（控制科学与工程专业论文）车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发.pdf

吣y 帆1 删9 0 6 4 9 5 a u t o m o t i v eb o d yc o n t r o l l e rs o f t w a r es y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n to f p cd i a g n o s t i cs o f t w a r e b y m e n gb u m i i l b e ( w u h a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs u nw 萌 m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 蕾铂红 日期：弘1 f 年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期： 2 of f 年，月户日 日期：沥1年，月日 鲰七p馋讳 拯盈 车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发 摘要 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志，而标准化和模块化是车身电控系统 软件发展的大趋势。本文参考国际上最新的a u t o s a r 标准设计了一种车身电控 系统软件。首先，设计了基于c a n l i n 网络架构的车身电控系统，并参考 a u t o s a r 标准制定了系统软件架构。然后，根据a u t o s a r 中接口与通信部分 的规定，结合相关法规的要求开发了通用的服务组件与应用软件，并基于v c 开 发了车身电控系统的诊断软件实现车辆信息的读取、诊断操作和软件升级。最后， 通过样机试验，验证了标准化软件开发的可行性和有效性。本文主要的研究内容 如下： 1 、设计了一种基于c a n l i n 网络架构的车身电控系统，该系统由两个l i n 节点和三个c a n 节点组成，网络分布合理，可以满足b 级车车身电控系统应用 的要求。 2 、分析了a u t o s a r ( a u t o m o t i v eo p e ns y s t e m sa r c h i t e c t u r e ) 系统的体系架 构，并制定了适合该系统的系统软件架构。采用r t e ( r u n t i m ee n v i r o n m e n t ) 思 想解耦软硬件联系，标准化软件接口将软件模块标准化 3 、参照标准的体系架构和层次设计了车身控制器的通信系统。通过深入分析 c a n ，l i n 总线的相关协议规范，合理进行网络层和应用层设计，提高了c a n l i n 总线通信系统的稳定性。 4 、参考相关的法律法规，具体实现了车身控制器的灯光控制，雨刮控制，门 锁电机控制，车窗电机控制等功能，并通过实物调试完成了系统的功能验证。 5 、基于v c 开发环境，开发了车身电控系统的诊断用软件。采用u s b 转c a n 的接口器件实现基于c a n 总线的诊断操作，软件升级等功能。 关键词：车身电控系统；汽车开发系统架构；c a n 总线；l i n 总线；诊断；上位 机 硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s i sa n i m p o r t a n ts y m b o i o fm o d e r na u t o m o b i l e d e v e l o p m e n t ，w h i l es t a n d a r d i z a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o na r em a i nt r e n d so fa u t o m o b i l e b o d ye l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t as o f t w a r eo fv e h i c l eb o d y e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di n t h i st h e s i s a c c o r d i n g t ot h el a t e s t a u t o s a r ( a u t o m o t i v eo p e ns y s t e m sa r c h i t e c t u r e ) i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s f i r s t l y ， t h eb o d ye l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nc a n l i nn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei s d e s i g n e d ，a n ds o f t w a r ef r a m ei sp r o p o s e db a s e do na u t o s a rs t a n d a r d s s e c o n d l y ， a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f a c ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n si n s t r u c t i o n so ft h ea u t o s a r ， g e n e r a l s e r v i c ec o m p o n e n t sa n d a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea r ed e v e l o p e dw i t ht h e p r o v i s i o n so fr e l e v a n tl a w sa n dr e g u l a t i o n s ，b o d ye l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e md i a g n o s t i c s o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s