基于AutoSAR規(guī)范的驅(qū)動代碼生成工具箱設(shè)計與實現(xiàn)*

馮輝宗，劉先東，蔣建春，邱寶梅

（重慶郵電大學(xué) 重慶高校汽車電子與嵌入式系統(tǒng)工程研究中心，重慶400065）

隨著汽車電子的飛速發(fā)展和代碼自動生成技術(shù)的出現(xiàn)，汽車電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)了從建模、仿真到代碼自動生成的一體化開發(fā),極大提高了生成代碼的效率、通用性及可移植性[1]。但是，汽車控制系統(tǒng)中驅(qū)動代碼卻依賴于特定的硬件與運(yùn)行環(huán)境，主要還是以手工編寫代碼為主[2]。這種手工編寫代碼的方法存在大量的重復(fù)勞動，且代碼無法規(guī)范統(tǒng)一，可重用性不強(qiáng)、可讀性差。

所以，設(shè)計一款可以兼容多款處理器的驅(qū)動代碼工具，生成統(tǒng)一性、規(guī)范性和開發(fā)性代碼成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。當(dāng)前在汽車行業(yè)應(yīng)用最廣的是德國dSPACE公司的Targetlink代碼生成工具和Mathworks公司的RTW代碼生成工具[3]。本文采用Matlab/Simulnik/RTW工具設(shè)計并實現(xiàn)了基于代碼生成技術(shù)的驅(qū)動工具箱，實現(xiàn)了汽車電控系統(tǒng)中驅(qū)動代碼生成的可靠性、安全性、高效性及可移植性。

1 AutoSAR規(guī)范驅(qū)動接口

汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)AutoSAR(AuTomotive Open System ARchitecture)，主要可分為三層：應(yīng)用層、運(yùn)行時環(huán)境和基礎(chǔ)軟件。其中基礎(chǔ)軟件又包括系統(tǒng)服務(wù)、ECU抽象層和uC抽象層，所有驅(qū)動程序都包含在uC抽象層和ECU抽象層中。

本文依據(jù)AutoSAR規(guī)范中ECU抽象層和uC抽象層中硬件接口標(biāo)準(zhǔn)編寫驅(qū)動程序，組成驅(qū)動資源庫[4]。驅(qū)動程序按照硬件功能特點可分為四類：通用I/O硬件驅(qū)動、通信硬件驅(qū)動、存儲硬件驅(qū)動和微控制器驅(qū)動。其內(nèi)容與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微控制器抽象層

AutoSAR規(guī)范定義了汽車電控單元硬件驅(qū)動程序的接口規(guī)范，把驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，為驅(qū)動工具箱開發(fā)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 驅(qū)動代碼生成工具箱的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計方法

在Simulink/RTW平臺上設(shè)計基于AutoSAR規(guī)范的驅(qū)動代碼生成工具箱是通過建立S函數(shù)模塊配置參數(shù)并設(shè)計封裝入庫[5]來實現(xiàn)的。驅(qū)動工具箱的設(shè)計流程如圖2所示，具體內(nèi)容如下：

(1)分析AutoSAR規(guī)范中驅(qū)動函數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，確定驅(qū)動應(yīng)用代碼的內(nèi)容。

(2)分析汽車電控系統(tǒng)中驅(qū)動代碼的需求，確定驅(qū)動應(yīng)用代碼的格式。

(3)根據(jù)規(guī)范和需求確定驅(qū)動工具箱的設(shè)計方案，設(shè)計驅(qū)動工具箱為驅(qū)動配置功能模塊和驅(qū)動API功能模塊兩大類。

圖2 驅(qū)動工具箱設(shè)計流程圖

(4)編寫S函數(shù)，實現(xiàn)驅(qū)動配置功能模塊和驅(qū)動API功能模塊的參數(shù)變量。

(5)在Simulink平臺上建立S函數(shù)模塊并添加各功能模塊的參數(shù)變量。

(6)設(shè)計和封裝 S函數(shù)模塊內(nèi)容及格式，實現(xiàn)驅(qū)動功能模塊的功能和創(chuàng)建驅(qū)動工具箱并添加到Simulink庫中。

(7)依據(jù)驅(qū)動工具箱的功能編寫代碼生成模板，實現(xiàn)驅(qū)動應(yīng)用代碼自動生成。

2.2 實現(xiàn)

下面以驅(qū)動ADC模塊的實現(xiàn)為例詳細(xì)介紹驅(qū)動工具箱模塊的實現(xiàn)方法。

依據(jù)驅(qū)動工具箱的設(shè)計方案可知，驅(qū)動ADC功能模塊分為配置模塊和API模塊。ADC配置模塊實現(xiàn)不同處理器初始化配置；API模塊(即ADC驅(qū)動函數(shù)模塊)實現(xiàn)驅(qū)動函數(shù)接口的配置及函數(shù)的調(diào)用。ADC功能模塊實現(xiàn)的主要步驟及內(nèi)容如表1所示。

