XCP协议详解：通用测量和标定协议
XCP协议详解：通用测量和标定协议
XCP（通用测量和标定协议）是汽车电子控制单元（ECU）开发过程中不可或缺的技术。本文将为您详细介绍XCP协议的工作原理、指令结构、测量模式以及性能分析等内容，帮助您全面了解这一重要技术。
XCP简介
XCP旨在为电子控制单元的开发流程提供支持。使用XCP协议可以访问ECU的内存，可以读出数据，以进行测量信号等操作，也可以写回数据，以进行标定参数等操作。这样的测量和标定的工作原理是什么？我们在电脑上使用测量和标定工具，例如CANape,这时我们可以在任何带有XCP接口的ECU上进行测量和标定。ECU和CANape之间的连接是通过Vector硬件接口卡建立的。我们可以把XCP驱动程序想象成告密者，它可以泄露内部信息，也可以根据请求更改内部变量的值。XCP协议遵从主从模式进行通信。CANape等测量和标定工具充当Master，XCP驱动程序则充当Slave。XCP驱动程序与ECU的CAN驱动程序通信，所以是通过CAN控制器连接到CAN总线。另一方面，XCP Master也通过硬件接口卡连接到CAN总线。Master可以通过CAN报文向Slave发送请求。例如Master要从ECU读取温度信息，则XCP读取请求将通过CAN总线以CAN报文的形式发送到Slave，然后XCP slave对CAN报文中包含的读取请求进行解析。接着它访问RAM并读出温度变量的值，并将值打包在新的CAN报文中，通过CAN总线再次发送回Master.Master收到报文后将立即对其处理，例如显示在CANape的Graphic窗口。
现在，我们详细介绍CAN报文中的XCP指令结构。Master始终使用某个指定的CAN-ID来发送指令(例如ID 0x200),slave也始终使用某个指定的CAN-ID进行应答(例如ID 0x201).每对Master-Slave连接都使用其自身的一对指定ID组。XCP指令本身位于CAN报文的数据场(Data Field)。CAN总线的数据场最大是8个字节。XCP指令的每一个字节包含一个称为PID的包标识符，Slave通过查看该PID即可确定执行哪条指令。举个例子，PID 0xF4表示SHORT_UPLOAD指令，也就是之前介绍的读取指令。剩余的7个字节包含Slave执行指令所需的信息。对于SHORT_UPLOAD指令，该信息为：请求的存储单元的地址。Slave可以发送肯定或者否定响应。肯定响应包含PID FF以及所请求字节的值。
下图中CANape标定窗口中的XCP指令序列代表真实标定流程。
标定流程从SET_MTA指令（PID：0XF6）开始。该指令为后续的内存访问设定一个起始地址。在本例中，内存访问的起始地址为0x00 00 00 96。
收到对SET_MTA指令的肯定响应后，Master继续发送DOWNLOAD指令（PID：0XF0）将数据（在本例中，该数据为值0x0A，1个字节）写入Slave的内存，也就是内存地址指针标记的存储单元。写入完成后，Master会发送SHORT_UPLOAD指令（CMD：0xF4）回读更改后存储单元的值，来完成标定流程。SHORT_UPLOAD指令包含起始地址（0x00 00 00 96）和数据长度（1个字节）。SHORT_UPLOAD指令还将用于从ECU连续读取多个单一值，这一点将在下一章介绍XCP提供的测量模式中讨论。
Polling模式
XCP提供两种不同的测量模式：Polling模式和同步数据采集模式（简称DAQ模式）。
CANape用户在测量配置窗口中可配置信号测量模式。
在本章中，你将了解Polling模式及其通信结构。在本章的末尾，我们将介绍这种测量模式的优缺点。
