基于OSEK的汽車總線網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計

朱東南

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京分院，南京 210019；2.南京高等職業(yè)技術(shù)學校，南京 210019）

0 引言

汽車網(wǎng)關(guān)控制器作為不同網(wǎng)絡間信息傳遞的樞紐，可以接收來自不同CAN（Controller Area Network）總線和LIN（Local Interconnect Network）總線的信號，能實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)、信號直接路由功能，也可以完成將接收信號加工處理后再轉(zhuǎn)發(fā)的任務[1]。網(wǎng)關(guān)控制器還具備一些應用功能，如能夠?qū)崿F(xiàn)多路模擬信號和多路數(shù)字信號的采集，并根據(jù)某些條件實現(xiàn)外部高端輸出控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想與總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計思想：本網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)具有5路數(shù)字信號輸入，5路模擬信號輸入，5路高端驅(qū)動輸出，3路高速CAN總線和2路LIN總線組成。其中CAN1為動力CAN總線，波特率為500Kbps，CAN2為車身CAN總線，波特率為250Kbps，CAN3為診斷CAN總線，波特率為500Kbps，LIN1的波特率為19200bps，LIN2的波特率為19200bps。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要有以下功能組成：

1）網(wǎng)絡報文和信號路由；

2）采集硬線信號并轉(zhuǎn)發(fā)到總線上；

3）軟件在線刷新；

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4）支持診斷功能及數(shù)據(jù)管理；

5）高端輸出控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用汽車級飛思卡爾32位MPC5604微控制器作為中央處理芯片，MPC56XX系列微控制器采用了先進的交叉連接模塊，該模塊簡化了原來的系統(tǒng)架構(gòu)，片上存儲器以及輸入輸出外設(shè)資源，而其有高速的e200z0處理核、eDMA模塊、外部總線控制器、豐富的外圍模塊（FLEXCAN、SCI、DSPI、I2C、ADC等），使其功能和性能更加強大，由于其擁有6路CAN控制模塊，所以在汽車網(wǎng)絡總線設(shè)計方面應用的很廣泛[2,3]。本系統(tǒng)主要元器件選型如表1所示。

2.1 網(wǎng)關(guān)控制器電源設(shè)計

系統(tǒng)電源電路如圖2所示，其中KL30為電瓶正極12V的電壓輸入，KL31為電瓶的負極GND。電源芯片采用為英飛凌TLE4278G芯片，輸出VDD為5V電壓，該芯片自帶外部看門狗，需要MCU定時喂狗操作，否則芯片輸出復位信號，使MCU進行復位操作[4]。

2.2 CAN收發(fā)器電路設(shè)計

CAN總線收發(fā)器電路設(shè)計如圖3所示，采用的芯片為NXP的TJA1042T，該芯片為高速CAN收發(fā)器芯片，最高可支持1Mbit/s速度，且具有更強的EMC（electromagnetic compatibility）和ESD(electrostatic discharge)性能[5]。

2.3 LIN收發(fā)器電路設(shè)計

LIN總線收發(fā)器電路如圖4所示，采用的芯片為NXP的TJA1020T，最高可支持20Kbit/s速度，且具有很低的EME(electromagnetic emission)性能指標和很強的EMI（electromagnetic interference）性能以及很強的抗干擾能力[6]。

2.4 高端驅(qū)動電路設(shè)計

高端驅(qū)動控制電路如圖5所示，本系統(tǒng)采用的芯片為英飛凌的TLE7234，該芯片具有4路高端驅(qū)動控制、2路低端驅(qū)動控制、還有2路可配置的高低端控制，其與MCU間通訊方式為SPI通訊，且通過SPI通訊可讀出每路的故障診斷信息，本系統(tǒng)設(shè)計為5路高端驅(qū)動輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

OSEK（open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics）是一款被廣泛用于汽車電子領(lǐng)域的操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定高效的特點，給汽車電子領(lǐng)域的軟件開發(fā)設(shè)計工作帶來了很大便捷。其又是一種汽車電子類開放系統(tǒng)，有對應的接口標準。該系統(tǒng)由四個部分組成，包括：實時的操作系統(tǒng)（OSEK OS）、通信子系統(tǒng)（OSEK COM）、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（OSEK NM）和OSEK實現(xiàn)語言（OIL）。

圖2 系統(tǒng)電源電路

圖3 CAN總線收發(fā)器電路

OSEK規(guī)范為實現(xiàn)其制定的初衷并滿足汽車控制領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)安全性和節(jié)省有限資源的特殊要求，制定了系統(tǒng)而全面的操作系統(tǒng)規(guī)范。其特點主要有以下七個方面。

3.1 實時性

由于越來越多的微處理器被應用到汽車控制領(lǐng)域，如汽車剎車的防抱死系統(tǒng)、動力設(shè)備的安全控制等。這些系統(tǒng)直接關(guān)系著人的生命安全，即出現(xiàn)絲毫的差錯也會導致危及生命安全的嚴重后果，因此要求操作系統(tǒng)具有嚴格的實時性。OSEK操作系統(tǒng)通過靜態(tài)的系統(tǒng)配置、占先式調(diào)度策略、提供警報機制和優(yōu)化系統(tǒng)運行機制以提高中斷響應速度等手段來滿足用戶的實時需求。