ADC驅(qū)動模塊庫中配置模塊通過初始化相關(guān)參數(shù)的配置，實現(xiàn)不同處理器下驅(qū)動ADC使用時其相關(guān)的頭文件包含、配置文件生成、初始化結(jié)構(gòu)體參數(shù)配置及ADC的API開關(guān)定義。ADC驅(qū)動API模塊由API函數(shù)接口變量的配置實現(xiàn)驅(qū)動函數(shù)與控制算法的無縫連接，并配置函數(shù)體參數(shù)實現(xiàn)API函數(shù)的正確調(diào)用。

表1 ADC功能模塊的實現(xiàn)內(nèi)容

各驅(qū)動模塊設(shè)計封裝好后添加到Simulink庫中就完成了驅(qū)動工具箱的設(shè)計。圖3是驅(qū)動代碼生成工具箱各功能模塊的結(jié)構(gòu)圖。

3 驅(qū)動工具箱代碼生成模板的設(shè)計與實現(xiàn)

代碼生成模板基于模塊TLC設(shè)計，其主要功能是驅(qū)動函數(shù)初始化代碼的實現(xiàn)和API函數(shù)調(diào)用代碼的實現(xiàn)[5]。

3.1 設(shè)計

基于RTW的代碼生成工具設(shè)計驅(qū)動工具箱代碼生成模板，主要包含系統(tǒng)目標(biāo)TLC和驅(qū)動模塊TLC。系統(tǒng)目標(biāo)TLC在Matlab7.1版系統(tǒng)目標(biāo)osekworks.tlc基礎(chǔ)上修改，修改TLC組件的包含及相關(guān)文件名即可[6]。驅(qū)動工具箱代碼生成模板結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動工具箱代碼生成模板結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動配置模塊TLC實現(xiàn)驅(qū)動初始化部分代碼的生成，驅(qū)動API模塊實現(xiàn)驅(qū)動函數(shù)調(diào)用代碼的生成。下面結(jié)合這兩類功能模塊TLC介紹驅(qū)動工具箱代碼生成模板的設(shè)計。

(1)驅(qū)動配置模塊TLC的設(shè)計

驅(qū)動配置模塊TLC結(jié)合配置模塊參數(shù)生成關(guān)聯(lián)芯片選擇的驅(qū)動初始化相關(guān)代碼，其主要內(nèi)容可以分為三大部分，具體內(nèi)容如下：

①頭文件包含代碼。TLC文件中由條件判斷語句判斷文件包含命令，再由TLC中文件內(nèi)插入代碼語句實現(xiàn)頭文件包含代碼。

②配置文件與API開關(guān)代碼。TLC中首先判斷芯片選擇內(nèi)容，再由配置文件生成語句實現(xiàn)對應(yīng)的配置文件生成，最后在生成的配置文件中添加對應(yīng)選擇芯片的驅(qū)動API開關(guān)代碼內(nèi)容。

③用戶自定義函數(shù)與驅(qū)動初始化函數(shù)代碼。用戶自定義函數(shù)包含驅(qū)動初始化函數(shù)、實現(xiàn)用戶自定義驅(qū)動初始化函數(shù)功能。用戶自定義函數(shù)代碼包含main函數(shù)中的函數(shù)調(diào)用、頭文件中函數(shù)的聲明、源文件中函數(shù)體的定義等內(nèi)容。驅(qū)動初始化結(jié)構(gòu)體參數(shù)和初始化函數(shù)內(nèi)嵌到自定義函數(shù)定義里。

(2)驅(qū)動API模塊TLC的設(shè)計

按照API模塊代碼生成模板功能，驅(qū)動API模塊TLC要實現(xiàn)的是API函數(shù)的調(diào)用代碼和函數(shù)返回值傳遞。API函數(shù)調(diào)用代碼包含函數(shù)及參數(shù)配置，在TLC中由獲取模塊參數(shù)值實現(xiàn)。函數(shù)返回值的傳遞由全局變量實現(xiàn)，在配置文件中對全局變量進(jìn)行定義聲明。

3.2 實現(xiàn)

每個驅(qū)動模塊代碼生成模板實現(xiàn)方法都一致。下面以ADC為例分析驅(qū)動配置模塊TLC和驅(qū)動API模塊TLC介紹代碼生成模板的具體實現(xiàn)。

(1)ADC驅(qū)動配置模塊TLC的實現(xiàn)

ADC驅(qū)動模塊TLC內(nèi)容分三部分，各部分通過條件選擇和配置文件實現(xiàn)與芯片選擇關(guān)聯(lián)。

①頭文件包含部分實現(xiàn)主要代碼如下：

#define ADC_GET_VERSION_INFO_API STD_ON

……. //各驅(qū)動 API開關(guān)添加

%closefile buffer

③配置文件與驅(qū)動初始化配置：在生成的配置文件中添加驅(qū)動初始化代碼，實現(xiàn)代碼如下：

%openfile buffer

void%＜SFcnParamSettings.APPFcnName＞()

