基于快速原型汽車網關開發平臺設計

叢麗娜，榮志強

（華晨汽車工程研究院電氣部，遼寧 沈陽 110141）

前言

汽車作為主要的出行交通工具之一，在人們生活中扮演著非常重要的角色。汽車網關作為汽車的信息樞紐幾乎在各種車型上得到應用，尤其是家用轎車行業。它既可以單獨作為一個控制器，主要負責汽車上各控制器間信息交互的主體，也可以集成到汽車車身控制中，作為控制的核心功能之一。汽車網關的普及主要利益于電子技術的飛速發展。現如今的汽車電控系統普遍采用現場總線網絡技術。很好的解決了汽車電控單元不斷增加帶來的線路復雜和線束增加的問題[1]，從經濟性和汽車發展趨勢來看，網關控制都是汽車必不可少的控制器而且汽車網關下在不斷向多協議并存的方向發展。

由于汽車上控制器不斷的增加，功能越發繁復，汽車開發的不同階段都有可能會涉及到更改網關通訊協議的突發情況，按照傳統的網關開發模式，首先更改程序要通過器件供應商，存在時間問題，從問題提出到落實到程序上，可能需要的時間比較長，其次，更改程序還可能涉及到開發費用的問題，不但延長了開發周期而且面臨增加開發成本的風險。所以汽車開發過程中，汽車廠商如果可以利用當下盛行的基于模型的開發流程，結合專注于汽車控制器開的快速原型產品， 開發出適于自身汽車網關控制器更新換代的開發平臺，不但可以增加網關軟件質量把控能力，而且可以加快開發流程，降低成本，提高產品質量，增強自身市場競爭力。

基于以上思想，本文決定選用德國dSPACE的快速原型系統開發套件結合美國The MathWorks公司的軟件進行網關開發平臺的搭建。本文設計的網模型具有兩路CAN，符合實際汽車的基本需要。

1 汽車CAN總線介紹

技術的發展使得汽車電氣集成化程序不斷提高，對原有硬線通訊方式造成了很大沖擊，因此20世紀80年代末，德國博世公司為解決現代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數據交換而開發了一種串行通信協議CAN，并使其成為國際標準(ISO11898)[2]。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產商，110多種CAN總線協議控制器芯片和集成 CAN總線協議控制器的微控制器芯片[3]。

與傳統方式相比，CAN總線技術在汽車網絡中的應用使車身控制網絡智能化得以實現，主要體現在以下幾個方面：第一，減少了線束的數量和線束的容積，高了電子系統的可靠性、可維護性。第二，采用通用傳感器，到數據共享的目的。 第三，改善了系統的靈活性，即通過系統軟件可以實現系統功能的變化。 汽車電器部件具有故障診斷、在線自動監測、失效后儀表盤自動指示故障等功能[4]。

2 dSPACE開發平臺介紹

dSPACE作為一家專注于汽車航空等行業開發工具研發的國際公司，其產品在汽車行業得廣泛的應用。dSPACE實時系統大體可以劃分為軟件和硬件系統兩部分。

本文選用的硬件系統為MicroAutoBox II，這是一款用于執行快速功能原型開發的實時系統。它的獨特優勢在于它將強大的性能、全面的汽車 I/O 接口、極其緊湊而穩健的設計（符合 ISO 16750-3:2007 極端沖擊與振動測試）以及合理的價格集于一身。此外，dSPACE還提供全面的軟件和硬件支持，幫助您有效降低整體系統成本。配備的接口可以滿足所有主流汽車總線系統的需要：CAN、CAN FD、LIN、K-Line/L-Line、FlexRay和以太網。與 ECU 相似，該系統可以在無需用戶干預的情況下運行。

軟件選用RTI和ControlDesk。RTI用于實時接口建模和從模型生成代碼并下載到處理器[5]。RTI擴展了 C 代碼生成器 Simulink Coder的功能，能夠在實時硬件上無縫地自動實施 Simulink 和Stateflow模型。用以執行快速控制原型和硬件在環仿真，從而讓開發人員將精力完全集中在實際設計過程，并執行快速的設計迭代。ControlDesk是用于無縫 ECU開發的dSPACE實驗軟件。從實驗開始到結束，它完成了所有必要任務并為您提供單一的工作環境。ControlDesk將多個專用工具的功能集于一身。它可以訪問仿真平臺以及所連接的總線系統，還可以在 ECU 上完成測量、校準和診斷（例如通過標準化 ASAM 接口）。其靈活的模塊化結構擁有高度可擴展性，可滿足特定應用實例的要求。一旦模型已經通過RTI實現并下載到實時硬件中，測試和調試工作由ControlDesk來控制，它將綜合管理試驗過程的，利用變量可視化、參數可視化、實現試驗過程自動化[6]。

3 網關開發平臺設計

3.1 網關平臺總體架構

網關開發平臺如圖1所示，主體由五部分組成。最先輸入為功能規范文件，此文件定義了網關需要處理的信息、不同信息的含義、信息間相互關系及在不同控制器的分布情況。它由整車研發中心相關器件開發人員按照不同車型的市場定位來設計。然后由算法工程師，基于功能規范設計matlab程序，之后通過RTI將設計程序下載到快速原型硬件產品，利用 ControlDesk開發相就的上位機監測程序。將快速原型安裝到測試臺架或者試制試驗車上，運行軟件，通過監測程序觀察程序的執行，利用實驗結果對算法程序進行改進，如此不斷迭代，最終達到滿意的實驗結果。