eo np c ，a sw e l la st or e a dv e h i c l ei n f o r m a t i o n ，d i a g n o s i s o p e r a t i o na n ds o f t w a r eu p g r a d e f i n a l l y , p r o t o t y p et e s t i n gv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so fs t a n d a r d i z e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t m a jo rr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) ab o d ye l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nc a n l i nn e t w o r k a r c h i t e c t u r ew h i c hc o n s i s t so ft w ol i nn o d e sa n dt h r e ec a nn o d e s t h en e t w o r k l a y o u ti sr e a s o n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fb - c l a s sc a r 2 ) t h es y s t e ms o f t a r ef r a m ei sd e s i g n e db a s e do na n a l y s i so ft h ea u t o s a r ( a u t o m o t i v eo p e ns y s t e m sa r c h i t e c t u r e ) s y s t e ma r c h i t e c t u r e w i t hr t e ( r u n t i m e e n v i r o n m e n t ) t h o u g h tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t a c ti sd e c o u p l e d ，a sw e l la s s t a n d a r d i z e ds o f t w a r ei n t e r f a c es t a n d a r d i z e ss o f t w a r em o d u l e s 3 ) t h eb o d yc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dr e f e r r i n gt os t a n d a r d a r c h i t e c t u r ea n dl e v e l t h ec a n l i nb u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t a b i l i t yi si m p r o v e d b yt h er e a s o n a b l ed e s i g no fn e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra f t e r i n t e n s i v e a n a l y s i so fc a n ，l i nb u sp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n 4 1a c c o r d i n gt or e l e v a n tl a w sa n dr e g u l a t i o n s ，m a i nc o n t r o lf u n c t i o no ft h eb o d y c o n t r o l l e ra r ea c h i e v e d ，s u c ha sl i g h tc o n t r o l ，w i p e rc o n t r o l ，d o o rl o c k s ，m o t o rc o n t r o l ， w i n d o wm o t o rc o n t r o le t c p r o t o t y p et e s t i n gv e r i f i e st h es y s t e mf u n c t i o n 5 ) d i a g n o s t i cs o f t w a r eo ft h eb o d ye l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e v o l o p e db a s e d o nv c w i t hu s b - c a ni n t e r f a c e ，d i a g n o s i so p e r a t i o n st h r o u g hc a n b u sa n d s o f t w a r eu p g r a d e sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：c a rb o d ye l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ；a u t o s a r ；c a nb u s ；l i nb u s ； d i a g n o s i s ；u p p e rc o m p u t e r i i i 车身挡制器的软件系统设计及l 位机诊断软件开发 目录 湖南大学学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 2 车身电控系统的发展现状一l 1 3a u t o s a r 标准简介。：2 1 3 论文主要研究内容4 1 4 论文的结构安排4 第2 章c a n l i n 网络架构车身电控系统设计6 2 1 系统结构构成6 2 2 硬件系统设计7 2 2 1 前车身控制器硬件框图7 2 2 2 信号输入电路设计一7 2 2 3 功率输出模块设计8 2 2 4 电源模块设计8 2 2 4 高速c a n 总线模块设计。9 2 2 4l i n 总线模块设计10 2 3 本章小结。1 0 第3 章系统板级支撑平台软件设计1 2 3 1 板级支撑平台概述1 2 3 2 板级支撑平台的设计。