基于模型的商用車車身控制器開(kāi)發(fā)方法研究

張 輝，蘇朋軍，孫連明，趙立安

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011；2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，北京 100191）

1 研究背景

目前汽車技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力是汽車電子電氣技術(shù)，國(guó)內(nèi)整車廠（尤其商用車）都在不斷地深化電子電氣技術(shù)在自主車型上的應(yīng)用。其中，整車廠除了利用供應(yīng)商資源進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)之外，同時(shí)也在建立自主的開(kāi)發(fā)能力。

車身控制器是整車電子電氣架構(gòu)中重要的控制部件，涉及整車電氣系統(tǒng)的功能分配、控制邏輯等等，國(guó)內(nèi)外很多整車廠也將車身控制器作為一個(gè)重要部件自行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)模式是供應(yīng)商提供硬件和基礎(chǔ)軟件，整車廠進(jìn)行應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)，并針對(duì)不同車型進(jìn)行產(chǎn)品系列化。尤其在商用車領(lǐng)域，針對(duì)商用車車型多、批量小的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)零部件的成本最優(yōu)，需要針對(duì)不同車型，設(shè)計(jì)應(yīng)用同一款車身控制器產(chǎn)品能應(yīng)用到盡可能多的車型。

另外針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的模式，充分借鑒國(guó)際上流行的基于模型的開(kāi)發(fā)方法，利用現(xiàn)有的建模仿真工具（Matlab/Simulink/Stateflow）直接進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)完成仿真測(cè)試等，然后利用Matlab自帶的代碼生成工具（Embedded Coder）生產(chǎn)C代碼，結(jié)合車身控制器所選芯片的編譯器，生成特定的可執(zhí)行代碼，完成在產(chǎn)品上的應(yīng)用。目前，Matlab工具支持產(chǎn)品級(jí)的代碼生成，并且已經(jīng)成為了汽車行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)編程工具。本文也是基于Matlab的使用，開(kāi)發(fā)出針對(duì)于商用車的車身控制器應(yīng)用環(huán)境，用于整車廠進(jìn)行產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)，供給不同的車型使用。

2 系統(tǒng)需求

本文提及的商用車車身控制器是針對(duì)一汽商用車應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款產(chǎn)品，硬件資源需求如表1所示。

表1 商用車車身控制器資源需求

表1可以滿足當(dāng)前一汽商用車的全系列車型的資源需求，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同車型應(yīng)用車身控制器的系列化和平臺(tái)化。車身控制器部件為24 V系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)燈光系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向燈、前照燈、霧燈、位置燈和室內(nèi)燈等）控制、刮水系統(tǒng)控制，各種傳感器信號(hào)以及開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)底盤CAN、舒適CAN的報(bào)文和信號(hào)路由，支持標(biāo)準(zhǔn)的UDS診斷，支持CCP標(biāo)定配置，支持OSEK NM，支持LIN通信功能、BT功能等等。

在硬件設(shè)計(jì)方案方面，包括主控MCU、信號(hào)采集電路、電源管理電路、硬件驅(qū)動(dòng)電路以及CAN、LIN通信電路等。軟件由硬件驅(qū)動(dòng)程序、故障診斷協(xié)議棧、嵌入式系統(tǒng)軟件框架、接口程序以及Matlab/Simulink環(huán)境下的一套圖形界面構(gòu)成。通過(guò)Matlab/Simulink環(huán)境下的圖形界面可以配置輸入接口模式、輸出控制口模式以及系統(tǒng)功能等，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建模型，借助RTW Embeded Coder工具將圖形界面翻譯為C代碼，借助Codewarrior IDE及其編譯器將C代碼翻譯為機(jī)器碼，最終通過(guò)BT下載機(jī)器碼，形成最終產(chǎn)品狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車身控制器是整車電子電氣架構(gòu)中非常重要的零部件，主要控制車身上的燈具和電機(jī)等負(fù)載，同時(shí)采集相關(guān)的開(kāi)關(guān)以及傳感器信號(hào)，集中進(jìn)行信息分析處理，并通過(guò)CAN總線進(jìn)行信息交互。針對(duì)商用車車身控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，硬件系統(tǒng)定義如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)定義

根據(jù)輸入輸出資源的要求、數(shù)量及性能的定義，選擇原Freescale公司的32 bit芯片MPC5604B作為系統(tǒng)CPU，主要的資源包括：主頻：64 MHz；Flash ：512 Kbyte；RAM ：32 Kbyte；EEPROM： 64 Kbyte；CAN：3路；AD（10 bit）：36路。

