基于快速原型汽车网关开发平台设计

2018-07-26丛丽娜荣志强

汽车实用技术 2018年13期

丛丽娜，荣志强

（华晨汽车工程研究院电气部，辽宁沈阳 110141）

前言

汽车作为主要的出行交通工具之一，在人们生活中扮演着非常重要的角色。汽车网关作为汽车的信息枢纽几乎在各种车型上得到应用，尤其是家用轿车行业。它既可以单独作为一个控制器，主要负责汽车上各控制器间信息交互的主体，也可以集成到汽车车身控制中，作为控制的核心功能之一。汽车网关的普及主要利益于电子技术的飞速发展。现如今的汽车电控系统普遍采用现场总线网络技术。很好的解决了汽车电控单元不断增加带来的线路复杂和线束增加的问题[1]，从经济性和汽车发展趋势来看，网关控制都是汽车必不可少的控制器而且汽车网关下在不断向多协议并存的方向发展。

由于汽车上控制器不断的增加，功能越发繁复，汽车开发的不同阶段都有可能会涉及到更改网关通讯协议的突发情况，按照传统的网关开发模式，首先更改程序要通过器件供应商，存在时间问题，从问题提出到落实到程序上，可能需要的时间比较长，其次，更改程序还可能涉及到开发费用的问题，不但延长了开发周期而且面临增加开发成本的风险。所以汽车开发过程中，汽车厂商如果可以利用当下盛行的基于模型的开发流程，结合专注于汽车控制器开的快速原型产品，开发出适于自身汽车网关控制器更新换代的开发平台，不但可以增加网关软件质量把控能力，而且可以加快开发流程，降低成本，提高产品质量，增强自身市场竞争力。

基于以上思想，本文决定选用德国dSPACE的快速原型系统开发套件结合美国The MathWorks公司的软件进行网关开发平台的搭建。本文设计的网模型具有两路CAN，符合实际汽车的基本需要。

1 汽车CAN总线介绍

技术的发展使得汽车电气集成化程序不断提高，对原有硬线通讯方式造成了很大冲击，因此20世纪80年代末，德国博世公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发了一种串行通信协议CAN，并使其成为国际标准(ISO11898)[2]。到目前为止，世界上已拥有20多家CAN总线控制器芯片生产商，110多种CAN总线协议控制器芯片和集成 CAN总线协议控制器的微控制器芯片[3]。

与传统方式相比，CAN总线技术在汽车网络中的应用使车身控制网络智能化得以实现，主要体现在以下几个方面：第一，减少了线束的数量和线束的容积，高了电子系统的可靠性、可维护性。第二，采用通用传感器，到数据共享的目的。第三，改善了系统的灵活性，即通过系统软件可以实现系统功能的变化。汽车电器部件具有故障诊断、在线自动监测、失效后仪表盘自动指示故障等功能[4]。

2 dSPACE开发平台介绍

dSPACE作为一家专注于汽车航空等行业开发工具研发的国际公司，其产品在汽车行业得广泛的应用。dSPACE实时系统大体可以划分为软件和硬件系统两部分。

本文选用的硬件系统为MicroAutoBox II，这是一款用于执行快速功能原型开发的实时系统。它的独特优势在于它将强大的性能、全面的汽车 I/O 接口、极其紧凑而稳健的设计（符合 ISO 16750-3:2007 极端冲击与振动测试）以及合理的价格集于一身。此外，dSPACE还提供全面的软件和硬件支持，帮助您有效降低整体系统成本。配备的接口可以满足所有主流汽车总线系统的需要：CAN、CAN FD、LIN、K-Line/L-Line、FlexRay和以太网。与 ECU 相似，该系统可以在无需用户干预的情况下运行。

软件选用RTI和ControlDesk。RTI用于实时接口建模和从模型生成代码并下载到处理器[5]。RTI扩展了 C 代码生成器 Simulink Coder的功能，能够在实时硬件上无缝地自动实施 Simulink 和Stateflow模型。用以执行快速控制原型和硬件在环仿真，从而让开发人员将精力完全集中在实际设计过程，并执行快速的设计迭代。ControlDesk是用于无缝 ECU开发的dSPACE实验软件。从实验开始到结束，它完成了所有必要任务并为您提供单一的工作环境。ControlDesk将多个专用工具的功能集于一身。它可以访问仿真平台以及所连接的总线系统，还可以在 ECU 上完成测量、校准和诊断（例如通过标准化 ASAM 接口）。其灵活的模块化结构拥有高度可扩展性，可满足特定应用实例的要求。一旦模型已经通过RTI实现并下载到实时硬件中，测试和调试工作由ControlDesk来控制，它将综合管理试验过程的，利用变量可视化、参数可视化、实现试验过程自动化[6]。

