)車用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)僅為影響到汽車行駛安全的關鍵參數(shù)，如剎車信號、安全氣囊等，其存儲數(shù)據(jù)的時間跨度不長，并且隨著車輛的運行，新的數(shù)據(jù)會覆蓋前次記錄的數(shù)據(jù)。而燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的設計目的為分析燃料電池客車的運行狀態(tài)以及燃料電池在車用條件下的性能，需要記錄整車所有的運行參數(shù)。同時，為了保證記錄數(shù)據(jù)在時間上的完整性，在記錄數(shù)據(jù)被導入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行處理和保存之前，已記錄數(shù)據(jù)不會被覆蓋。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)動機控制系統(tǒng)，還具有較強的適應性，稍加改動即可應用于多種控制器。

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行數(shù)據(jù)記錄功能的開發(fā)，或者使用額外的處理器進行數(shù)據(jù)記錄功能的開發(fā)。前者的優(yōu)點是可以直接利用控制程序中的變量作為存儲數(shù)據(jù)，無需進行額外的變量傳遞和采集，但是處理器在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲任務時會占用正常工作資源，降低控制單元的實時性能；后者在運行過程中雖然不占用主控制器資源，但是需要通過外部總線、雙口RAM、模擬量采集等方式來獲取存儲數(shù)據(jù)，設計較為復雜，并且增加成本。總之，兩種常用的方案各有利弊。

在燃料電池城市客車控制系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)動機控制任務較多，加入數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)后，無疑會增加控制器CPU的負擔，降低控制的實時性與可靠性。另一方面，燃料電池數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)較多，如采用單獨的處理器，則需要進行大量的數(shù)據(jù)交換工作，會顯著增加成本。本文針對所述兩種方案的弊端，設計了一種新的數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)方案――使用燃料電池發(fā)動機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，相對于其他大部分車用處理器，該系列單片機擁有獨特的TPU模塊。TPU(Timer Processor Unit)，即時間處理單元。在該模塊的結構中，包括獨立的運算單元、程序空間、內(nèi)存區(qū)域、中斷系統(tǒng)、端口，可以認為TPU是一個嵌入在MPC5xx內(nèi)部的小型微處理器。

同常規(guī)的單片機程序不同，TPU模塊的程序由微碼編寫，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中。單片機復位完成后，在初始化任務中將TPU程序下載到TPU模塊的程序內(nèi)存，即DPTRAM中（如圖1左所示）。在此后的正常運行過程中，CPU總線同DPTRAM斷開(如圖1右所示)，TPU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RAM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的實時性。

在程序的正常運行過程中，TPU與CPU之間通過Host Interface（如圖2所示）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中斷的方式與CPU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)。MPC5xx系列單片機擁有兩個獨立的TPU模塊――TPUA和TPUB，共有8 KB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 B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雜的任務。