基于FreeRTOS的車(chē)載終端以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)目前控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network， CAN）總線技術(shù)通信速度較慢、帶寬有限以及可擴(kuò)展性差等弊端，利用車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)控制器與車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制單元T-Box的局域網(wǎng)通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和收集。在嵌入式平臺(tái)STM32F429VIT6移植FreeRTOS操作系統(tǒng)和LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過(guò)OTA技術(shù)完成系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩魧?shí)時(shí)提供汽車(chē)電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)響應(yīng)指令的時(shí)間約為6 ms，且具有局域網(wǎng)內(nèi)的OTA升級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：車(chē)載以太網(wǎng)；STM32；FreeRTOS；LwIP；OTA；局域網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.013

0 引 言

汽車(chē)的電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）在讀取車(chē)內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)后，通常采用CAN總線和車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制單元（Telematics-Box， T-Box）進(jìn)行局域網(wǎng)通信，但如今消費(fèi)者愈發(fā)重視汽車(chē)駕駛的安全可靠以及車(chē)內(nèi)的娛樂(lè)化需求，汽車(chē)廠商不斷擴(kuò)展汽車(chē)內(nèi)部集成的傳感器，導(dǎo)致CAN總線與T-Box通信的帶寬不足以匹配目前車(chē)內(nèi)傳感器數(shù)量[1]，因而推動(dòng)了以太網(wǎng)技術(shù)介入汽車(chē)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程，車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖1所示。

以太網(wǎng)自1973年提出后，憑借其簡(jiǎn)單和易擴(kuò)展性幾乎取代了所有計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)，并逐步運(yùn)用在汽車(chē)環(huán)境中。使用車(chē)載以太網(wǎng)有助于在車(chē)內(nèi)集成實(shí)時(shí)控制功能和非實(shí)時(shí)娛樂(lè)功能[3]。連接外部攝像頭或傳感器的ECU不但需要大帶寬傳輸視頻流等數(shù)據(jù)，而且其對(duì)延時(shí)要求嚴(yán)格，需要ECU有較好的實(shí)時(shí)性；負(fù)責(zé)安全功能的ECU，如：防抱死系統(tǒng)ABS、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS，不僅要保證數(shù)據(jù)的延時(shí)與可靠性，而且要避免系統(tǒng)誤操作造成駕駛事故；汽車(chē)的固件維護(hù)功能，如：OTA，需要保證更新速度合理并保障數(shù)據(jù)傳輸安全性，防止外部通信干擾更新過(guò)程。

本文在上述背景下，將文獻(xiàn)[4]搭建的嵌入式硬件平臺(tái)視為車(chē)載控制器，研究設(shè)計(jì)了圖1中的局域網(wǎng)通信部分，將汽車(chē)電池的電壓和溫度參數(shù)借助車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)交付給T-Box收集和存儲(chǔ)；T-Box下發(fā)命令指定控制器改變工作模式；控制器借助OTA技術(shù)完成系統(tǒng)軟件無(wú)線升級(jí)。

1 車(chē)載以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MCU采用STM32F429芯片，并通過(guò)RMII接口與TJA1100連接。TJA1100通過(guò)MDI接口與網(wǎng)口連接，通過(guò)車(chē)載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)控制器與T-Box的通信。本文重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的軟件部分，硬件平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[4]。

1.1 通信軟件的需求分析

從參數(shù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2個(gè)方面分析通信軟件定量與定性需求，匯總見(jiàn)表1所列。發(fā)送的參數(shù)要保證精度高，即傳感器誤差范圍?。豢刂破鹘邮罩噶詈笠ＷC實(shí)時(shí)性響應(yīng)；通信軟件應(yīng)易于維護(hù)和管理，以便快速檢測(cè)和修復(fù)程序中的

問(wèn)題。

傳感器誤差范圍是硬件指標(biāo)，通過(guò)查閱溫敏電阻XH-T106的RT表，在15～75 ℃范圍內(nèi)，XH-T106的誤差為（0.62±0.29）℃，滿足需求。

