基于代碼生成的車(chē)身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    在車(chē)身電子方面，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了系列的研究。上海理工大學(xué)陳家琪等人利用工控機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)采集卡以及CAN總線智能接口，構(gòu)建了一個(gè)集中式的車(chē)身電子試驗(yàn)臺(tái)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)焦曉偉等人采用Stateflow圖形化建模工具構(gòu)建符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)身應(yīng)用層軟件模型，再利用Targetlink代碼生成工具基于模型實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成。而英國(guó)Warwick大學(xué)的Yue Guo等人，則比較了基于SysML和基于“Simulink+Stateflo-w”的開(kāi)發(fā)方法在駕駛信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用基于框架結(jié)構(gòu)和高級(jí)語(yǔ)言描述的車(chē)身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法，采用UML建模工具實(shí)現(xiàn)程序代碼的自動(dòng)生成，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化車(chē)身網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高軟件可重用度，降低開(kāi)發(fā)成本，減少人為錯(cuò)誤。

1 EA及代碼生成功能
    Enterprise Architect(EA)是澳大利亞Sparx Systems公司開(kāi)發(fā)的一套UML建模及設(shè)計(jì)平臺(tái)。EA體積小巧，使用簡(jiǎn)便，對(duì)UML標(biāo)準(zhǔn)的支持完整；除支持UML2．0標(biāo)準(zhǔn)的所有13種圖形之外，還支持其他的擴(kuò)展圖，包括分析圖、自定義圖、需求圖、維護(hù)圖、用戶(hù)界面圖、數(shù)據(jù)庫(kù)模式
圖、文檔、業(yè)務(wù)建模與業(yè)務(wù)交互圖等。
    為便于擴(kuò)展、定制以及二次開(kāi)發(fā)，EA提供了豐富的SDK。代碼模板框架(Code Template Framework，CTF)是SDK的一部分，EA的代碼生成功能正是通過(guò)基于此框架的代碼生成模板實(shí)現(xiàn)的。代碼生成模板指定了從UML元素到給定編程語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換過(guò)程，其修改通過(guò)代碼模板編輯器實(shí)現(xiàn)。打開(kāi)方法為EA主菜單Settings→Code Generation Template，或使用快捷鍵Ctrl+Shift+P。代碼生成模板以純文本形式編寫(xiě)，其語(yǔ)法風(fēng)格兼具標(biāo)記語(yǔ)言和腳本語(yǔ)言的語(yǔ)法特性。這種語(yǔ)法主要關(guān)注三種基本結(jié)構(gòu)：
    (1)字面文本。在代碼生成模板中，除了空行將被忽略以外，所有不是宏或變量的定義及引用的文本，都將作為字面文本而直接輸出到生成的代碼中。如：
    class ％ className％
    (2)宏。宏既可用于訪問(wèn)UML模型中的元素值，又可用于對(duì)生成的代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。所有的宏都有兩個(gè)百分號(hào)％包含其中。CTF中包含模板替代宏、域替代宏、標(biāo)記值替代宏、控制宏、函數(shù)宏和EASL代碼生成宏6種基本的宏。正是這些豐富的宏定義造就了EA強(qiáng)大的代碼生成功能。仍以上例說(shuō)明，“％className％”就是一個(gè)域替代宏，在生成的代碼中將以當(dāng)前的類(lèi)名替代，故若當(dāng)前類(lèi)為Foo，則語(yǔ)句的輸出為“cl-ass Foo”。
    (3)變量。變量的定義和引用為在代碼生成模板中存取數(shù)據(jù)提供了方便。CTF中的變量采用弱類(lèi)型定義，即變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型可以被忽略且一個(gè)變量可以被賦予不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的值。變量的值可以來(lái)自各種宏、雙引號(hào)包含的字面文本和其他變量的引用等。變量的定義和引用使用美元符號(hào)加一個(gè)合法標(biāo)識(shí)符，如$foo=％class Name％。變量$foo將存儲(chǔ)當(dāng)前類(lèi)的名稱(chēng)，需要引用此變量時(shí)直接使用$foo即可。