圖1 網關開發平臺原理圖

此開發過程與傳統的供應商開發過程不同，不需要依賴供應商，可以對問題做出迅速的反饋和驗證，并提出解決方案，極在的縮短控制器開發的初期論證過程，縮短開發時間。

3.2 整車系統網絡設計

現如今的汽車電子集成度很高，各個模塊都有自己相應的控制器，例如，針對發動機有發動機控制器，變速箱有變速箱控制器。但每個單獨模塊的控制器又不能獨立工作，各個控制器間需要實時通信，此時高速可靠的通信網絡便成為汽車必不可以的核心組件。CAN網絡在汽車上的應用很好的解決了這個問題，它將汽車上所以控制器連接起來構成了一個實時控制系統，保證了系統中不同控制器可以在規定的時間內響應不同的控制信號[7]。

隨著控制器的不斷增加和各種新功能的不斷引入，控制器的數量和 CAN網絡傳遞的信息的數量也在不斷增大，而每條 CAN線的承載能力是有限的，如果此時依然將所有的控制器掛載在同一條CAN線上，輕則導致總線過載，重則發生關乎駕駛員生命財產安全的交通事故。這在汽車開發過程中是不允許的，因此在對汽車上各節點的實時性進行了分析之后，根據各節點對實時性的要求，將實時性要求嚴格的節點組成高速CAN通信網絡，將其他實時性要求相對較低的節點組成低速CAN通信網絡，并通過網關控制器將這速率不同的通信網絡連接起來，實現全部節點之間的數據共享。[8]

本文中網關控制器設計以某車型 CAN網絡為例，網絡分為動力CAN和車身CAN，動力CAN上電控單元主要有發動機控制系統（EMS）、安全氣囊控制系統（ABAG）、變速箱控制系統（TCU）、電動助力轉向系統（EPS）、車身動態穩定系統（ESC）、巡航速度控制系統（STE）。車身CAN上電控單元主要有組合儀表控制系統（IPC），車身控制系統（BCM），多媒體控制系統（MMC）。整個汽車電子系統的通信網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 汽車電子系統的通信網絡拓撲結構圖

3.2 控制算法設計

基于上一小節 CAN網絡設計，本節利用 Matlab的simulink和stateflow模塊以及dSPACE的RTI模塊進行網關控制算法開發。輸入為汽車系統架構小組提供的汽車網絡DBC文件和網關的功能規范文件，輸出為SDF格式的汽車網關程序。

算法設計同時考慮系統功能的實現和調試的靈活性，以層次化建模為指導思想，將網關程序進行模塊化分割。外部接口由兩部分組成，動力CAN收發模塊，車身CAN收發模塊。此部分主要實現與外部的信息交換功能。系統時間由中斷模塊進行相應的控制。中斷模塊對于信息收發極為重要。它決定了不同信息循環發送的觸發點。信息處理的核心為stateflow信息處理模塊是，它網關控制器的大腦，決定信息如何在兩條 CAN線路上進行交互，同時也是后續控制算法開發的關鍵部分。為了保證系統的正常運行，設計了ECU超時檢測模塊，它可以實現對控制系統的監測功能，確保系統處于運行狀態。網關模型如圖3所示。

圖3 汽車網關模型

3.3 上位機程序開發

本小節設計的上位機監控和測試程序由 ControlDesk來完成，根據監控和測試需求將上位機功能劃分為四部分，參數設置模塊用來實現對程序中不同變量的設置，以此來改控制器的性能，在程序運行過程對參數更改的功能亦是快速原型的突出優點，采用此功能的優點在于不再需要頻繁的修改模型、編譯和下載，極大的節省了程序開發和測試時間，可以讓程序員專注與問題本身，而不是把時間花費在反復編譯上。變量監測模塊，此模塊可以根據測試規范監測不同的變量，同時可以方便的添加和刪除不同變量。超時顯示模塊，用來顯示ECU信息接收是否超時，進而判斷相應的控制器是否處于激活狀態；示波器模塊的突出特點在于直觀顯示，可以以波形的方式顯示數據，網關程序測試上位機界面如圖4所示。

4 實驗驗證

經過線下調試和修正之后的程序，開發人員利用VehcleSPY進行網關程序初步測試，然后由測試人員按照測試例程在汽車測試臺架上進行全面的測試，最終將網關程序安裝在實車上進行測試。圖5為臺架測試示例圖。

圖5 汽車網關測試圖

5 總結

至此，針對此特定車型的網關測試程序設計完成。本文開發的程序，經過簡單的模型修改便可以適用于其它車型網關程序的測試及開發，開發周期將大大縮短，經過汽車廠商自己測試過的網關程序，交由零部件公司進行進一步完善并最終進行生產，不僅可以降低開發費用而且可以極大的縮短開發周期。

此外利用此平臺可以經常優化網關的控制設計，并利用網關對全局信息的掌控能力，進行算法開發，可以快速驗證汽車廠商提出的新的控制策略等，不再需要受制與零部件開發商。此平臺的后續延展性有很大的空間。