3.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入提供上拉配置和下拉配置，硬件方案如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)量配置方案

系統(tǒng)的模擬量輸入同時(shí)提供電壓信號(hào)輸入和電阻信號(hào)輸入。針對(duì)電壓信號(hào)，硬件方案如圖3所示。

3.3 輸出驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供低端驅(qū)動(dòng)輸出，按照功能需求選用INFINEON公司的集成式低端輸出MOS驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電流約1A。硬件方案如圖4所示。

圖3 電壓信號(hào)硬件方案

圖4 低端驅(qū)動(dòng)硬件方案

系統(tǒng)提供高端驅(qū)動(dòng)輸出，同時(shí)需要對(duì)輸出負(fù)載的狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，按照功能需求選用ST公司的智能MOS功率驅(qū)動(dòng)芯片，根據(jù)不同的功率大小設(shè)置進(jìn)行系列選型。硬件方案如圖5所示。

圖5 高端驅(qū)動(dòng)硬件方案

3.4 通信接口電路設(shè)計(jì)

CAN收發(fā)器方面選型NXP公司的TJA1042，CAN通信接口電路硬件方案如圖6所示。

LIN收發(fā)器選型NXP公司的TJA1021，24 V-LIN總線接口電路硬件方案如圖7所示。

4 基于模型開(kāi)發(fā)的集成環(huán)境

4.1 Matlab 工具特點(diǎn)

圖6 CAN通信接口電路

圖7 LIN通信接口電路

圖8 傳統(tǒng)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程

傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)模式如圖8所示，直接在嵌入式芯片上進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，存在著開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、調(diào)試環(huán)境不友好等各方面的問(wèn)題。

而新興的開(kāi)發(fā)模式如圖9所示。借助Matlab仿真工具（Simulink/Stateflow），首先在仿真環(huán)境下進(jìn)行算法的仿真、驗(yàn)證，然后再利用其RTW及Embedded Coder直接將算法模型生成C語(yǔ)言代碼，所見(jiàn)即所得，快速、便捷、可靠，本論文也是利用此工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。將車身控制器所需的底層驅(qū)動(dòng)、I/O輸入輸出、總線接口通信等接口代碼封裝成Simulink下面的模型庫(kù)，可以直接將算法模型和驅(qū)動(dòng)模型連接，為最終產(chǎn)品代碼的生成做準(zhǔn)備。

圖9 新興的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程

4.2 軟件總體框架

車身控制器的軟件總體框架如圖10所示，標(biāo)準(zhǔn)通用模塊需要供應(yīng)商開(kāi)發(fā)并封裝成Simulink模型庫(kù)，應(yīng)用層軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)由整車廠工程師完成，BootLoader部分是實(shí)現(xiàn)燒錄入車身控制器底層的引導(dǎo)程序，主要負(fù)責(zé)在上位機(jī)生成可執(zhí)行代碼之后，通過(guò)Bootloader可以將代碼引導(dǎo)入車身控制器內(nèi)部存儲(chǔ)器上，從而實(shí)現(xiàn)最新應(yīng)用代碼的更新。

圖10 軟件總體框架

5 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文的主要工作就是實(shí)現(xiàn)車身控制器各個(gè)底層驅(qū)動(dòng)模塊程序的設(shè)計(jì)及封裝，然后完成和CPU-MPC5604B編譯器的鏈接，直接實(shí)現(xiàn)可執(zhí)行代碼的生成。

5.1 I/O模塊的封裝

GPIO模塊，是CPU底層驅(qū)動(dòng)的基本模塊。根據(jù)功能使用的不同，劃分為3個(gè)類別。①Digital Input模塊：主要用于MCU管腳作為普通I/O功能的輸入狀態(tài)的采集；②Digital Output模塊：主要用于MCU管腳作為普通I/O功能輸出狀態(tài)的控制；③PWM Output模塊：主要用于MCU管腳配置為EMIOS功能且作為PWM輸出功能的控制。

在Simulink中封裝接口示例如圖11所示。

圖11 模型示例（I/O示例）

雙擊點(diǎn)開(kāi)GUI配置參數(shù)界面如圖12所示，可以設(shè)置輸入、輸出、PWM等配置參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用選型。

圖12 GPIO接口示例（輸入）

5.2 AD采集模塊封裝

AD采集模塊主要負(fù)責(zé)采集模擬量開(kāi)關(guān)或是模擬量傳感器信號(hào)，其Simulink模型示例如圖13所示。

圖13 示例模型

把ADC GetValue模塊拖到目標(biāo)模型中，雙擊打開(kāi)ADC GetValue模塊的配置界面，在Channel項(xiàng)選擇目標(biāo)通道，即可完成不同通道信號(hào)采集的設(shè)置，如圖14所示。

