提高AUTOSAR模型開發(fā)效率的方法

張澤瑩 顏江 王慧 顏家彬 呂夢(mèng) 包夢(mèng)

【摘? 要】主要使用車載ECU中用于生成代碼的模型開發(fā)過程，從以往的自上而下開發(fā)流程轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露祥_發(fā)流程，極大提高AUTOSAR模型開發(fā)效率。

【關(guān)鍵詞】ECU；AUTOSAR；V模型開發(fā)流程；MBD；Arxml

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0035-03

【Abstract】The model development process used to generate code in the ECU is mainly used to change from the previous up-down development process to the down-up development process，which greatly improves the efficiency of AUTOSAR model development.

【Key words】ECU；AUTOSAR；V model development process；MBD；Arxml

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，車載ECU的軟件復(fù)雜度也越來(lái)越高，AUTOSAR（Automotive Open System Architecture，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）作為一個(gè)開放、標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)，使用RTE（Run Time Environment，運(yùn)行環(huán)境）和虛擬總線技術(shù)可將ECU內(nèi)軟件的復(fù)雜度限定在可控范圍內(nèi)，且更容易分散開發(fā)。其中，開發(fā)人員使用V模型開發(fā)流程，并在開發(fā)應(yīng)用層軟件時(shí)更多地使用MBD（Model Based Design，基于模型的設(shè)計(jì)）方法，即使用模型生成代碼的方式進(jìn)行軟件開發(fā)。模型不僅更加直觀，而且在軟件早期開發(fā)階段能夠自動(dòng)生成符合規(guī)范的代碼進(jìn)行更多環(huán)節(jié)的測(cè)試，顯著提高應(yīng)用層軟件開發(fā)品質(zhì)和效率。為了代碼符合AUTOSAR規(guī)范并提高開發(fā)效率，此處需要使用一種不同于普通MBD的開發(fā)流程。本文將通過AUTOSAR基本原理、V模型的開發(fā)流程、MBD方法等3個(gè)方面逐步介紹如何提高AUTOSAR模型開發(fā)效率。

1? AUTOSAR基本原理

AUTOSAR是一家致力于制定汽車電子軟件標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)盟，其制定了一套專門用于開發(fā)汽車的開放性框架和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以給軟件系統(tǒng)及車輛電子提供一個(gè)高效管理平臺(tái)，也促進(jìn)了兩者之間的更新與交換。另外，產(chǎn)品及服務(wù)品質(zhì)可以得到有效保證，成本效率也得到了極大提高。

如圖1所示，AUTOSAR分層軟件系統(tǒng)位于ECU里面，其主要由3個(gè)部分組成。功能系統(tǒng)（Functional System）位于系統(tǒng)的頂層，擁有電氣子系統(tǒng)（如外部照明系統(tǒng)、后視鏡系統(tǒng)等）需要的所有特征，AUTOSAR軟件組件（SWC，Software Component）是由這些系統(tǒng)組成的元素，它的特點(diǎn)是接口定義良好，數(shù)據(jù)完整齊全，通信媒介是VFB（Virtual Functional Bus，虛擬功能總線）。RTE介于應(yīng)用軟件（Application Software）和基礎(chǔ)軟件（Basic Software）之間，是虛擬功能總線接口的實(shí)現(xiàn)，對(duì)基礎(chǔ)軟件組件的訪問有極大的促進(jìn)作用，同時(shí)在應(yīng)用軟件相互通信中扮演“橋梁”的作用。RTE下面的部分叫做基礎(chǔ)軟件，主要提供復(fù)雜驅(qū)動(dòng)、通信服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)及系統(tǒng)服務(wù)等，在不同的電氣架構(gòu)里，軟件組件可以重新定位到不同的ECU[1]。

虛擬功能總線抽象了軟件構(gòu)件間、軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件間的通信，是SWC獨(dú)立于硬件的基礎(chǔ)，這就意味著兩個(gè)SWC不僅可以在同一個(gè)ECU中通信，也可以在多個(gè)ECU通過虛擬功能總線通信，其允許的方式有：S-R通信，即發(fā)送者-接收者模式，一個(gè)SWC發(fā)送信息，另一個(gè)SWC接收其信息；C-S通信，即客服端-服務(wù)器端模式，客戶端提出請(qǐng)求，服務(wù)器端提供其請(qǐng)求的服務(wù)[1]。