3 网关开发平台设计

3.1 网关平台总体架构

网关开发平台如图1所示，主体由五部分组成。最先输入为功能规范文件，此文件定义了网关需要处理的信息、不同信息的含义、信息间相互关系及在不同控制器的分布情况。它由整车研发中心相关器件开发人员按照不同车型的市场定位来设计。然后由算法工程师，基于功能规范设计matlab程序，之后通过RTI将设计程序下载到快速原型硬件产品，利用 ControlDesk开发相就的上位机监测程序。将快速原型安装到测试台架或者试制试验车上，运行软件，通过监测程序观察程序的执行，利用实验结果对算法程序进行改进，如此不断迭代，最终达到满意的实验结果。

图1 网关开发平台原理图

此开发过程与传统的供应商开发过程不同，不需要依赖供应商，可以对问题做出迅速的反馈和验证，并提出解决方案，极在的缩短控制器开发的初期论证过程，缩短开发时间。

3.2 整车系统网络设计

现如今的汽车电子集成度很高，各个模块都有自己相应的控制器，例如，针对发动机有发动机控制器，变速箱有变速箱控制器。但每个单独模块的控制器又不能独立工作，各个控制器间需要实时通信，此时高速可靠的通信网络便成为汽车必不可以的核心组件。CAN网络在汽车上的应用很好的解决了这个问题，它将汽车上所以控制器连接起来构成了一个实时控制系统，保证了系统中不同控制器可以在规定的时间内响应不同的控制信号[7]。

随着控制器的不断增加和各种新功能的不断引入，控制器的数量和 CAN网络传递的信息的数量也在不断增大，而每条 CAN线的承载能力是有限的，如果此时依然将所有的控制器挂载在同一条CAN线上，轻则导致总线过载，重则发生关乎驾驶员生命财产安全的交通事故。这在汽车开发过程中是不允许的，因此在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后，根据各节点对实时性的要求，将实时性要求严格的节点组成高速CAN通信网络，将其他实时性要求相对较低的节点组成低速CAN通信网络，并通过网关控制器将这速率不同的通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。[8]

本文中网关控制器设计以某车型 CAN网络为例，网络分为动力CAN和车身CAN，动力CAN上电控单元主要有发动机控制系统（EMS）、安全气囊控制系统（ABAG）、变速箱控制系统（TCU）、电动助力转向系统（EPS）、车身动态稳定系统（ESC）、巡航速度控制系统（STE）。车身CAN上电控单元主要有组合仪表控制系统（IPC），车身控制系统（BCM），多媒体控制系统（MMC）。整个汽车电子系统的通信网络拓扑结构如图2所示。

图2 汽车电子系统的通信网络拓扑结构图

3.2 控制算法设计

基于上一小节 CAN网络设计，本节利用 Matlab的simulink和stateflow模块以及dSPACE的RTI模块进行网关控制算法开发。输入为汽车系统架构小组提供的汽车网络DBC文件和网关的功能规范文件，输出为SDF格式的汽车网关程序。

算法设计同时考虑系统功能的实现和调试的灵活性，以层次化建模为指导思想，将网关程序进行模块化分割。外部接口由两部分组成，动力CAN收发模块，车身CAN收发模块。此部分主要实现与外部的信息交换功能。系统时间由中断模块进行相应的控制。中断模块对于信息收发极为重要。它决定了不同信息循环发送的触发点。信息处理的核心为stateflow信息处理模块是，它网关控制器的大脑，决定信息如何在两条 CAN线路上进行交互，同时也是后续控制算法开发的关键部分。为了保证系统的正常运行，设计了ECU超时检测模块，它可以实现对控制系统的监测功能，确保系统处于运行状态。网关模型如图3所示。

图3 汽车网关模型

3.3 上位机程序开发

本小节设计的上位机监控和测试程序由 ControlDesk来完成，根据监控和测试需求将上位机功能划分为四部分，参数设置模块用来实现对程序中不同变量的设置，以此来改控制器的性能，在程序运行过程对参数更改的功能亦是快速原型的突出优点，采用此功能的优点在于不再需要频繁的修改模型、编译和下载，极大的节省了程序开发和测试时间，可以让程序员专注与问题本身，而不是把时间花费在反复编译上。变量监测模块，此模块可以根据测试规范监测不同的变量，同时可以方便的添加和删除不同变量。超时显示模块，用来显示ECU信息接收是否超时，进而判断相应的控制器是否处于激活状态；示波器模块的突出特点在于直观显示，可以以波形的方式显示数据，网关程序测试上位机界面如图4所示。