整車(chē)控制器基礎(chǔ)軟件平臺(tái)化開(kāi)發(fā)與集成

孫濤宋安王輝

（1.中汽研汽車(chē)工業(yè)工程（天津）有限公司；2.李斯特技術(shù)中心（天津）有限公司）

隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展和新能源汽車(chē)應(yīng)用要求的不斷提高，整車(chē)電控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的要求也越來(lái)越高。基礎(chǔ)軟件的重復(fù)性開(kāi)發(fā)勢(shì)必會(huì)造成整車(chē)成本提高，不利于車(chē)企的長(zhǎng)足發(fā)展。因此現(xiàn)代車(chē)企越來(lái)越多地要求將產(chǎn)品進(jìn)行平臺(tái)化，以便于不同產(chǎn)品之間可以沿用。基于以上問(wèn)題，文章主要參照國(guó)際Autosar軟件標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際要求，提出了新基礎(chǔ)軟件架構(gòu)，并通過(guò)MATLAB的命令行工具LegacyCode Tool及S-function等功能，將底層驅(qū)動(dòng)源代碼封裝成Simulink模塊庫(kù)，形成平臺(tái)化產(chǎn)品。采用一鍵式集成的方式對(duì)其進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行文件。經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試驗(yàn)證，平臺(tái)化開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)軟件安全可靠。

1 Autosar標(biāo)準(zhǔn)

Autosar是面向汽車(chē)領(lǐng)域的嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[1]。該體系結(jié)構(gòu)采用了分層模型，每一層只能使用下一層的接口，并向上一層提供服務(wù)接口。這樣對(duì)于不同的硬件平臺(tái)具有更大的靈活性，使得硬件和軟件更大程度地彼此獨(dú)立，同時(shí)分層獨(dú)立開(kāi)發(fā)可以縮短開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)成本。

按照Atuosar標(biāo)準(zhǔn)分層的架構(gòu)體系[1]，自上而下分別是應(yīng)用層（Application Layer）、運(yùn)行時(shí)環(huán)境（Runtime Environment）、基礎(chǔ)軟件層（Basic Software Layer）及微控制器層，即硬件。

而基礎(chǔ)軟件分為3個(gè)層次，分別為：微控制器抽象層（Microcontroller Abstraction Layer）、ECU抽象層（ECU Abstraction Layer）、服務(wù)層（Services Layer）。另外，在Autosar軟件架構(gòu)中將復(fù)雜驅(qū)動(dòng)（Complex Drivers）獨(dú)立出來(lái)，這部分并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，主要用于對(duì)復(fù)雜的傳感器執(zhí)行器進(jìn)行操作。Autosar標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)具體分層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 Autosar標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)顯示界面

2 整車(chē)控制器基礎(chǔ)軟件架構(gòu)

整車(chē)控制器（VCU）是純電動(dòng)汽車(chē)的核心控制部件之一，主要功能是解析駕駛員需求，監(jiān)視汽車(chē)行駛狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制單元（如 BMS，MCU，EMS，TCU等）工作，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的上下電、驅(qū)動(dòng)控制、能量回收、附件控制和故障診斷功能。

整車(chē)控制器基礎(chǔ)軟件需要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊（DI/DO）、模擬量輸入模塊（ADC）及通信模塊（包括SPI通信及CAN通信）的功能，負(fù)責(zé)整車(chē)控制器信號(hào)的采集和傳遞，并通過(guò)CAN總線傳遞到其他控制單元或驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)使執(zhí)行器工作[2]。整車(chē)控制器的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 整車(chē)控制器的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)關(guān)量輸入模塊接收的信號(hào)主要有鑰匙信號(hào)、擋位信號(hào)及制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)等；輸出信號(hào)主要是控制繼電器信號(hào)，如水泵繼電器控制信號(hào)等。

模擬量輸入模塊采集加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)及小蓄電池電壓信號(hào)。

SPI通信模塊主要負(fù)責(zé)電路板上不同芯片之間數(shù)據(jù)的交互，包括功能安全的問(wèn)答機(jī)制；CAN通信模塊負(fù)責(zé)整車(chē)控制器內(nèi)部通信及與整車(chē)其他設(shè)備（主要有車(chē)載充電機(jī)（OBC）、電機(jī)控制器（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）及網(wǎng)關(guān)（GW）等）的通信。

根據(jù)整車(chē)控制器對(duì)底層的要求，劃分基礎(chǔ)軟件的結(jié)構(gòu)形式及各個(gè)功能模塊，對(duì)芯片的RAM及Flash存儲(chǔ)器等進(jìn)行內(nèi)存分配，定義各模塊的功能要求并規(guī)定各模塊之間的接口，最終形成基礎(chǔ)軟件架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 整車(chē)控制器基礎(chǔ)軟件架構(gòu)顯示界面

為了便于理解，將基礎(chǔ)軟件分層內(nèi)容進(jìn)行了重新定義，分為驅(qū)動(dòng)層、ECU抽象層及服務(wù)層。

1）驅(qū)動(dòng)層是基礎(chǔ)軟件的最底層，它主要對(duì)硬件提供驅(qū)動(dòng)和診斷，并對(duì)接口層提供硬件資源調(diào)用服務(wù)的支持。該層主要由I/O驅(qū)動(dòng)模塊、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊、通信驅(qū)動(dòng)模塊及MCU驅(qū)動(dòng)模塊組成。

