基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的TCU軟件設(shè)計(jì)

李育

(上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201807)

基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的TCU軟件設(shè)計(jì)

李育

(上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201807)

基于AUTOSAR汽車(chē)電子軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)提出了濕式雙離合變速箱控制單元(TCU)的嵌入式軟件架構(gòu)，并對(duì)其軟件組件與接口層實(shí)時(shí)環(huán)境的配置進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，接口層實(shí)時(shí)環(huán)境配置實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層軟件與底層基礎(chǔ)軟件的分離，并通過(guò)AUTOSAR操作系統(tǒng)對(duì)TCU任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

AUTOSAR；濕式雙離合變速箱控制單元；軟件設(shè)計(jì)

0 引言

隨著汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的日益成熟，其內(nèi)嵌的控制算法也越來(lái)越復(fù)雜，所以提高嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)周期以及應(yīng)用軟件的可重用性，便成了各大汽車(chē)軟件供應(yīng)商急需解決的難題。為此，全球主流汽車(chē)制造商、零部件供應(yīng)商以及半導(dǎo)體供應(yīng)商、軟件開(kāi)發(fā)商在2003年聯(lián)合成立了AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)組織，建立了一種標(biāo)準(zhǔn)化的汽車(chē)電子軟件平臺(tái)，提出新的汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)理念來(lái)簡(jiǎn)化ECU(Electronic Control Unit,電子控制器)開(kāi)發(fā)流程，即汽車(chē)電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中軟件與硬件分離，使汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)從ECU硬件驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用軟件功能化驅(qū)動(dòng)[1]。

隨著AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為未來(lái)汽車(chē)軟件架構(gòu)的主流，作為汽車(chē)電子核心部件的雙離合變速箱控制單元(Transmission Control Unit，TCU)，也將在今后的軟件開(kāi)發(fā)中遵循該標(biāo)準(zhǔn)。因此，作者在系統(tǒng)地分析AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)及開(kāi)發(fā)方法的基礎(chǔ)之上，研究了如何在TCU平臺(tái)上設(shè)計(jì)符合AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層軟件系統(tǒng)架構(gòu)、軟件組件以及接口層配置，其中，重點(diǎn)闡述了應(yīng)用層軟件組件的設(shè)計(jì)方法。

1 AUTOSAR架構(gòu)

基于TCU的系統(tǒng)需求，作者設(shè)計(jì)了符合AUTOSAR架構(gòu)的TCU軟件系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 AUTOSAR軟件架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)軟件功能的復(fù)用和標(biāo)準(zhǔn)化，AUTOSAR定義了層次化、模塊化的體系架構(gòu)，劃分為以下3個(gè)模塊[2-3]：

1.1 應(yīng)用軟件層SWC

應(yīng)用層代表著汽車(chē)電子軟件中最核心的功能，控制功能設(shè)計(jì)都在這一層進(jìn)行。應(yīng)用層最基本的組成是軟件組件 SWC(Software Component)，包括圖1中的信號(hào)處理、離合器控制、協(xié)調(diào)控制、同步器控制、電子泵、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等功能組件。每個(gè)SWC 都封裝了單個(gè)或多個(gè)運(yùn)行體(Runnables)，并通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)軟件組件之間的通信、系統(tǒng)功能調(diào)用以及TCU硬件資源的訪(fǎng)問(wèn)。

1.2 實(shí)時(shí)環(huán)境 RTE

如圖1中的鏈接線(xiàn)，RTE(Runtime Environment)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層軟件與底層基礎(chǔ)軟件之間的分離，上層的每個(gè) SWC 都與 RTE 交互，使得數(shù)據(jù)與事件傳遞到其他各個(gè)模塊。RTE 實(shí)現(xiàn)了對(duì)I/O、存儲(chǔ)和其他基本服務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)。

1.3 基礎(chǔ)軟件層 BSW

如圖1所示，基礎(chǔ)軟件BSW(Basic Software)位于RTE之下、微控制器硬件之上，起到承上啟下的作用。BSW主要為應(yīng)用層提供硬件驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度等底層服務(wù)。BSW本身又包括微控制器抽象層、ECU抽象層、服務(wù)層以及復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層。 BSW每一層均向其上層軟件組件提供服務(wù)，并屏蔽了其下層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。例如，微控制器抽象層為 ECU 抽象層提供服務(wù)，卻并不涉及微控制器與外部設(shè)備具體的物理連接，如接口類(lèi)型和引腳等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要根據(jù)系統(tǒng)需求來(lái)詳細(xì)定義上述3個(gè)模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并定義各模塊內(nèi)功能子系統(tǒng)的接口屬性[4]。

2 AUTOSAR應(yīng)用層軟件組件開(kāi)發(fā)

應(yīng)用層軟件是由多個(gè)相互交互的SWC構(gòu)成， SWC的設(shè)計(jì)除了定義自身的類(lèi)型外，還需定義端口、接口、運(yùn)行實(shí)體及觸發(fā)運(yùn)行實(shí)體所對(duì)應(yīng)的RTE事件等屬性，如圖2所示。

圖2 組件開(kāi)發(fā)內(nèi)容

2.1 SWC類(lèi)型

AUTOSAR按功能屬性將SWC劃分為應(yīng)用層、傳感器/執(zhí)行器、標(biāo)定參數(shù)、服務(wù)層、ECU抽象層、復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型[5]。如圖1中的InputOutput組件即為傳感器/執(zhí)行器類(lèi)型的SWC，而Auxiliary Coordinator等組件則實(shí)現(xiàn)了TCU應(yīng)用層控制策略，即為應(yīng)用層類(lèi)型的SWC。以下描述的屬性設(shè)置都針對(duì)應(yīng)用層SWC。