2 軟硬件設(shè)計(jì)
    為了方便調(diào)試及驗(yàn)證生成代碼的有效性，本設(shè)計(jì)搭建以CAN總線為主干、LIN總線為下層網(wǎng)絡(luò)的車(chē)身網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
2．1 硬件拓?fù)?br />     根據(jù)車(chē)身電器的功能和位置，實(shí)驗(yàn)臺(tái)拓?fù)洳季秩鐖D1所示。其中，粗實(shí)線為CAN總線及其節(jié)點(diǎn)，細(xì)實(shí)線為UN總線及其節(jié)點(diǎn)。主干CAN總線上共有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，既是下層LIN網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)節(jié)點(diǎn)，又是CAN／LIN網(wǎng)關(guān)。其中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用USBCAN卡搭建，其余網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用Freescale公司16位單片機(jī)MC9S12XSl28作為主控芯片。

    MC9S12XSl28同時(shí)具有CAN網(wǎng)絡(luò)控制器(MSCAN模塊)和LIN網(wǎng)絡(luò)控制器(SCI模塊)，故只需再連接相應(yīng)的CAN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJAl050和LIN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJAl020即可完成CAN／LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。CAN／LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能框圖如圖2所示。

    LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)使用Freescale公司8位單片機(jī)MC9S08DZ60作為主控芯片，使用其SCI模塊連接LIN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJAl020，再連接其他外圍執(zhí)行器組成。LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)功能框圖如圖3所示。

2．2 軟件建模
    目前，大多數(shù)單片機(jī)所支持的軟件編譯器均以C語(yǔ)言為主，而在C語(yǔ)言中沒(méi)有類(lèi)及繼承等相關(guān)概念，同時(shí)出于可移植性的考慮，軟件模型采用分層思想。將整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)分為4層：第0層為類(lèi)型定義及中斷服務(wù)程序返回值的宏定義，第1層為單片機(jī)及其內(nèi)部功能模塊類(lèi)的抽象，第2層為外圍硬件類(lèi)的抽象，第3層為車(chē)身網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)的抽象。上層的類(lèi)通過(guò)調(diào)用下層類(lèi)提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)特定功能，各層的依賴(lài)關(guān)系如圖4所示。其中，虛線表示調(diào)用關(guān)系。下面具體介紹第1～3層的建模方法。

2．2．1 第1層一單片機(jī)及其內(nèi)部功能模塊類(lèi)的抽象
    第1層的函數(shù)功能通過(guò)對(duì)單片機(jī)寄存器的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，故使用類(lèi)的成員函數(shù)，將寄存器的讀寫(xiě)代碼直接寫(xiě)在成員函數(shù)Behavior屬性的Ini-tial框中。如使能S12中的MSCAN模塊的代碼如下：
    CANCTL1(MSCANx)|=CANCTlLl_CANE_MASK；
    其中的CANCTL1是為了便于對(duì)多個(gè)MSCAN模塊做統(tǒng)一處理，以及便于選擇使用某個(gè)特定模塊而手動(dòng)編寫(xiě)的函數(shù)宏。在使用時(shí)只需將MSCANx賦值為相應(yīng)的整數(shù)值(對(duì)于MC9S12XSl28，可以是O～4)。
2．2．2 第2層一外圍硬件類(lèi)的抽象
    第2層需要調(diào)用第1層類(lèi)的操作，這可以通過(guò)活動(dòng)圖實(shí)現(xiàn)。在活動(dòng)圖中，新建一個(gè)Action，根據(jù)需要選擇CallOperation(調(diào)用成員函數(shù))或Call Behavior(調(diào)用活動(dòng)圖的行為)，再指定具體調(diào)用哪個(gè)成員函數(shù)或行為即可(調(diào)用的參數(shù)通過(guò)Action的Arguments屬性傳遞)。最后，將各個(gè)Action按照程序流程連接起來(lái)。
    這里，使用CAN協(xié)議(上層協(xié)議使用J1939)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀(活動(dòng)圖略——編者注)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)行為圖(包括活動(dòng)圖)的代碼生成，必須將所有的行為圖及其元素都放在某個(gè)類(lèi)中。活動(dòng)圖經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后生成的代碼如下所示：

