基于域控制器的網(wǎng)關(guān)及車身控制功能開發(fā)

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0077-04

Development of Gatewayand BodyControl Function Based on Domain Controller

Hou Danning，Zhou Yuanhao，Liu Yuchen，Liu Yuanyuan，Zhao Zhuoya，Liang Xudong（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 71O2OO，China）

【Abstract】Taking a heavy-dutyof-road vehicle asan example，this paper designs a gatewayand body control softwarebasedondomaincontroller，andstudies thefeasibilityofdomaincontrollerintheapplicationofautomotive electronicandelectricalarchitecture.Compared with the traditional distributedautomotiveelectronicand electrical architecture，the domain controllerhastheadvantagesof centralizedandcontrollable functions，strong program compatibility and scalability，which can simplify the development process and reduce resource redundancy.

【Key words】 heavy-duty of-road vehicles；domain controllers；gateways and body control

0 引言

在汽車智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展趨勢下，傳統(tǒng)分布式汽車電子電器架構(gòu)的微控制器數(shù)量激增，每個微控制器負責的功能較為單一，彼此獨立，整個系統(tǒng)缺乏兼容性和擴展性[。因此，汽車電器開發(fā)方式逐步從分布式電器架構(gòu)向集中式電器架構(gòu)轉(zhuǎn)變，即將多個功能相近、關(guān)聯(lián)度較高的微控制器集成到一個域控制器實現(xiàn)綜合控制。

本文以重型越野車輛的基于域控制器的網(wǎng)關(guān)及車身控制功能（簡稱車身域控功能）為例，通過一個高算力的車身域控制器端口復(fù)用、分時復(fù)用等方式，將傳統(tǒng)中央網(wǎng)關(guān)、駕駛室車身控制器、底盤車身控制器的CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)、燈光控制、雨刮控制等功能集成，由車身域控制器實現(xiàn)全部功能邏輯，直接驅(qū)動控制器硬件端口工作或以總線命令形式向其他控制器發(fā)送使能信號。域控方式完成網(wǎng)關(guān)及車身控制功能，既提高了控制器硬件資源利用率，同時簡化整車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少控制器、線束的數(shù)量，節(jié)省開發(fā)成本[2]。

1系統(tǒng)方案

1.1 實現(xiàn)目標

車身域控功能開發(fā)以實現(xiàn)重型越野車的傳統(tǒng)中央網(wǎng)關(guān)和車身控制器的功能集中為目標，將多個微控制器集成為一個高性能可擴展的綜合車身域控制器，并結(jié)合AUTOSAR方法論，實現(xiàn)域控制器軟件的分層設(shè)計，將應(yīng)用軟件和域控制器硬件隔離，提高軟件的可移植性。

重型越野車輛車身域控功能包括CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)、車身控制功能和故障診斷功能，具體功能項如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

重型越野車輛包含車身總線、動力總線、轉(zhuǎn)向總線、驅(qū)動總線、底盤總線和診斷總線6路CAN總線。車身域控制器與以上總線相連，通過CAN報文交互的形式與其他總線節(jié)點（如VCU、ECU、EPB節(jié)點）進行數(shù)據(jù)通信。同時，車身域控制器與駕駛室車身信號開關(guān)、燈光、雨刮和擋風玻璃之間采取硬線端口連接，可直接采集硬線輸入端口信號并驅(qū)動相應(yīng)輸出端口工作。車身域系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

軟件以AUTOSAR架構(gòu)為框架，包括應(yīng)用軟件層、基礎(chǔ)軟件層和硬件驅(qū)動層，采用MATLAB/Simulink+AUTOSAR的方式開發(fā)，如圖3所示。

1.3 硬件設(shè)計

根據(jù)網(wǎng)關(guān)及車身域控功能需求，所選域控制器硬件資源具備供電接口、多路模擬輸入接口，豐富的輸人/輸出驅(qū)動接口，具備短路保護機制，能夠?qū)崟r反饋驅(qū)動電流和短路狀態(tài)，還具備6路CAN總線通信接口，且均支持CAN（FD），通信速率 500kb/s 或2Mb/s ；軟件滿足AUTOSAR4.2.2標準，應(yīng)用軟件采用基于模型的Simulink開發(fā)方式，基礎(chǔ)軟件包含10個協(xié)議棧，通過BSW工具進行功能配置。車身域控制器硬件組成如圖4所示。

1.4 軟件設(shè)計

1.4.1 軟件開發(fā)方式

車身域控制器軟件設(shè)計依照AUTOSAR架構(gòu)分為底層軟件和基于模型開發(fā)的應(yīng)用層軟件。其中，底層包括基礎(chǔ)軟件層的各協(xié)議棧的配置、MCAL和CDD的配置，為應(yīng)用軟件層提供必要的基礎(chǔ)服務(wù)，如硬件資源的抽象和封裝、基礎(chǔ)軟件層報文轉(zhuǎn)發(fā)功能。應(yīng)用軟件層實現(xiàn)汽車電子的全部功能行為的控制算法開發(fā)，對外界僅開放統(tǒng)一的標準化接口。