1.2 通信軟件的整體結(jié)構(gòu)

本文的車(chē)載終端以太網(wǎng)通信系統(tǒng)可分為硬件層和軟件層，軟件層可進(jìn)一步細(xì)分為驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用

層[5]。軟件的分層架構(gòu)如圖3所示。

1.3 驅(qū)動(dòng)層軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)層包括以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模塊、時(shí)鐘模塊、串口模塊、ADC模塊和I/O模塊。

以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模塊的初始化涉及硬件和軟件配置。硬件配置包括通過(guò)上拉或下拉電阻，配置TJA1100為從模式、自主工作模式以及采用外接25 MHz晶振的RMII電路連接STM32。軟件配置涉及在Reset引腳高電平條件下，通過(guò)TXEN引腳的上升沿觸發(fā)TJA1100的工作模式切換。最后配置引腳為以太網(wǎng)功能，設(shè)置I/O模式為推挽復(fù)用，并配置以太網(wǎng)工作模式為100 Mb/s帶寬傳輸、全雙工通信和中斷接收。

時(shí)鐘模塊設(shè)置分配器M系數(shù)為25，倍頻器N為360，分頻器P為2，可得系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為180 MHz。

ADC模塊在軟件中設(shè)置ADC時(shí)鐘頻率為22.5 MHz，轉(zhuǎn)換頻率為1.5 MHz，配置對(duì)應(yīng)有復(fù)用成ADC功能的I/O引腳模式為模擬輸入模式。

串口模塊在軟件中設(shè)置串口波特率為115 200 b/s，并定義數(shù)據(jù)格式和收發(fā)模式，最后初始化串口的收發(fā)引腳TX

與RX。

1.4 操作系統(tǒng)層軟件移植

1.4.1 FreeRTOS移植

為滿足本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收指令的實(shí)時(shí)性要求，本文引入了支持多任務(wù)調(diào)度的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為控制器軟件層的關(guān)鍵組成部分[6]。官網(wǎng)獲取FreeRTOS的V9.0.0版本源碼包后，只需修改FreeRTOSConfig.h和stm32f4xx_it.c即可。前者是實(shí)現(xiàn)FreeRTOS功能可裁剪的關(guān)鍵，按照開(kāi)發(fā)者的意愿自行剪裁操作系統(tǒng)；最后刪除后者中重復(fù)定義的SysTick、PendSV、SVC中斷函數(shù)即可完成移植。其他文件夾include、portable中RVDS、MemMang以及主路徑下的若干.c文件對(duì)大多數(shù)編譯器均適用，保留即可。

1.4.2 LwIP移植

LwIP的架構(gòu)設(shè)計(jì)采用了模塊化思想，將協(xié)議棧分解成多個(gè)獨(dú)立模塊，各模塊之間采用API函數(shù)作為接口進(jìn)行交

互[7]。在官網(wǎng)獲取LwIP的V2.1.0版本源碼包后，移植過(guò)程只需著重修改cc.h、sys_arch.h、sys_arch.c和lwipopts.h這

4個(gè)文件。

（1）修改cc.h中的臨界區(qū)代碼保護(hù)區(qū)域，主要是將保護(hù)與釋放的宏定義修改成定義FreeRTOS中進(jìn)出臨界區(qū)的函數(shù)；

（2）修改sys_arch.h和sys_arch.c中信號(hào)量、互斥量和消息郵箱的定義[7]以及信號(hào)量等變量的處理函數(shù)；

（3）修改LwIP中有關(guān)定時(shí)和獲取事件的函數(shù)，分別用于LwIP的延時(shí)以及為L(zhǎng)wIP提供和FreeRTOS一致的時(shí)鐘；

（4）依據(jù)工程需要，在opt.h定義的基礎(chǔ)上修改lwipopts.h。

1.5 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層包括3個(gè)模塊6項(xiàng)任務(wù)。