2? 基于V模式的開發(fā)流程

在汽車行業(yè)中，軟硬件開發(fā)需要有一個(gè)完整的開發(fā)過程，其中包含的步驟有：需求分析、代碼生成、集成測(cè)試等，這就是V模式開發(fā)流程。在整個(gè)流程中，每個(gè)步驟可以得到精確驗(yàn)證，系統(tǒng)也可以使用相同的開發(fā)環(huán)境、編程環(huán)境、測(cè)試環(huán)境。如圖2所示，基于V模式的開發(fā)流程包括五大步驟，即需求定義與功能設(shè)計(jì)、快速控制原型（rapid control prototype，RCP）、目標(biāo)代碼生成、硬件在環(huán)（hardware in the loop，HIL）、測(cè)試與標(biāo)定[2]。

1）需求定義與功能設(shè)計(jì)：分析用戶需求，使用建模工具，如MATLAB/Simulink等，設(shè)計(jì)需求模型，使用離線仿真驗(yàn)證其正確性，即模型是否滿足需求。

2）快速控制原型：在原型系統(tǒng)里面導(dǎo)入實(shí)時(shí)仿真模型，實(shí)際被控對(duì)象與其進(jìn)行連接，通過測(cè)試來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件方案是否可行。

3）目標(biāo)代碼生成：采用Embedded Code或Targetlink等工具，對(duì)模型予以轉(zhuǎn)化，自動(dòng)生成產(chǎn)品代碼。

4）硬件在環(huán)：被測(cè)對(duì)象與實(shí)時(shí)處理器通過I/O接口連接，運(yùn)行仿真模型，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。

5）測(cè)試與標(biāo)定：主要對(duì)ECU進(jìn)行測(cè)試與標(biāo)定，根據(jù)需求情況調(diào)整ECU參數(shù)。

3? 基于模型設(shè)計(jì)（MBD）開發(fā)方法

MBD是一種軟件設(shè)計(jì)方法，它以模型為中心，使用建模工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，使用離線仿真工具驗(yàn)證系統(tǒng)模型是否正確。根據(jù)上文所述，MBD方法可以充分應(yīng)用在基于V模式的開發(fā)流程中。如圖3所示，系統(tǒng)需求分析、驗(yàn)收測(cè)試等步驟都可以在不同層次的模型中進(jìn)行，保證設(shè)計(jì)與分析同步[3]。

4? 提高AUTOSAR模型開發(fā)效率的方法

為了符合AUTOSAR規(guī)范的代碼，需要一種不同于普通MBD的開發(fā)流程，AUTOSAR對(duì)于模型的要求主要在于接口和Runnable，即模型的外部框架，模型/架構(gòu)工程師常常使用AUTOSAR架構(gòu)管理工具結(jié)合Arxml（Autosar eXtensible Markup Language，符合Autosar的xml文件）來(lái)管理模型框架，這其中就分為兩種不同的工作流程：自上而下和自下而上。

4.1? 自上而下

如圖4所示，在自上而下的開發(fā)流程中，模型工程師使用AUTOSAR架構(gòu)管理工具來(lái)設(shè)計(jì)模型框架，設(shè)計(jì)完成后AUTOSAR架構(gòu)管理工具會(huì)生成Arxml文件，該Arxml里包含了模型的框架信息：Runnable、Interface、Datatype等。將Arxml文件導(dǎo)入建模工具后會(huì)自動(dòng)完成模型框架的創(chuàng)建工作，該框架有AUTOSAR相關(guān)設(shè)置和接口模塊等。接著模型工程師就可以在該框架內(nèi)部搭建算法模型。建模完成后經(jīng)過MBD的測(cè)試即可生成符合AUTOSAR規(guī)范的代碼[4]。

4.2? 自下而上

如圖5所示，在自下而上的開發(fā)流程中，首先使用建模工具搭建好算法模型，完成后利用建模工具提供的AUTOSAR框架配置工具箱進(jìn)行模型的相關(guān)AUTOSAR配置，如Interface、Port、Runnable、Path等，設(shè)置完成后自動(dòng)生成Arxml文件和AUTOSAR代碼，并將Arxml導(dǎo)入到AUTOSAR架構(gòu)管理工具中進(jìn)行RTE（AUTOSAR架構(gòu)中各模塊之間數(shù)據(jù)交互的代碼環(huán)境）的設(shè)計(jì)。