{const Adc_ConfigType

%＜SFcnParamSettings.Adc_Config＞={

ADC驅(qū)動初始化結(jié)構(gòu)體參數(shù)代碼}；

Adc_Init(&%＜SFcnParamSettings.Adc_Config＞);}

%closefilebuffer

(2)ADC驅(qū)動API模塊TLC的實現(xiàn)

驅(qū)動API模塊TLC中主要是函數(shù)參數(shù)配置與返回值傳遞，具體實現(xiàn)代碼如下：

%openfile buffer

Extern%＜SFcnParamSettings.DataBufferType＞

%closefile buffer

在生成源文件中插入以下代碼實現(xiàn)全局變量定義：

%openfile buffer

%＜SFcnParamSettings.DataBufferName＞={0};

%closefile buffer

4 驅(qū)動代碼生成工具箱的應(yīng)用

驅(qū)動工具箱應(yīng)用于BCM車窗控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)車窗控制系統(tǒng)中驅(qū)動代碼的自動生成。

車窗控制系統(tǒng)中需要驅(qū)動的有兩部分：車窗控制函數(shù)的輸入信號由ADC采樣獲?。卉嚧翱刂坪瘮?shù)輸出信號由DIO或者PORT實現(xiàn)對目標(biāo)ECU管腳的輸出，完成對車窗的驅(qū)動。

使用Real-Time Workshop將Simulink模型轉(zhuǎn)化為代碼時，編譯器通過系統(tǒng)目標(biāo)TLC并調(diào)用模塊對應(yīng)的TLC文件，最終生成滿足目標(biāo)ECU的C語言代碼。下面是RTW中驅(qū)動應(yīng)用于車窗控制模型代碼自動生成的三個步驟：

第一步：修改Matlab中系統(tǒng)目標(biāo)TLC文件osekworks.tlc。

第二步：配置模型參數(shù)配置對話框中的標(biāo)簽頁對其中幾個標(biāo)簽頁進(jìn)行設(shè)置。

(1)Solver：設(shè)置 Solver類型為離散（discrete）固定步長（Fixed-step）；

(2)Real-Time Workshop：在該標(biāo)簽頁中填寫系統(tǒng)目標(biāo)osekworks.tlc，調(diào)用對應(yīng)的模塊TLC文件來生成代碼。

第三步：代碼自動生成。 點擊Real-Time Workshop中的GenerateCode可以直接生成代碼。

從代碼生成報告中可看出，驅(qū)動應(yīng)用部分代碼主要體現(xiàn)在包含驅(qū)動初始化代碼的配置文件和調(diào)用驅(qū)動API函數(shù)的車窗控制算法代碼文件中。下面是兩部分的驅(qū)動應(yīng)用代碼生成的結(jié)果。

(1)Adc_App.c文件中ADC驅(qū)動初始化部分：

#include"Adc_App.h"

uint16 DataBufferPtr_FR[1]={0};

void Adc_APP_Init_FR()

{const Adc_ConfigType Adc_Config={

ADC_CHANNEL_3,

……}; //結(jié)構(gòu)體參數(shù)配置

Adc_Init(&Adc_Config);

(2)車窗控制scan_MR_window_SW中ADC驅(qū)動應(yīng)用：

unsigned char scan_MR_window_SW(old_AD)

{unsigned int AD_value,status;

Adc_APP_Init_MR();

Adc_SetupResultBuffer(ADC_GROUP_2,DataBuffer Ptr_MR);

本文采用Matlab/Simulink/RTW工具，結(jié)合AutoSAR驅(qū)動規(guī)范，提出了一種基于代碼生成技術(shù)的汽車電子底層驅(qū)動工具箱的設(shè)計方法。該方法能屏蔽芯片硬件特性的差異性，滿足不同硬件處理器要求。通過BCM車窗控制模型對驅(qū)動的應(yīng)用，實現(xiàn)了代碼的自動生成?？焖偬鎿Q控制模型中的被控對象，極大地方便了汽車電子嵌入式控制系統(tǒng)底層驅(qū)動代碼的應(yīng)用，提高了汽車電子控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

[1]齊振恒，孫中杰，李濤.RTW嵌入式代碼自動生成機(jī)制與代碼結(jié)構(gòu)分析[J].計算機(jī)測量與控制，2010，18(3)：639-642.

[2]鄢化彪.構(gòu)建RTW下的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境.單片機(jī)與嵌 入 式 系 統(tǒng) 應(yīng) 用[J].2007(1)：72-73.

[3]Real-Time workshop for use with Simulink[M].The Mathworks Inc.1999：5-26.

[4]王安軍，蔣建春，陳培然.符合AUTOSAR規(guī)范的底層驅(qū)動軟件開發(fā)[J].計算機(jī)工程，2011(9)：62-64、67.

[5]陳永春.從Matlab/Simulink模型到代碼實現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：180-200.

[6]Hu Jinhui，Hu Dabin，Xiao Jianbo.Study of real-time simulation system based on RTW and Its application in warship simulator[C].Conference on Electronic Measurement&Instruments，2009：966-970.