1.5.1 采樣任務(wù)模塊

采樣任務(wù)模塊包括采樣車(chē)載電池的電壓和溫度這2個(gè)任務(wù)。只需將ADC測(cè)量得到的電壓轉(zhuǎn)換成電池的電壓/溫度參數(shù)，最后借助FreeRTOS的消息隊(duì)列資源將參數(shù)入列供其他任務(wù)讀取即可。

1.5.2 UDP任務(wù)模塊

UDP任務(wù)模塊包括UDP接收、發(fā)送以及網(wǎng)絡(luò)連接檢測(cè)3項(xiàng)任務(wù)。

（1）UDP接收與發(fā)送任務(wù)

接收和發(fā)送任務(wù)的詳細(xì)流程如圖4所示。UDP接收任務(wù)在創(chuàng)建并初始化Socket編程接口后，連接T-Box的IP地址和端口號(hào)，即可通過(guò)recv（）函數(shù)接收T-Box下發(fā)的指令，并對(duì)收到的指令進(jìn)行臨界區(qū)保護(hù)；UDP發(fā)送任務(wù)則依次獲取接收任務(wù)傳入的Socket數(shù)據(jù)和電池參數(shù)，并按順序?qū)㈦姵財(cái)?shù)據(jù)發(fā)送給T-Box進(jìn)行收集和存儲(chǔ)。

（2）UDP網(wǎng)絡(luò)連接檢測(cè)任務(wù)

UDP連接檢測(cè)任務(wù)需要事先和T-Box約定好，即當(dāng)T-Box接收到特定字符串后，需要向?qū)?yīng)IP地址的端口號(hào)返回一個(gè)ACK，具體模板如圖5所示。

圖6展示了UDP網(wǎng)絡(luò)連接檢測(cè)任務(wù)流程。為避免參數(shù)混淆，連接檢測(cè)任務(wù)使用與發(fā)送接收任務(wù)不同的端口號(hào)。根據(jù)車(chē)內(nèi)局域網(wǎng)和大帶寬傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如果50 ms內(nèi)接收到正確的ACK響應(yīng)，則判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)正常；否則視為網(wǎng)絡(luò)已斷開(kāi)。

1.5.3 DHCP獲取IP地址任務(wù)

獲取控制器IP地址任務(wù)為啟動(dòng)DHCP服務(wù)[8]，通過(guò)DHCP服務(wù)器獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，并將獲取的信息保存至lwipdev結(jié)構(gòu)體。任務(wù)流程如圖7所示。

2 系統(tǒng)OTA升級(jí)軟件設(shè)計(jì)

OTA（Over The Air， OTA）是一種通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車(chē)輛軟件更新的技術(shù)，可以遠(yuǎn)程升級(jí)汽車(chē)的軟件和固件，提升功能和安全性。本文設(shè)計(jì)的OTA升級(jí)模塊包括Bootloader啟動(dòng)程序和APP功能程序，其中Bootloader通過(guò)UDP協(xié)議接收并存儲(chǔ)待更新的APP功能程序，然后將其燒錄到FLASH芯片的指定地址，實(shí)現(xiàn)功能程序的版本更新。這種遠(yuǎn)程更新技術(shù)提高了用戶體驗(yàn)，加快了軟件新功能的推出，改善了車(chē)輛性能并解決了安全問(wèn)題。

2.1 FLASH芯片介紹

STM32F4系列芯片內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器分為4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，即主存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)、單次可編程（One-time Programmable， OTP）區(qū)域和選項(xiàng)字節(jié)。主存儲(chǔ)區(qū)是用戶最常使用的區(qū)，用于存儲(chǔ)代碼、常量以及初始化值不為0的全局變量，此區(qū)的結(jié)構(gòu)為雙塊架構(gòu)，總體容量為2 MB[9]。主存儲(chǔ)區(qū)的起始地址為0x08000000，當(dāng)單片機(jī)的Boot0和Boot1引腳均為低電平時(shí)，則從起始地址運(yùn)行代碼。