用户在CANape的测量配置中将需要测量的信号添加到测量信号列表。然后用户必须设置所需的测量模式及测量速率。XCP协议提供了两种不同的测量模式：Polling模式和DAQ(Data Acquisiton)模式。我们应该选择哪一种模式？接下来介绍两种模式以及它们的优缺点。①Polling模式。假设我们仅使用Polling模式以及10ms速率测量单个信号。我们将在图中时间线上显示不同的XCP请求和响应。为了测量单个信号值，Master将发送一个SHORT_UPLOAD指令，其中包含所请求信号的地址。Slave的响应将包含被测量的值。该值现在可以在CANape中显示，例如在Graphic窗口中显示。基于所选速率10ms后，Master将再发送一个SHORT_UPLOAD指令，测量所请求信号的另一个值。同样，对应的响应包含将包含该信号值，该值随后也将在Graphic窗口中显示。相应的请求响应序列将每10ms重复一次，直到测量结束。所以，使用Polling模式，始终需要两条XCP报文才能读出单个信号值。当然，我们通常不仅是测量单个信号，而是需要测量多个信号。所以，我们向测量信号列表中再添加一个信号，看看会发生什么。第二个信号也将使用Polling模式进行测量，并且同样采用10ms速率。每个SHORT_UPLOAD指令只能请求测量一个信号值。因此为了测量两个信号，将发送两个不同的SHORT_UPLOAD指令，分别用于测量两个信号。Master一次只能发出一个XCP请求。因此在收到前一个SHORT_UPLOAD指令的响应后，才能发送第二个SHORT_UPLOAD指令，这意味着两个测量到的值之间短暂延时。如前所述，同一对请求和响应序列将根据所选测量速率每10ms重复一次。多个信号值不能被同时测量，也就是不能同步测量。每两个信号值之间的测量存在延时，也就是只能异步测量。在整个测量期间，Master将一次又一次地每个周期内发送包含相同地址信息的SHORT_UPLOAD指令。总之，作为一种测量模式，Polling模式虽然易于理解和实现，但也存在一些严重的缺陷。使用Polling模式无法同步测量数据，也就是无法在同一精确的时间采集多个信号。Polling模式的请求和响应结构会产生不可忽视的额外总线负载。对于带宽非常有限的总线网络，如CAN总线，这甚至会导致报文延迟或导致严重的通信和功能错误。XCP提供的第二种测量模式可以弥补Polling模式的缺点，就是DAQ模式。如前所述，Polling模式按请求和响应结构运行，对信号的任何测量都需要Master在每个周期内发起。因此，在整个测量过程中，我们将观测到双向通信，也就是请求和响应在Master和Slave之间来回发送。但DAQ模式并不按这种请求和响应结构运行。一旦测量开始，Slave将在每个周期独立测量所选信号，并使用XCP报文将其发送到Master。因此，我们将只会观测到报文从Slave单向发送到Master。与Polling模式相比，在DAQ模式下，因测量带来的总线负载会小很多。而且报文将包含同步测量的信号值。
同步数据采集
在本章中，你将了解XCP协议最重要的功能，即使用DAQ模式同步测量数据。我们将介绍DAQ模式的各个阶段以及通信结构，并将DAQ模式与已知的Polling模式进行比较。简而言之，我们将介绍如何实现具有不同测量速率的DAQ测量模式，以及如何决定使用哪些速率来测量信号。
与Polling模式相比，任一DAQ测量模式的测量速率始终是固定的。这意味着你可能需要配置多种DAQ测量模式以供选择。比如一种速率固定为10ms，另一种速率固定为50ms，第三种固定为100ms。同样，与Polling模式相同，作为CANape用户，我们需要决定应使用哪种DAQ模式。当然，最关键的是如何给测量信号选择最合适的测量模式。每种DAQ测量模式在一开始都有一个短暂的初始化阶段。在这个阶段，Master会告知Slave应采用哪种DAQ测量模式测量哪些信号。这将通过多个XCP请求(固定的请求和响应序列)完成。在该初始化阶段，Master只向Slave发送一次关于应该测量哪些信号的信息。因此，slave必须将此信息存储在ECU RAM中所谓的DAQ列表中。使用同一DAQ测量模式测量的所有信号将被分布到同一DAQ列表中。发送所有初始化指令后，Master将发送最后一个XCP指令告知Slave开始进行测量。