燃料電池城市客車數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(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)實時性又不增加額外控制器的前提下進(jìn)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(yīng)性，稍加改動即可應(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(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)存儲任務(wù)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(shè)計較為復(fù)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(wù)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(fù)擔(dān)，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(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(rèn)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(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(jìn)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(jìn)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(fù)雜的任務(wù)。