應(yīng)用軟件層采用MATLAB/Simulink軟件開發(fā)，基礎(chǔ)軟件層通過BSW底層軟件配置工具和底層MCAL配置工具進行通信協(xié)議棧、存儲協(xié)議棧、診斷協(xié)議棧等配置。軟件集成通過集成編譯軟件進行，并生成 bin 或者hex文件。程序可通過特定下載工具將程序下載到域控制器中，滿足USB和Bootloader兩種下載方式。

1.4.2 軟件功能

軟件按功能邏輯可分為CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)、車身控制功能和故障診斷三大部分。

1.4.2.1 CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)

車身域控制器作為整車CAN網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，可為不同總線節(jié)點控制器的通信提供報文拆分重組和轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。車身域控制器的CAN報文轉(zhuǎn)發(fā)功能按照報文類型及通信要求可分為三種：底層報文路由、COM層信號路由和應(yīng)用層信號處理。

車身域控制器從動力總線接收ACU、VCU等控制器發(fā)送的控制報文，無需處理直接轉(zhuǎn)發(fā)到目標總線供其他控制系統(tǒng)接收處理，通常采用底層報文路由的方式?？刂茍笪挠傻讓覯CAL接收后不改變ID、周期等信息直接由BSW中的PduR模塊轉(zhuǎn)發(fā)到目標總線，車身域控制器不關(guān)心報文的內(nèi)容，底層無需向應(yīng)用層開放對應(yīng)的報文名稱接口，即收即轉(zhuǎn)，簡化了報文轉(zhuǎn)發(fā)的流程，避免了配置項和代碼的冗余。

根據(jù)通信需求，VCU發(fā)送的CANFD類型報文由車身域控制器轉(zhuǎn)發(fā)到目標總線前，需要對報文進行拆包并重新配置周期、偏移量等參數(shù)，多采用COM層信號路由方式。COM層信號路由的特點是在不關(guān)注報文內(nèi)容的同時，可完成周期、偏移量等信息的配置。車身域控制器接收VCU發(fā)出的CANFD長字節(jié)報文，在COM模塊中完成長字節(jié)報文的拆包和參數(shù)配置后發(fā)送至目標總線。這種方式下，車身域控制器無需解析報文內(nèi)容，只針對報文參數(shù)做簡單配置，不向應(yīng)用層提供報文接口，所有工作均由底層完成。

除底層直接轉(zhuǎn)發(fā)的報文外，部分報文需要由車身域控制器進行邏輯處理后，以新的報文格式填充發(fā)送至目標總線，此時車身域控制器需要解析具體報文信號，采用應(yīng)用層信號處理的方式。如，車身域控制器接收ACU發(fā)送的燈光、雨刮控制報文，由應(yīng)用層解析后，將控制信號與車身域控制器硬件端口采集的燈光開關(guān)和雨刮開關(guān)信號做邏輯處理后，按照命令優(yōu)先級發(fā)送相應(yīng)的使能信號和狀態(tài)信號，并以新的報文形式填充并發(fā)送至目標總線。

1.4.2.2 車身控制功能

車身控制功能包括燈光控制、雨刮控制、混動開關(guān)采集、玻璃加熱、報文轉(zhuǎn)發(fā)與信息交互、發(fā)動機信息請求功能。

底層軟件采集車身域控制器硬件端口信號，通過MCAL配置工具對硬件端口參數(shù)進行配置并抽象封裝，如PWM驅(qū)動端口占空比、ADC轉(zhuǎn)換、DIO端口驅(qū)動等，以函數(shù)調(diào)用的形式為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的標準化接口，應(yīng)用層無需訪問車身域控制器資源，專注于軟件功能的邏輯處理。

應(yīng)用層軟件接收底層向應(yīng)用層開放的硬件端口信號、反饋電流和報文等數(shù)據(jù)，并對其進行開關(guān)消抖、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換及報文內(nèi)容解析等工作，通過虛擬總線傳遞到邏輯處理模塊進行邏輯運算，再將驅(qū)動信號、CAN報文等數(shù)據(jù)反饋至底層，由底層進行端口驅(qū)動或報文轉(zhuǎn)發(fā)等工作。車身控制功能設(shè)計流程如圖5所示。