2）ECU抽象層封裝了驅(qū)動(dòng)層以及外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，主要包括IO硬件抽象單元及CAN接口單元等。

3）服務(wù)層包含了操作系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)（模式管理）、存儲(chǔ)器服務(wù)、通訊服務(wù)及診斷通訊等。它為應(yīng)用軟件和基礎(chǔ)軟件模塊提供基礎(chǔ)服務(wù)。服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行與驅(qū)動(dòng)層、ECU抽象層及應(yīng)用軟件息息相關(guān)。對(duì)各個(gè)功能模塊的描述，如表1所示。

在軟件架構(gòu)定義完成之后，根據(jù)Autosar軟件模塊的功能規(guī)范，軟件需要編寫(xiě)各模塊的設(shè)計(jì)文檔，設(shè)計(jì)文檔需要明確該模塊的編碼手段（C/C++匯編語(yǔ)言），并定義函數(shù)功能接口包括的類(lèi)型參數(shù)、原型聲明、外部聲明及函數(shù)返回值等內(nèi)容。

根據(jù)完成的設(shè)計(jì)文檔及編程規(guī)范來(lái)編寫(xiě)各功能模塊的源代碼，并進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)測(cè)試及功能測(cè)試。

3 源代碼封裝

由于應(yīng)用軟件是基于MATLAB中的Simulink來(lái)搭建完成的，要想使應(yīng)用層軟件與基礎(chǔ)軟件相集成，首先需要將應(yīng)用層模型生成C代碼，然后編寫(xiě)中間層代碼，使得應(yīng)用層的接口與底層接口進(jìn)行匹配交互。這樣在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中每一版軟件都需要不斷維護(hù)中間層代碼，勢(shì)必造成很大的工作量，并增加了開(kāi)發(fā)周期，耗費(fèi)了人力資源。

3.1 封裝流程

為了更快更方便地將基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件相集成，通過(guò)使用MATLAB中的LegacyCode Tool命令行工具、S-function函數(shù)及m文件工具，將基礎(chǔ)軟件各個(gè)功能模塊的源代碼封裝成Simulink模塊，并將封裝完成的各個(gè)子功能模塊集成到模型中，稱其為BSW Library，形成平臺(tái)化產(chǎn)品[3]。

Legacy Code Tool可以很方便地將已有的源代碼（C/C++代碼）與模型結(jié)合起來(lái)[4]。通過(guò)將源代碼編譯生成用于仿真的S-Funciton，也可以生成一個(gè)封裝了外部C代碼參數(shù)化的S-function模塊。

通過(guò)S-function可以定義每個(gè)功能模塊與應(yīng)用層的接口。具體封裝流程，如圖4所示。

1）首先將要封裝的源代碼（包括頭文件等）放到指定目錄下；

2）生成一個(gè)特定的Legacy Code Tool參數(shù)集，參數(shù)集制定了要包含的C代碼、頭文件，以及生成S-func-tion的名稱等諸多信息；

3）通過(guò)Legacy Code Tool的命令行語(yǔ)句，調(diào)用第1步配置好的參數(shù)集變量，生成相應(yīng)的S-function源文件；

4）將生成的S-function源文件變?yōu)榭蓜?dòng)態(tài)加載的執(zhí)行文件，即mexw32文件；

5）通過(guò)Legacy Code Tool的命令行語(yǔ)句將上面生成的S-function執(zhí)行文件封裝成Simulink模塊。

封裝完成后的I/O模塊程序界面，如圖5所示。

圖5 封裝完成后的I/O模塊程序界面

3.2 軟件集成

對(duì)源代碼封裝完成后，在開(kāi)發(fā)應(yīng)用層模型時(shí)，可以在Simulink BSW Library庫(kù)中直接調(diào)用基礎(chǔ)軟件的模型，將其與應(yīng)用層模塊進(jìn)行集成，這樣將大大提升集成的效率，并且能夠保證集成的質(zhì)量[4]。

將集成好的模型通過(guò)運(yùn)行編寫(xiě)好的m文件并使用MATLAB的Embedder Coder功能來(lái)生成源代碼（*.c及*.h）。最后在編譯器中運(yùn)行makefile文件，將所有的源代碼及芯片中固化的lib文件進(jìn)行編譯連接，生成可執(zhí)行文件及A2L文件。

4 結(jié)論

對(duì)集成后的可執(zhí)行文件按照定義的測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證后，測(cè)試全部通過(guò)。從而得出：基于Autosar架構(gòu)定義的基礎(chǔ)軟件架構(gòu)使得當(dāng)?shù)讓佑布?jí)時(shí)不需要更改整個(gè)系統(tǒng)，只需要將部分內(nèi)容做一定程度的修改，即可重復(fù)利用，有利于未來(lái)整車(chē)系統(tǒng)的更新。通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)軟件源代碼進(jìn)行封裝，變成平臺(tái)化的產(chǎn)品，可以提高軟件集成的可靠度并降低維護(hù)成本，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。