2.2 SWC屬性設(shè)置

2.2.1 端口

端口(Port)定義了SWC與外界通信的傳輸方向以及所承載的接口。根據(jù)傳輸方向，端口分為供型端口(Provide-Port，對(duì)外提供某種數(shù)據(jù)或者某類(lèi)操作)和需型端口(Receive-Port，請(qǐng)求從其他SWC獲得所需數(shù)據(jù)或者操作)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由供型端口傳向需型端口，還需對(duì)這兩個(gè)端口指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌陬?lèi)型。如圖3所示，設(shè)置Motor Control的端口為供型端口，Input/Output的端口為需型端口，兩者之間的數(shù)據(jù)通過(guò)這兩個(gè)端口中的接口實(shí)現(xiàn)傳輸。

圖3 SWC之間端口和接口連接示意圖

2.2.2 軟件接口

端口只定義了軟件組件間通信方向，其中的通信內(nèi)容及交互方式則由AUTOSAR中定義的接口(Interface)來(lái)描述。對(duì)于應(yīng)用層軟件，接口有2種：發(fā)送者/接收者接口(Sender-Receiver：直接訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的n∶n交互方式，文中主要用于應(yīng)用層各SWC間的交互)；客戶(hù)端/服務(wù)器接口(Client-Server：通過(guò)參數(shù)調(diào)用訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的1∶n交互方式，文中主要用于應(yīng)用層SWC與BSW之間的交互)。如圖3所示，Motor Control與Output通過(guò)Sender-Receiver接口交互數(shù)據(jù)；Input/Output通過(guò)Client-Server接口與BSW的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層(CDD)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層即為服務(wù)端。

2.2.3 運(yùn)行實(shí)體

運(yùn)行實(shí)體(Runnables)定義了SWC所需實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)及其輸入輸出信號(hào)，而TCU的功能函數(shù)是由基于Simulink開(kāi)發(fā)的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。為生成符合AUTOSAR要求的SWC代碼，需要將Simulink模型通過(guò)dSPACE公司提供的TargetLink工具封裝成AUTOSAR架構(gòu)模型。如圖4所示，架構(gòu)模型的封裝包括：模型封裝成運(yùn)行實(shí)體，相應(yīng)的輸入輸出封裝成虛擬BUS，并從SWC的端口中提取所需的信號(hào)。此外，運(yùn)行實(shí)體還提供了參數(shù)訪(fǎng)問(wèn)端口，通過(guò)該端口模型可以訪(fǎng)問(wèn)外部的標(biāo)定參數(shù)。

圖4 AUTOSAR架構(gòu)轉(zhuǎn)換

運(yùn)行實(shí)體的運(yùn)行是由觸發(fā)事件來(lái)激活的， 為此AUTOSAR定義了多種觸發(fā)類(lèi)型，而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的TCU應(yīng)用層軟件，運(yùn)行實(shí)體都選擇由周期性時(shí)間來(lái)觸發(fā)運(yùn)行。具體的觸發(fā)周期需由運(yùn)行實(shí)體的設(shè)計(jì)要求而定，如圖1中的Auxiliary Coordinator的運(yùn)行周期為5 ms，而控制要求更高的Motor Control，運(yùn)行周期為2.5 ms。

2.3 組合

按上述方法設(shè)計(jì)完成的SWC只是獨(dú)立的個(gè)體描述，要想將這些SWC關(guān)聯(lián)起來(lái)并通過(guò)RTE來(lái)實(shí)現(xiàn)這些關(guān)聯(lián)，則需將這些描述進(jìn)行實(shí)例化并加載到一個(gè)容器里，此容器即稱(chēng)之為組合(Composition)。組合原則上可以有多個(gè)，這里只需創(chuàng)建一個(gè)即可。

在組合里，包含了SWC和BSW各模塊的實(shí)例，通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)例之間的端口來(lái)創(chuàng)建彼此鏈接關(guān)系。需要注意的是，不同接口類(lèi)型的端口之間不能創(chuàng)建鏈接，而且只能由Sender指向Receiver，或只能由Client調(diào)用Server，反之都無(wú)法鏈接。除了建立內(nèi)部鏈接，還需定義外部端口來(lái)與外部系統(tǒng)通信，對(duì)于TCU，即實(shí)現(xiàn)與CAN總線(xiàn)的鏈接。文中通過(guò)dSPACE公司的SystemDesk工具創(chuàng)建了如圖5所示組合。

圖5 組合的內(nèi)部連接圖

3 RTE配置

前面描述了TCU的系統(tǒng)架構(gòu)和軟件組件，但如何將這些設(shè)計(jì)映射到具體的ECU中及其代碼實(shí)現(xiàn)則需要通過(guò)配置RTE來(lái)完成。

SWC與BSW、SWC之間的交互都是通過(guò)RTE提供的虛擬功能總線(xiàn)通信機(jī)制(Virtual File System，VFS)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示。這樣的設(shè)計(jì)抽象了應(yīng)用層和基礎(chǔ)層，能防止SWC直接訪(fǎng)問(wèn)BSW和OS，有利于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸并保證數(shù)據(jù)一致性，而且同時(shí)支持簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)及復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及SWC的多途徑應(yīng)用。

圖6 RTE實(shí)現(xiàn)的VFS通信機(jī)制

配置完成的RTE將自動(dòng)生成C語(yǔ)言代碼，上述的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)，而不是傳統(tǒng)嵌入式C代碼(ERT)中的變量直接賦值形式。兩者間的差異如表1所示。

表1 AUTOSAR代碼與ERT代碼的差異

RTE定義的接口函數(shù)結(jié)構(gòu)如下：