以燈光控制為例，車輛燈光類型包括小燈、前照燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈和倒車燈等，車身域控制器采集燈光開關(guān)信號和ACU發(fā)送的燈光控制報文，由底層通過函數(shù)調(diào)用發(fā)送給應(yīng)用層，應(yīng)用層通過CANUnpack模塊解析和開關(guān)信號消抖對燈光控制報文進行預(yù)處理，按照功能需求進行邏輯處理，將小燈、轉(zhuǎn)向燈燈光驅(qū)動信號再次以函數(shù)調(diào)用的形式發(fā)送至底層并直接驅(qū)動硬件端口工作，將前照燈、霧燈、倒車燈等燈光驅(qū)動信號以使能信號形式填充至報文，由底層發(fā)送至VCU所在總線，由VCU負責驅(qū)動相應(yīng)端口工作。

車身域控制器通過應(yīng)用層和底層的分層設(shè)計，實現(xiàn)域控制器硬件和應(yīng)用層軟件的相對獨立，應(yīng)用層只調(diào)用底層開放的通信接口，不關(guān)心硬件本身，因此可以實現(xiàn)應(yīng)用層軟件的快速移植。同時，域控方式下的軟件可以將燈光、雨刮等功能控制邏輯集中實現(xiàn)，按照車輛布線情況直接驅(qū)動相應(yīng)硬件端口工作或使能其他控制器完成端口驅(qū)動，避免功能分散，便于資源集中。

1.4.2.3 故障診斷

車身域控制器支持UDS和SAEJ1939DM1診斷，可同時發(fā)出同一故障的DTC碼和SPN碼，故障檢測類型豐富，包括供電故障、模擬電壓輸入故障、模擬電阻輸入故障、IO驅(qū)動故障和PWM驅(qū)動故障等。功能實現(xiàn)由CAN6診斷總線完成。其中，CAN6總線兼顧程序下載和故障診斷兩種功能。

CAN報文掉線檢測由底層直接完成，若底層未在規(guī)定時間內(nèi)收到心跳幀報文信號，則判定此控制器掉線并把在線狀態(tài)發(fā)送至MFD顯示。IO端口開短路故障、模擬量超限故障由應(yīng)用層進行故障診斷。其中，IO端口開短路故障診斷由應(yīng)用層接收車身域控制器底層發(fā)送的燈光、雨刮和玻璃加熱的驅(qū)動端口反饋電流信號和短路標志位信號，進行開短路故障判斷和故障確認后，以故障標志位的形式發(fā)送給底層，底層再進行故障記錄和處理。

2 功能驗證

為保證模型開發(fā)的準確性和嚴謹性，功能驗證分為兩個階段：單元測試和臺架測試。

2.1 單元測試

單元測試以車身域控功能模型內(nèi)的各個子系統(tǒng)的最小功能項為單元進行測試，保證模型開發(fā)完成后，設(shè)計功能與預(yù)期結(jié)果一致，減少后續(xù)代碼集成測試出現(xiàn)問題的概率。單元測試涉及測試內(nèi)容較多，以霧燈控制和雨刮控制為例，說明單元測試的結(jié)果。

霧燈控制單元測試結(jié)果如圖6所示，雨刮控制單元測試結(jié)果如圖7所示。

霧燈控制單元和雨刮控制單元測試表明，依據(jù)測試用例針對功能項逐步進行模擬測試，仿真結(jié)果可滿足預(yù)期功能，單元測試通過。

2.2 臺架測試

將應(yīng)用層軟件和底層軟件集成，通過專用的下載線或CAN下載器將固件代碼固化到域控制器的外部Flash中，開機上電后控制器從Flash引導區(qū)起始地址開始執(zhí)行代碼，通過臺架測試進一步驗證車身域控功能的可行性。

依據(jù)測試用例需求，臺架測試共包括136項測試項，經(jīng)測試驗證全部通過，說明車身域控功能的可行性。軟件功能測試項及測試結(jié)果見表1。

3結(jié)論

本文研究域控制器在汽車電控領(lǐng)域的應(yīng)用可行性和優(yōu)越性，以網(wǎng)關(guān)及車身控制功能開發(fā)為例，介紹了基于域控制器的汽車電控軟件開發(fā)流程和軟件AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計方式，針對基于域控制器的網(wǎng)關(guān)及車身控制功能建立測試用例，依次進行單元測試及臺架測試。

測試結(jié)果表明采用基于域控制器的AUTOSAR結(jié)構(gòu)下的電控系統(tǒng)能夠完成傳統(tǒng)分布式汽車電子電器架構(gòu)下的多個微控制器功能的集中控制，簡化電子電器架構(gòu)的復(fù)雜程度，減少資源冗余。同時，分層式架構(gòu)設(shè)計方式還可以實現(xiàn)軟件和硬件、應(yīng)用層和底層的相對獨立，并且統(tǒng)一的通用的通信接口的定義提高了軟件復(fù)用的能力，提高了開發(fā)效率。

參考文獻

[1]黎偉，俞曉勇，匡小軍.淺析汽車電子架構(gòu)發(fā)展與典型域控制器[J].時代汽車，2021（16）：163-164.

[2]劉子銘.車輛車身域控制器開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2023.

（編輯楊凱麟）