发送这个指令后，Master将在剩余的测量过程中保持静默，并等待Slave测量和发送被请求的信号值。在测量阶段，我们可以观测到Slave会在每个周期发送一串XCP报文。本例中测量周期为10ms,且Master在这过程中未发出任何请求。显然，这些报文包含被测量的信号值。与Polling模式相比，这些信bianl号值都是同步测量的，也就是同一时间被采集的。这是DAQ模式相比较于Polling模式的两个主要优势之一。DAQ模式的第二个关键优势是，产生的总线负载会小很多，因为Slave无需Master发出请求便可测量和发送信号值。当然，这只有设定了触发机制才有效，该机制会提醒Slave在每个周期测量和发送信号值，这个触发机制必须在ECU的软件中以XCP Event的形式实现。每个DAQ测量模式都对应一个单独可被循环触发的XCP Event。假设XCP Slave提供了三种DAQ测量模式，其测量速率分别为10ms、50ms和100ms.在这种情况下，必须在ECU的软件中实现以上三种触发速率的XCP Event。然后，我们在CANape中只能使用这三种DAQ测量模式，但我们选择哪一种DAQ模式来测量信号？接下来，我们将详细介绍XCP Event的实现，以解答最后一个关键的问题。下面有个源代码片段， 我们将使用该片段进行讨论。为便于理解，这里我们将源代码进行简化显示。大多数情况下，ECU都是周期性运行。例如某项任务1，可能使用循环计数器每10ms执行一次。另一项任务2，可能每50ms执行一次。如果要以10ms速率实现DAQ测量模式，必须调用任务1中的XCP Event。相应地，调用任务中的XCP Event可以实现速率为50ms的DAQ测量模式。大多数内部变量也是在这类周期性任务中计算的，例如测量列表中的信号，我们示例中前两个信号是在任务1中计算的。因此，每10ms将计算这些变量的新值。第三个信号是在任务2中计算的，因为每50ms更新一次。考虑到这点，显然只能以10ms速率测量前两个信号，以50ms速率测量第三个信号。如果我们以更快的速率测量这些信号，这将产生额外的负载，但却没有包含任何新的信息。如果以更慢的速率测量信号，则无法测量每个计算出来的信号值，并且会丢失部分信号值。总之，我们现在应该明白，对于每个信号，只有一种DAQ测量模式是适合的，即该DAQ模式的测量速率与信号的计算速率一致，或者与读入(比如从外部传感器)信号的速率相同。但是大多数情况下，我们的测量工具并不提供该信息。
性能分析
在本章中，你将了解DAQ测量的两个限制因素。我们将介绍VX1000系统，该系统通过高数据吞吐量和高测量速率来克服这些限制。
DAQ测量性能取决于两个因素。第一个因素是XCP通信的可用带宽，所有XCP报文都是通过现有传输层发送的。在本例中,Master与Slave通过can报文交换了XCP报文。这些被打包在CAN、FlexRay或Ethernet报文内部的XCP报文，会在通信网络中产生额外的总线负载。因此，DAQ测量带宽取决于网络空闲的可用总线负载。如果can网络的带宽介于250kB/s到1MB/s之间，这会对测量带来明显的限制。第二个限制因素是ECU分配给XCP驱动程序的计算能力，一般来说XCP驱动程序无法以快于1ms的速率进行测量。如果你的测量需要高数据吞吐量或高速率采集，基于现有CAN网络或FlexRay网络的XCP测量将无法满足要求。针对这些应用需求，Vector提供了VX1000系统。VX1000系统是一个可拓展的解决方案，以保证高数据吞吐量和高测量速率的极佳性能，来满足你的测量需求。使用VX1000系统，测量数据吞吐量可超过100MB/s,测量速率可快与10us。VX1000基础模块通过XCP on Ethernet的方式连接到CANape，同时它通过ECU的即插设备(POD)连接到ECU的调试接口，此时ECU不需要XCP驱动程序，而只需要VX1000驱动程序添加到ECU软件中。任何来自CANape的XCP请求将由VX1000基础模块处理。ECU内存中的内存将通过调试接口读出，这对ECU实时运行不会产生什么影响。