圖14 ADC GetValue配置界面

5.3 中斷控制（Interrupt Control）模塊封裝

中斷控制在車身控制器軟件設(shè)計(jì)中用于休眠喚醒（開(kāi)關(guān)輸入喚醒或是傳感器喚醒）或是實(shí)時(shí)性控制（信號(hào)觸發(fā)要求控制立刻響應(yīng)某個(gè)控制功能，或是用它來(lái)觸發(fā)一個(gè)Function-Call System模塊），如圖15所示。

圖15 中斷控制配置界面

針對(duì)外部中斷源，需要在GUI中的Ports模塊中配置將要控制管腳的參數(shù)，主要參數(shù)包括：中斷來(lái)源的管腳（Assignment）、中斷的方向?qū)傩裕―irection）、初始電平屬性（Initial Level），如圖16所示。

5.4 總線通信模塊封裝

圖16 Ports模塊配置示例界面

關(guān)于CAN總線，MPC5604B共有3個(gè)模塊：CAN接收模塊主要接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，CAN發(fā)送模塊主要完成CAN的發(fā)送功能，以及CAN配置模塊。

雙擊打開(kāi)GUI界面上的CAN配置模塊，選擇需要使能的CAN通道，其它參數(shù)需要進(jìn)行配置，如圖17所示。

圖17 CAN模塊配置界面

用戶自定義接收模塊的用法為：把CAN Receive Fun模塊拖到目標(biāo)模型中，使其觸發(fā)一個(gè)Function-Call Subsystem模塊，配置接收的信息，接收信息需要和CAN BUS協(xié)議中配置的自定義接收信息一致，如圖18所示。

5.5 MCU基本模塊封裝

MCU模塊主要完成對(duì)芯片工作的晶振和系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行配置，如圖19所示。

除此之外，還需要完成SPI、SCI、定時(shí)器、看門狗的應(yīng)用封裝。這些底層驅(qū)動(dòng)程序都是在MCU上進(jìn)行驗(yàn)證過(guò)的代碼，確認(rèn)工作可靠，然后完成在Matlab下面的Simulink模塊封裝。

圖18 CAN Receive Fun示意界面

圖19 MCU模塊配置示例界面

6 產(chǎn)品模型驗(yàn)證

針對(duì)車身控制器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，除硬件和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)外，還需要通過(guò)實(shí)際樣件的試制、調(diào)試和軟件測(cè)試，實(shí)現(xiàn)以下功能：①通過(guò)Simnulink進(jìn)行控制邏輯模型的開(kāi)發(fā)；②在Matlab環(huán)境中的RTW工具直接進(jìn)行C代碼生成；③通過(guò)CodeWarrior完成針對(duì)C代碼的編譯形成機(jī)器碼；④通過(guò)車身控制器內(nèi)部的Bootlaoder程序，利用CANape軟件實(shí)現(xiàn)軟件下載。

通過(guò)在試驗(yàn)室環(huán)境臺(tái)架的測(cè)試驗(yàn)證，整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能目標(biāo)，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程工作可靠，可以用于產(chǎn)品軟件的開(kāi)發(fā)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要論述基于模型的車身控制器產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該車身控制器產(chǎn)品基于Freescale的MPC5604B芯片為平臺(tái)的完整系統(tǒng)，由硬件驅(qū)動(dòng)程序、故障診斷協(xié)議棧、嵌入式系統(tǒng)軟件框架和接口程序以及Matlab/Simulink環(huán)境下的一套圖形界面構(gòu)成。通過(guò)Matlab/Simulink環(huán)境下的圖形界面，可以配置驅(qū)動(dòng)程序、故障診斷協(xié)議棧以及將用戶在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的模型關(guān)聯(lián)到嵌入式系統(tǒng)軟件框架的某個(gè)接口，借助RTW Embeded Coder工具將圖形界面翻譯為C代碼，通過(guò)BT下載代碼。可根據(jù)車型功能需求開(kāi)發(fā)邏輯層，靈活地控制輸入輸出的關(guān)系。

通過(guò)本文可以快速實(shí)現(xiàn)不同車型車身控制器的功能定義、算法仿真以及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程統(tǒng)一集成在快速原型開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)，為用戶提供了一個(gè)高效的產(chǎn)品平臺(tái)，為一汽商用車車身控制器的平臺(tái)化、系列化打下了很好的基礎(chǔ)，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益成果。

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