2．2．3 第3層一車(chē)身網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)的抽象
    除了同樣需要調(diào)用第1層、第2層類(lèi)的操作之外，第3層還需要對(duì)中斷服務(wù)程序(ISR)進(jìn)行建模。ISR的建模涉及兩個(gè)問(wèn)題：ISR的返回值和ISR的定位。
    (1)ISR的返回值問(wèn)題。CodeWarrior支持兩種ISR的聲明方式。一種是使用預(yù)編譯指令pragma定義一個(gè)TRAP_PROC符號(hào)，TRAP_PROC會(huì)提示編譯器下面的函數(shù)是ISR，編譯器會(huì)使用一個(gè)特殊的中斷返回指令來(lái)結(jié)束這個(gè)函數(shù)(一般是RTI指令)。此方法需要同時(shí)修改CodeWarrior工程中的PRM文件，將ISR與中斷向量表中的向量聯(lián)系起來(lái)，不便于使用UML建模。
    另一種是使用與C51類(lèi)似的interrupt關(guān)鍵字，并指定相應(yīng)的中斷向量號(hào)，這樣就同時(shí)完成了ISR的聲明和與中斷向量表的關(guān)聯(lián)。在EA中修改類(lèi)的代碼生成模板，添加一個(gè)衍型(stereotype)并命名為define，并添加相應(yīng)的模板代碼。其核心部分代碼如下：

    修改完成后，在建模過(guò)程中只需將類(lèi)的衍型設(shè)置為define，將類(lèi)名設(shè)置為新定義的符號(hào)，類(lèi)的父類(lèi)設(shè)置為原符號(hào)即可。以CANO模塊的接收中斷的返回值為例，可將類(lèi)名設(shè)置為ISR_CAN0_RX，將父類(lèi)設(shè)置為interrupt 38void(此父類(lèi)并不存在)。最后生成的代碼如下：
    #define ISR_CAN0_RX interrupt 38 void
    然后將ISR的返回值指定為ISR_CANO_RX即可。
    (2)ISR的定位問(wèn)題。中斷服務(wù)程序的聲明和定義都必須定位于non-banked區(qū)域，通過(guò)使用“#pragma CODE_SEG NON_BANKED”實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，中斷服務(wù)程序末尾需要添加“#pragma CODE_SEG DEFAULT”，否則后面的函數(shù)也會(huì)被定位在non-banked區(qū)域而導(dǎo)致錯(cuò)誤。因此，中斷服務(wù)程序必須被“#pragma CODE_SEG NON_BANKED”和“#pragma CODE_SEG DEFAULT”包圍起來(lái)。這也可通過(guò)修改代碼生成模板實(shí)現(xiàn)。結(jié)合ISR返回值的宏定義，只需在當(dāng)函數(shù)返回值的前3個(gè)字符是“ISR”時(shí)，在函數(shù)前后輸出上述兩條pragma預(yù)編譯指令即可。生成ISR聲明的代碼生成模板的核心部分如下：

    仍以上述CAN0模塊的接收中斷為例，最終生成的函數(shù)聲明如下；


3 調(diào)試與驗(yàn)證
    本設(shè)計(jì)除了使用USBCAN卡作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以外，為了驗(yàn)證兩種總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，更直觀地查看總線幀中各個(gè)字段的值以及隨時(shí)檢測(cè)總線上是否發(fā)生幀錯(cuò)誤等，使用PC示波器PicoScope 5203搭配總線協(xié)議分析軟件WaveBPS捕獲兩種總線信號(hào)并進(jìn)行協(xié)議分析。Pi-coScope的兩個(gè)通道可同時(shí)捕獲CAN總線及LIN總線上的信號(hào)，進(jìn)一步方便了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的調(diào)試。
    圖5為在控制面板節(jié)點(diǎn)(源地址為0x26)打開(kāi)左轉(zhuǎn)向燈時(shí)發(fā)送給車(chē)燈節(jié)點(diǎn)(目標(biāo)地址為0x20)的CAN數(shù)據(jù)幀。其中，標(biāo)記為S的位是根據(jù)位填充規(guī)則自動(dòng)插入的填充位。圖6為車(chē)燈節(jié)點(diǎn)收到上述CAN數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)網(wǎng)關(guān)路由策略及幀轉(zhuǎn)換規(guī)則，發(fā)送到LIN總線上的數(shù)據(jù)幀。

4 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)借助EA的代碼生成功能，通過(guò)修改代碼生成模板以滿足車(chē)身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中C語(yǔ)言及編譯器的要求，進(jìn)行了車(chē)身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此方法極大地方便了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并可提高系統(tǒng)的可靠性。