1 3 3 2 1 控制器驱动设计1 3 3 2 2 通用时钟g p t 设计13 3 2 3i o 模块设计1 4 3 2 4 存储模块设计1 4 3 2 5c a n 通信模块设计。15 3 2 6l i n 通信模块设计19 3 2 7 板上设备抽象层设计1 9 3 3 本章小结。2 0 第4 章系统软件架构设计。2 1 4 1 参考a u t o s a r 的系统软件设计2 1 4 2i 玎e 实现方法2 3 4 3p o r t s 机制与接口定义方法。2 5 4 4 任务管理2 5 i v 硕十学位论文 4 5 系统模式切换2 9 4 6 本章小结3 0 第5 章通信系统设计31 5 1 通信系统需要遵循的标准规范3 l 5 1 1c a n 标准与规范3 1 5 1 1l i n 规范要求3 2 5 2 通信系统架构设计。3 3 5 3c a n 通信协议与数据定义方法3 4 5 3 1c a n 数据传输流程。3 4 5 3 2c a n 网络层设计3 4 5 3 3c a n 应用层接口服务与数据定义3 7 5 3 4c a n 通信数据定义4 0 5 4l i n 2 0 规范实现与数据定义方法4 0 5 4 1l i n 总线a p i 简介4 0 5 4 2l i n 2 0 规范实现方法4 l 5 4 3l i n 数据定义方法4 2 5 4 本章小结4 3 第6 章诊断软件开发4 4 6 1u s b c a n 接口函数的调用4 4 6 2 上位机诊断软件类结构4 5 6 3w i n d o w s 消息路由与图像双缓冲处理4 6 6 4 升级功能实现一4 8 6 5 功能实现与验证一4 9 第7 章应用层软件开发与系统验证5 1 7 1 应用层软件开发方法5 1 7 2 雨刮和车窗应用软件组件开发示例5 2 7 2 1 雨刮应用软件组件的开发5 2 7 2 2 车窗应用软件组件的开发5 3 7 3 系统功能验证一5 4 7 3 1 模拟测试平台的搭建5 4 7 3 2 功能测试集的编写5 5 7 4 本章小结5 6 总结与展望5 7 参考文献5 9 致谢6 l 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 2 v 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 从电控喷油、电子点火、自动变速到电子转向助力，从巡航自控到通信导航、 车身电控、车载娱乐等各个部分，汽车电子正在以前所未有的速度占领整车以及 汽车配件市场。电子设备在整车制造成本所占比例，也从最初的百分之几增加到 现在的3 0 以上。有数据显示，8 0 以上的汽车创新技术和2 3 以上的高端汽车 总体制造成本来自于汽车电子。 在过去的十年里，亚洲国家为主的发展中地区市场逐步成为了汽车消费市场 的主力军。刚刚过去的2 0 1 0 年，中国汽车的产销量双双超过了1 8 0 0 万量。与此 相同步，汽车电子的市场规模越来越大。2 0 1 0 年中国汽车电子市场规模已经突破 2 0 0 0 亿元，并且每年以百分之二十左右的速度在增长。 中国汽车市场持续的扩大，但与此形成鲜明对比的是汽车自有技术的严重匮 乏。自有技术由于安全性，标准化程度远远不及国外，在中高级车市场始终得不 到很好的应用。市场几乎被国外巨头如博世、德尔福、大陆瓜分。国内自主品牌 主要集中在汽车音响，汽车导航等与安全不直接相关的应用上，汽车电子行业民 族品牌难分一杯羹的糟糕现状，已经成为中国汽车工业由大转强必须摆脱的一个 桎梏。 怎样进行标准化的汽车电控系统软件开发，是汽车电控系统软件开发的难点 和热点。汽车车身电控系统主要包括了汽车空调、电动座椅与电动后视镜、电动 车窗、天窗和雨刮系统、汽车中央门锁与防盗系统、汽车灯光控制系统等内容， 主要是用于增强汽车的安全、舒适和方便性。几乎与车上的所有电子单元有直接 或者间接的关联。包涵了网络，智能化控制，软件标准化等等重要的研究议题。 符合相关标准和法规的汽车车身电控系统的自主开发具有重要的意义1 2 j1 3 】。 1 2 车身电控系统的发展现状 车身电控系统的发展现状可以从车身电控系统的组织形式，新技术应用，总 线技术发展和软件标准化四个方面来说明。 车身电控系统在组织形式上有：集中式，分散式和分布式。随着车身电控单 元的大量增加，以及智能化控制需求的增加，具有信息共享，减少线束等优势的 分布式控制方式逐渐成为了电控系统发展的大趋势。 在电控系统不断发展过程中，新技术被大量的应用。如智能诊断技术，自适 应控制技术，自动控制技术等等。汽车电控技术作为人类智慧的集大成者，将会 有越来越多的先进技术得到应用。 1 车身控制器的软件系统设计及一i ：位机诊断软件开发 总线技术作为分布式控制系统的载体，吸引了广泛的研究目光，形成了众多 的传输形式。如c a n ，m o s t ，v a n ，l i n ，s a e l 8 5 0 ，a b u s ，f l e x r a y 等等。 其中以c a n ，l i n ，f l e x r a y ，m o s t 最为常用。c a n 总线以其高速，高可靠性等 优点得到了最广泛的应用。m o s t 主要应用于娱乐系统。l i n 总线作为c a n 总线 的补充，有成本低容易配置等优点，主要应用于传感器和小控制模块。f l e x r a y 有着更快的速度和更加优越的传输性能，是未来的发展方向1 4 】。 电控系统发展的另外一个方向便是软件标准化。由于具体应用的不同，电控 系统的操作系统很难做到像个人电脑那样的统一，而是不同的厂家采用不同的软 件结构和接口。为增加软件的可移植性，降低软件重复开发的成本，一些有实力 的组织制定了了一些标准。如p o s i x 标准，o s e k v d x 标准，a u t o s a r 标准 等等。p o s l x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c ef o ru n i x ) 定义了一套应用程序 编程接口和支持实时系统的可选系统接口集合f 5 】。p o s i x 接1 ：1 风格编写的软件可 以方便移植到提供p o s i x 兼容的系统上。o s e k ( o p e ns y s t e m sa n d t h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c e sf o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) 从实时操作系统，软件接口，通信和网络管理等方面对电控软件开发平台做了定 义和规范【6 j 。