基于AUT0SAR的車用控制器軟件開發(fā)

引言

汽車自誕生百余年來,已經(jīng)從純粹的機(jī)械時(shí)代逐漸進(jìn)化到了如今的智能、網(wǎng)聯(lián)、電動(dòng)、自動(dòng)化時(shí)代,軟件、芯片、計(jì)算能力等正變得越來越重要。當(dāng)前汽車行業(yè)上的創(chuàng)新和發(fā)展趨勢,絕大部分也都體現(xiàn)在電子電氣領(lǐng)域。軟件在汽車的總體價(jià)值中,所占比重正在逐步增長。對0EM而言,軟件的可重用性、代碼質(zhì)量和開發(fā)效率顯得至關(guān)重要,它可以幫助更好地平衡車型研發(fā)成本、開發(fā)周期和質(zhì)量之間的關(guān)系。

AUT0SAR作為汽車電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),致力于解決硬件平臺(tái)不同帶來的軟件開發(fā)的困難。通過提供標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口定義,將應(yīng)用層軟件（SWC)和硬件平臺(tái)解耦,軟件組件可以按需分配到不同的ECU中,實(shí)現(xiàn)軟件組件的可重用性,大幅提高開發(fā)效率,已被主機(jī)廠廣泛采用。

1基于模型的功能開發(fā)

汽車上控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)包含運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用軟件,運(yùn)行環(huán)境包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、通信協(xié)議棧以及網(wǎng)絡(luò)管理、診斷應(yīng)用等服務(wù)。對主機(jī)廠而言,關(guān)心的是和功能掛鉤的應(yīng)用軟件。為保證應(yīng)用軟件開發(fā)質(zhì)量,盡快達(dá)到可靠的成熟度以及實(shí)現(xiàn)功能可重用性,同時(shí)減少功能開發(fā)對供應(yīng)商的依賴性,通常采用以模型為基礎(chǔ)（MOdel-BaSed)的功能軟件架構(gòu)開發(fā)方式。在功能模型的基礎(chǔ)上,獲得系統(tǒng)描述規(guī)范,進(jìn)一步獲得自動(dòng)軟件代碼生成器。

以泊車輔助功能為例,利用內(nèi)嵌在車后保險(xiǎn)杠上的4個(gè)接近傳感器（超聲波傳感器)探測后方障礙物,根據(jù)車輛接近障礙物的距離,發(fā)出不同頻率的警告聲。后視攝像頭提供倒車可視畫面,整個(gè)輔助系統(tǒng)可以由駕駛員使能（選擇激活或者不激活)。采用基于模型的功能開發(fā)思路,將系統(tǒng)的功能拆解為各個(gè)小功能塊,如傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、泊車輔助算法等,分別對應(yīng)不同的軟件組件（SWC),各功能塊之間通過AUT0SAR標(biāo)準(zhǔn)接口（如S/R、C/S接口等)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。泊車輔助系統(tǒng)的功能模型如圖1所示。

2控制器AUTOSAR軟件開發(fā)

2.1AUTOSAR軟件開發(fā)流程

功能模型開發(fā)是控制器軟件開發(fā)的基礎(chǔ),控制器最終的軟件開發(fā)取決于功能塊的部署。一種基于AUT0SAR的車用控制器軟件開發(fā)流程如圖2所示。

第一步,采用基于模型的E/E架構(gòu)開發(fā)工具PREEviSiOn進(jìn)行功能模型開發(fā),并部署到硬件控制器。基于功能模型,提取AUT0SAR系統(tǒng)描述文件和ECU抽取文件。

第二步,將系統(tǒng)描述文件（.arxml)導(dǎo)入MATLAB/Simulink中搭建功能控制算法模型,完成控制器應(yīng)用層軟件組件開發(fā)。

第三步,將ECU抽取文件(arxm1）導(dǎo)入到協(xié)議棧配置工具VectOrDaVinciCOnfiguratOr中,配置AUTOSAR運(yùn)行環(huán)境,包括RTE、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議棧、底層驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)管理/診斷等服務(wù)模塊。

四步,兩部分代碼集成編譯以及調(diào)試,之后下載到控制器中,完成整個(gè)AUTOSAR軟件開發(fā)過程。

2.2系統(tǒng)功能模型開發(fā)

針對泊車輔助功能,按圖1在PREEviSiOn中搭建泊車輔助功能軟件架構(gòu)模型（SWC、端口、Interface/DE、數(shù)據(jù)類型等）,并進(jìn)一步詳細(xì)定義各SWC的內(nèi)部行為,如RTEEvent、Runnab1e、變量等。這些軟件組件屬于AUTOSAR應(yīng)用層,完全獨(dú)立于硬件,可在不同項(xiàng)目、不同平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)復(fù)用。之后,將各功能部署到對應(yīng)控制器并進(jìn)行信號路由,完成通信層設(shè)計(jì)。表1是泊車輔助系統(tǒng)功能軟件組件定義,圖3是泊車輔助控制器（PAC）的功能部署實(shí)例。