綜上所述，自下而上與自上而下的工作流程在建模工具和AUTOSAR架構(gòu)管理工具中需要完全相同的AUTOSAR配置，尤其是接口對(duì)象需要被正確設(shè)置，來(lái)保證代碼可以被正確集成?，F(xiàn)在常用的開發(fā)流程是自上而下的開發(fā)模式，但AUTOSAR架構(gòu)管理工具通常不支持腳本化建模方式，搭建模型框架需要靠開發(fā)人員手動(dòng)進(jìn)行，在模型數(shù)量較多、接口較多的情況下，會(huì)大量重復(fù)進(jìn)行模型AUTOSAR配置工作，不僅開發(fā)人員的時(shí)間被耗費(fèi)，精力不濟(jì)也容易導(dǎo)致出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)增加。自下而上的開發(fā)模式，則因?yàn)樵缙诎姹镜慕９ぞ邔?duì)AUTOSAR的支持并不完善，存在很多Bug，因此該開發(fā)模式使用較少且并不成熟。在自下而上模式開發(fā)案例中，開發(fā)者需要使用建模工具提供的AUTOSAR框架配置工具箱，手動(dòng)配置Interface、Port、Runnable、Path等，以使得模型能夠生成AUTOSAR代碼和Arxml文件，但同樣存在大量重復(fù)性手工配置工作。

本文將介紹一種全新的自下而上開發(fā)模式，此方法基于建模工具的AUTOSAR框架配置工具，目的是改善AUTOSAR配置流程，將建模工具中模型的框架配置過程全自動(dòng)化，可以一鍵將傳統(tǒng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)锳UTOSAR模型，且能夠生成符合AUTOSAR規(guī)范的代碼和Arxml文件，極大提高AUTOSAR模型開發(fā)效率和傳統(tǒng)模型復(fù)用率。首先搭建應(yīng)用層模型，模型頂層（模型外圍框架）需符合AUTOSAR建模規(guī)范，即一個(gè)函數(shù)接口和多個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)接口，圖6為符合AUTOSAR規(guī)范的模型框架。接著使用本文介紹的AUTOSAR配置工具對(duì)應(yīng)用層模型進(jìn)行全自動(dòng)化配置，包括生成代碼的配置和AUTOSAR配置，一鍵運(yùn)行后該工具會(huì)進(jìn)行以下操作。

1）調(diào)取模型Configuration API，將模型的Configuration（生成代碼相關(guān)設(shè)置）設(shè)置為AUTOSAR方案，如設(shè)置系統(tǒng)生成AUTOSAR代碼而非普通嵌入式代碼等。

2）調(diào)取模型的AUTOSAR框架配置工具箱API（圖7），根據(jù)項(xiàng)目要求的AUTOSAR配置方案（如Data Element、Port命令規(guī)則等）自動(dòng)設(shè)置其中所需的AUTOSAR配置（Port、Interface、Path等），并將模型端口和Port、Interface、DataElement映射起來(lái)。

3）將配置過程同步打印至命令窗口，例如Port和Interface的創(chuàng)建和映射等，如圖8所示。

4）最后自動(dòng)生成AUTOSAR代碼和Arxml文件，如圖9所示。

5? 總結(jié)

本文介紹的AUTOSAR配置工具一鍵運(yùn)行將傳統(tǒng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)锳UTOSAR模型，提高了已有傳統(tǒng)模型復(fù)用率，省去了現(xiàn)有兩種模式中都需要的人工配置工作，讓模型工程師可以集中精力搭建算法模型，而不是模型框架，大幅降低AUTOSAR模型開發(fā)的時(shí)間成本和人力成本，極大提高AUTOSAR模型開發(fā)效率，減少潛在錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王軍，宋順林. 基于MDA的汽車嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（9）：2048-2051.

[2] 鄭振，張仲穎. 汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2014（9）：64-64，66.

[3] 魏學(xué)哲，戴海峰，孫澤昌. 汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（7）：1064-1070.

[4] 張麗萍，國(guó)云飛. 基于MATLAB的AUTOSAR自動(dòng)代碼生成技術(shù)[J]. 汽車零部件，2016，9（8）：36-40.

（編輯? 楊? 景）