2.2 Bootloader軟件設(shè)計(jì)

要將代碼寫(xiě)入FLASH的各個(gè)扇區(qū)，需要了解FLASH寫(xiě)操作的原理和流程[9]，而后規(guī)劃FLASH存儲(chǔ)Bootloader引導(dǎo)程序和APP程序的空間，空間劃分如圖8所示。本文選擇將FLASH分為2段分別存儲(chǔ)Bootloader程序和APP程序，留給APP程序較大的擴(kuò)展區(qū)域，以供后續(xù)APP程序的功能延拓[10]。

本文的Bootloader程序借助UDP協(xié)議接收待更新的APP程序源碼、燒錄程序至FLASH芯片以及執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)。將Bootloader程序分成空閑態(tài)、跳轉(zhuǎn)態(tài)以及升級(jí)接收態(tài)3種狀態(tài)予以分析，如圖9所示[10]。

Bootloader程序流程如圖10所示。由于APP程序并非從FLASH起始地址存儲(chǔ)，而是偏移了64 KB，因此APP程序的中斷向量表同樣須偏移以供程序查詢(xún)中斷服務(wù)程序位置，即APP程序從main函數(shù)起始處重設(shè)中斷向量表

地址。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖11是本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物，包括通信硬件平臺(tái)、路由器、可調(diào)電源等設(shè)備，其中T-Box采用PC端的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手替代。

3.1 通信部分驗(yàn)證

手動(dòng)設(shè)定取代T-Box的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手端IP地址192.168.1.11，端口號(hào)8089；通信硬件平臺(tái)分配的IP地址192.168.1.30，通信應(yīng)用端口號(hào)8089，檢測(cè)連接應(yīng)用端口號(hào)8090。通信網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。

通信軟件將監(jiān)測(cè)的汽車(chē)電池的各參數(shù)按順序發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手。由圖12可知，汽車(chē)電池的電壓/溫度參數(shù)均可測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手能接收通信軟件發(fā)送的參數(shù)內(nèi)容。

本文設(shè)定了若干服務(wù)器下發(fā)給控制器的指令。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的消息發(fā)送欄發(fā)送對(duì)應(yīng)指令后，通信平臺(tái)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)響應(yīng)并做出調(diào)整。圖13即指令發(fā)送后，單片機(jī)執(zhí)行命令的效果圖。指令發(fā)送和響應(yīng)的間隔時(shí)間為6 ms，定性分析本系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性響應(yīng)能力。

3.2 OTA無(wú)線升級(jí)驗(yàn)證

當(dāng)Bootloader程序進(jìn)入“升級(jí)接收態(tài)”，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手下發(fā)APP程序，Bootloader會(huì)接收程序源碼并將源碼寫(xiě)入FLASH芯片對(duì)應(yīng)APP存儲(chǔ)位置。完成FLASH燒錄后，進(jìn)入“跳轉(zhuǎn)態(tài)”執(zhí)行更新的程序。

4 結(jié) 語(yǔ)

研究設(shè)計(jì)了基于FreeRTOS的車(chē)載終端以太網(wǎng)通信軟件，研究表明，此通信軟件能夠借助合適的電路結(jié)構(gòu)檢測(cè)車(chē)載電池的參數(shù)；參數(shù)誤差、響應(yīng)實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)車(chē)內(nèi)控制器的設(shè)計(jì)提供了一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2023-05-25 修回日期：2023-06-29

基金項(xiàng)目：江西省教育廳項(xiàng)目：稀土永磁磁浮列車(chē)虛擬編組自適應(yīng)協(xié)同與避撞控制研究（GJJ2200847）

作者簡(jiǎn)介：彭圣凱（2000—），男，本科在讀，研究方向?yàn)槠?chē)電子控制系統(tǒng)。

韓樹(shù)人（1983—），女，研究生，講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化控制和嵌入式控制。