2.3應(yīng)用軟件開發(fā)

MATLAB/Simu1ink提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境,在該環(huán)境中,無需大量手寫程序,只需通過直觀地構(gòu)建算法模型便可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。EmbeddedCOder具有生成可讀、緊湊且高效的C和C++代碼的功能,以便用于各種嵌入式處理器和量產(chǎn)微處理器,同時(shí),EmbeddedCOder支持生成AUTOSAR和ASAP2軟件標(biāo)準(zhǔn)的代碼。基于上述兩個(gè)工具,可以實(shí)現(xiàn)控制器應(yīng)用層軟件控制算法的圖形化設(shè)計(jì)和代碼自動(dòng)生成。

基于Simu1ink的軟件組件開發(fā)主要是對AUTOSAR軟件組件內(nèi)部行為（Interna1BehaviOr）的實(shí)現(xiàn),即實(shí)現(xiàn)運(yùn)行實(shí)體（Runnab1eEntity）中的內(nèi)部控制算法。PREEviSiOn/AUTOSAR中模型元素和MATLAB/Simu1ink元素對照如表2所示。

在PREEviSiOn中已經(jīng)定義了泊車輔助控制系統(tǒng)中所有的軟件組件（SWC）及其內(nèi)部行為（如運(yùn)行實(shí)體、RTE事件、運(yùn)行實(shí)體間變量、變體等）,這些內(nèi)容通過AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)接口arxm1文件直接轉(zhuǎn)換為Simu1ink模型,這是一種"自上而下"的正向開發(fā)流程。其中,導(dǎo)入MATLAB中的語句如下:

//讀取本地arxm1文件

impOrterObj=arxm1.impOrter('PAC)V2.l.arxm1'）

//創(chuàng)建SOftWareCOmpOSitiOn的Simu1ink模型impOrterObj.createCOmpOSitiOnASMOde1

('/SOftWareTypeS/COmpOnentTypeS/xCUEcuCOmp','MOde1PeriOdicRunnab1eSAS','FunctiOnCa11SubSyStem'）

圖4是PAC中的數(shù)據(jù)融合軟件組件導(dǎo)入到Simu1ink中生成的模型示意,其他軟件組件模型類似。

在該模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完成各函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)的內(nèi)部控制算法的實(shí)現(xiàn),然后即可通過Bui1dMOde1生成符合AUTOSAR規(guī)范的軟件組件代碼（*.c和*.h文件）及arxm1描述文件。生成代碼之前需要配置以下內(nèi)容:

(1）AUTOSARPrOpertieS以及Simulink-AUTOSARMapping設(shè)置:

(2）系統(tǒng)目標(biāo)文件設(shè)置為autOSar.tlc:

(3）配置求解器(SOlver）步長模式為定步長(Fixe4-Step）。

通過Simulink生成的AUTOSAR描述文件,反過來,也可以重新導(dǎo)入至PREEviSiOn中從而將軟件開發(fā)人員在Simulink中對軟件組件做出的修改同步到PREEviSiOn中完善功能架構(gòu)模型。二者之間的數(shù)據(jù)傳遞交互過程如圖5所示。

2.4基礎(chǔ)軟件及RTE開發(fā)

AUTOSAR軟件體系架構(gòu)中,在應(yīng)用層(ApplicatiOnLayer）之下是與硬件相關(guān)的基礎(chǔ)軟件層(BaSicSOftWareBSW）,兩者之間設(shè)立了一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境(RunTimeEnvirOnment,RTE）,從而形成分層體系架構(gòu)。OEM專注于RTE上層和功能相關(guān)的應(yīng)用層軟件,而基礎(chǔ)軟件層則得到了標(biāo)準(zhǔn)化,可以由底層軟件配置工具生成實(shí)現(xiàn)。

ECU底層軟件配置包含RTE和基礎(chǔ)軟件層模塊的配置。DaVinciCOnfiguratOrPrO是一個(gè)專門用于AUTOSAR規(guī)范ECU級的開發(fā)工具可以很方便地搭建符合AUTOSAR規(guī)范的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),并對諸如通信、診斷、網(wǎng)絡(luò)管理、硬件I/O等進(jìn)行配置、驗(yàn)證和代碼生成。

對于PAC控制器在DaVinciCOnfiguratOr新建一個(gè)AUTOSAR工程,加載從PREEviSiOn中導(dǎo)出的ECU提取文件(*.arxml）以CAN模塊為例,其配置參數(shù)如下:

(1）CanCOntrOllerS通用配置。

BuSOffPrOceSSing:用于處理BuSOff事件中斷或者輪詢:

ClOckFreQuency[MqH]:設(shè)置CAN模塊的時(shí)鐘:

PzySicalNO4e:CAN節(jié)點(diǎn):

Rx/TxPrOceSSing:接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的處理方式,中斷或者輪詢。

(2）CanCOntrOllerS波特率配置。

COntrOllerBau4Rate:設(shè)置CAN波特率的值:

BRP:波特率預(yù)分頻因子:

COntrOllerPrOpSeg/Seg1/Seg2:設(shè)置傳播端時(shí)間/采樣點(diǎn)時(shí)間:

COntrOllerSynchumpWi4tz:設(shè)置同步跳躍寬度,用于重同步。

(3）CanCOntrOllerS過濾器配置。

FilterCO4e/MaSkValue:過濾器設(shè)計(jì)成CO4e和MaSk兩個(gè)部分通過條件為Receive4CANID&MaSk==CO4e。

(4）Canqar4WareObjectS配置。

COntrOllerRef:硬件MO所屬的CAN節(jié)點(diǎn):

I4Type:標(biāo)準(zhǔn)幀或者擴(kuò)展幀:

I4Value:CANID:

ObjectType:設(shè)置接收還是發(fā)送。

(5）CanGeneral配置。

BaSeA44reSS:寄存器的基地址:

ClOckDivi4er:時(shí)鐘分頻器:

ClOckDivi4erMO4e:時(shí)鐘分頻器的模式,NOrmal:fCAN=fSYS*1/n。

PAC控制器中其他模塊配置,如DCM&DEM(診斷模塊）、EcuM(ECU管理模塊）、RTE以及OS(Runnable和TaSk映射）等,此處不展開。

AUTOSARBSW中,微控制器抽象層(MCAL）是跟硬件強(qiáng)相關(guān)的。MCAL主要包含了硬件驅(qū)動(dòng)程序,用來訪問內(nèi)存、通信和I/O這部分代碼一般由芯片供應(yīng)商提供MCAL配置工具生成.c和.z文件,如英飛凌MACL配置工具。

2.5編譯與調(diào)試

在完成AUTOSAR系統(tǒng)級、ECU級以及軟件組件相關(guān)開發(fā)與代碼生成工作之后需進(jìn)行代碼集成與調(diào)試。完整的符合AUTOSAR規(guī)范的ECU代碼包含以下四部分:

(1）應(yīng)用層軟件組件代碼(由Simulink生成）:

(2）運(yùn)行時(shí)環(huán)境RTE代碼(由DaVinciCOnfiguratOr生成）:

(3）基礎(chǔ)軟件BSW代碼(不含MCAL由DaVinciCOn-figuratOr生成的動(dòng)態(tài)代碼＋部分靜態(tài)代碼）:

(4）MCAL代碼(由芯片供應(yīng)商MCAL配置工具生成）。

代碼集成編譯的過程如圖6所示,需要選擇跟硬件匹配的編譯器比如PAC控制器用的是AURIx系列單片機(jī),可選擇TASKING或者qigzTec。代碼編譯通過之后,使用調(diào)試器將可執(zhí)行文件燒寫到硬件中進(jìn)行軟件調(diào)試和優(yōu)化。

3系統(tǒng)仿真

在前期系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)過程中,可以輔助以仿真工具進(jìn)行模擬及驗(yàn)證確保前期功能邏輯以及通信矩陣設(shè)計(jì)的正確性。仿真的通信數(shù)據(jù)庫arxml文件由PREEviSiOn導(dǎo)出,導(dǎo)入CANOe中可自動(dòng)生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。前期的功能邏輯可以由CAPL進(jìn)行編寫,也可以利用Simulink中搭建好的算法模型,轉(zhuǎn)化為d11庫文件。將d11文件導(dǎo)入CANOe仿真工程中對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)便可進(jìn)行功能仿真,驗(yàn)證算法邏輯正確性。CANOe中系統(tǒng)仿真示意如圖7所示。

4結(jié)語

本文提出了一種基于AUTOSAR的車用控制器軟件開發(fā)流程和實(shí)現(xiàn)方法,結(jié)合當(dāng)前最主流的基于模型的開發(fā)思路,從功能模型開發(fā)到應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)軟件開發(fā)、集成與調(diào)試以及系統(tǒng)開發(fā)過程中的仿真驗(yàn)證,基于這一整套完善的方法和流程可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)各功能應(yīng)用的跨車型、跨平臺(tái)的可重用性。同時(shí),在充分的AUTOSAR工具鏈的支持下,可以大幅提高符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)效率,同時(shí)保證軟件開發(fā)的質(zhì)量。