3.2 可移植性

OSEK規(guī)范[7]詳細規(guī)定了操作系統(tǒng)運行的各種機制，并在這些機制基礎(chǔ)上制定了標準的應用程序編程接口，使那些獨立編寫的代碼能夠很容易地整合起來，增強了應用程序的可移植性。

3.3 可擴展性

為了適用于廣泛的目標處理器，支持運行在廣泛硬件基礎(chǔ)上的實時程序，OSEK操作系統(tǒng)具備高度模塊化和可靈活配置的特性[8,9]。

本網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)是基于OSEK標準的實時操作系統(tǒng)，其實時性、可移植性、高效性極大地提高了項目開發(fā)的效率。網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)包含了滿足OSEK標準的操作系統(tǒng)、CAN/LIN通訊模塊、網(wǎng)關(guān)的休眠喚醒模塊、應用功能模塊、診斷和刷新模塊。

3.4 網(wǎng)關(guān)總體軟件架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)總體軟件架構(gòu)如圖6所示，本系統(tǒng)采用Mentor Graphics公司的Volcano通訊基礎(chǔ)軟件，實現(xiàn)CAN/LIN總線通訊及診斷刷新功能[10]。網(wǎng)關(guān)OS系統(tǒng)周期性的調(diào)用5ms、10ms、50ms的任務，實現(xiàn)整個軟件系統(tǒng)功能。軟件底層的驅(qū)動模塊包含CAN/LIN的COM模塊、DSPI通訊模塊、EEPROM的驅(qū)動模塊（EED）、高低端驅(qū)動模塊（HLSD）、模擬信號采集模塊（ADC）、數(shù)字信號采集模塊（DIO）。為了應用層能夠方便的調(diào)用底層驅(qū)動模塊，軟件設(shè)計時，根據(jù)每個驅(qū)動模塊，相應的設(shè)計了接口層模塊，如EED模塊的接口層模塊為EEH模塊、ADC模塊的接口層模塊為ADH模塊。

圖6 總體軟件架構(gòu)

3.5 網(wǎng)關(guān)休眠喚醒

關(guān)于網(wǎng)關(guān)休眠喚醒策略狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示，網(wǎng)關(guān)根據(jù)硬線喚醒信號和CAN總線網(wǎng)絡喚醒信號來決定網(wǎng)關(guān)的休眠和喚醒。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的休眠喚醒狀態(tài)，進而管理CAN、LIN總線的通信狀態(tài)和各路高端驅(qū)動的控制狀態(tài)。

圖7 網(wǎng)關(guān)休眠喚醒狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.6 網(wǎng)關(guān)的診斷功能

隨著電子控制單元在汽車中的應用越來越來廣泛，在各汽車電子控制系統(tǒng)中，都需要帶有故障自診斷功能，即汽車故障自診斷系統(tǒng)，該功能包括故障檢測、故障碼記錄、強制輸入輸出功能、軟件刷新功能等[11,12]。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)本身具有自診斷功能，外部Tester可以通過CAN3總線對網(wǎng)關(guān)進行故障診斷及軟件刷新。同時通過CAN1/CAN2總線接入網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的其他ECU單元，也可以通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)故障診斷及軟件刷新功能，診斷測試框架如圖8所示。本網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)采用的是基于CAN總線的統(tǒng)一診斷服務（UDS），網(wǎng)關(guān)診斷功能的實現(xiàn)符合ISO 15765、ISO14229等國際診斷標準。

圖8 診斷測試框架

3.7 網(wǎng)關(guān)通訊的測試

網(wǎng)關(guān)通訊測試數(shù)據(jù)如圖9所示，通過軟件集成，編譯、調(diào)試，最后在硬件平臺上測試，達到了初始設(shè)計目的，能夠?qū)崿F(xiàn)不同總線上信號路由功能、采集硬線信號并轉(zhuǎn)成網(wǎng)絡信號功能、故障診斷功能、在線刷新功能等。并通過專業(yè)的總線測試工具，測試了CAN/LIN通訊，網(wǎng)關(guān)接收CAN1上EM（發(fā)動機管理單元）節(jié)點信號，再將其路由到CAN2網(wǎng)絡上，CAN2上對應的信號為EnSpdHSC3（值為1378）。本系統(tǒng)可以成功的實現(xiàn)信號報文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖9 通訊測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)自主品牌汽車廠商在引進國外成熟平臺后進行二次設(shè)計開發(fā)時，需要融入自身的設(shè)計理念，如增加一些功能（ECU網(wǎng)絡節(jié)點），此時就需要網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡橋梁實現(xiàn)新增節(jié)點與原網(wǎng)絡間的信號路由功能。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計采用主流的汽車級芯片和應用成熟的電路；軟件設(shè)計是基于OSEK的軟件架構(gòu)，可以很好的解決新增網(wǎng)絡節(jié)點與原網(wǎng)絡間的網(wǎng)絡通訊問題，縮短整車開發(fā)時間，避免所有網(wǎng)絡重新規(guī)劃設(shè)計，降低開發(fā)成本。通過實車的功能驗證，本系統(tǒng)已經(jīng)具有商業(yè)化的價值。

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