a u t o s a r ( a u t o m o t i v eo p e ns y s t e m sa r c h i t e c t u r e ) 标准对o s e k 标 准进行了集成，覆盖了汽车电子软件的方方面面【_ 。它定义了一套汽车电子软件。 开发方法和软件架构标准化方案，其开发思想具有革命性意义，代表着汽车电子 软件开发的发展方向。 1 3a u t o s a r 标准简介 在汽车电子发展的初期，开发者根据不同的车型应用，封闭的进行电控系统 的开发。这种方法能够充分考虑软硬件需求，可以做到系统的最优化。但随着汽 车电子技术的发展，电控单元越来越多，传统的软件的软件开发方法在可管理性， 移植性，可裁减性，以及质量保证等暴露出诸多问题。为解决上述问题，由几大 主要汽车厂商以及部件提供商联合提出了a u t o s a r 标准。从2 0 0 6 年，2 0 版本 正式发布以来，a u t o s a r 的版本在不断的修订完善。2 0 1 0 年底，a u t o s a r 发 布了4 0 版本f 引。 a u t o s a r 为汽车电子建立了一个开放的标准和架构，使得汽车软件平台供 应商、应用程序制造商和其他软件供应商的解决方案之间易于交互，便于管理， 使得软件开发者能够集中精力在用户需求上。 随着标准的不断完善，国外许多的汽车生产厂商和零部件供应商以及工具供 应商都在研究a u t o s a r 标准，并开发了一些符合a u t o s a r 标准的开发工具和 软件模块。国内对其也有了一定的认识，恒润科技和一汽都加入了a u t o s a r 组 织。但是，国内主要以介绍和应用国外的开发工具和软件为主，真正对标准本身 2 硕，l 学位论文 做深入分析的非常少。 a u t o s a r 在定义软件架构和接口的同时。也定义了易于交换的硬件平台标 准。a u t o s a r 标准不仅提供了基础软件模块的规范。还提供了用于开发分布式 系统应用软件的方法这种方法以基于模型的软件和分布式系统描述开始。以自 动代码生成和可重复的测试结束。 a u t o s a r 不仅定义了软件的架构还定义了软件开发的方法。软件在共同 的平台上进行开发，追求同样的标准，在需求确认的早期通过一致性测试发现设 计中的问题。整个开发流程是以形式化描述来进行，包含对于软件架构、硬件资 源和系统约束的描述，开发过程中的所有设计和配置数据都用统一的文件格式进 行保存和维护。同时系统配置作为e c u 配置的基础，用户可以利用配置工具根 据e c u 配黄生成基础软件。 a u t o s a r 4 0 标准文档的结构如下图所示： a u t o s a r 4 0 结构 一铆 ： 笛 l h 二五显盈 h 霜露圈 匹囹l ；1 要盛震圜 a u t o s a r - p d - c t p - m d e 细i n p 舢d a u t o s a r p d c t p r o c e s s d c f i n m o n p m j l a t o c a u t o s a r p d _ c t 从r 劬u n b o d 日 a u t o s a r p d c t a a c r c d t t a u o n a u t o s a r p d b s w c t s p 。c p r o c c s s 0 、e n 瞄计 a u t o s a r p d b s w c t s p e t e x o e u u o n c o n s t n u a t s a u t o s a r p d b s w c t s p e c c r e a t , o v a h d a u o e a u t o s a r p d _ b s w ( t s p b k k m d a u t o s a rp da l 邓h c a u o n r u i 船1 s o g u l d e 6 5 a u t o s a r p d a p p h c a u o n r u l c s l s o l 7 0 2 5 c o m m u n i c m ：o n s t a c k d a b n o s l l c s c n i s m d | e m e n t a t i o n i n t e g r a l i o n m c m o ns t a c k j 至到也曼生l 一 r t e s w _ a r c h a e c t eg e n e r a l s ，m m 油l c 图1 1a u t o s a r 4 0 标准文档结构 如上图所示，a u t o s a r 给出了从数据定义，到软件开发方法和应用模板， 以及软件结构应用接口和一致性测试等等一系列的标准定义。当前，系统设计和 功能匹配的工具还不足，我们与a u t o s a r 定义的无缝工作流的最终目标还存在 一定的差距。我们应该从设计入手，将应用软件划分成独立的逻辑功能，代表后 3 兰 车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发 来的a u t o s a r 软件组件。设计过程中，使自己的思路向a u t o s a r 软件组件设 计需求靠拢。 应用软件开发者的工作重点，应该是考虑如何将应用软件的a u t o s a r 接口 应用到a u t o s a r 的r t e 上。对于那些完全基于功能架构、硬件接口清晰，却 还没有直接连接到操作系统上的应用层软件，可以被轻松地转变为a u t o s a r 应 用软件组件。对于不适合的部分，需要根据r t e 接口定义的说明来重新设计， 并在以后的开发周期里，采用a u t o s a r 的设计理念【9 1 。 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究内容包括了车身电控系统架构设计，参考a u t o s a r 的软件 系统设计及c a n l i n 网络架构的通信系统设计，基于w i n d o w s 操作系统的上位 机诊断软件开发。 本车身电控系统包括了三个c a n 节点和两个l i n 节点。实现前后灯光组控 制，中控门锁和遥控控制，车窗控制，雨刮控制和后视镜控制等功能。车身电控 系统软件的开发参考a u t o s a r 的相关思想和控制结构。网络部分对c a n l i n 总线技术进行深入了解的同时，参考相关标准设计网络层和应用层程序。诊断软 件的开发在对c a n 总线诊断协议进行探讨的同时，对w i n d o w s 环境下上位机诊 断软件开发技术进行了探讨。 本选题对车身控制软件的先进开发方法进行了一次尝试，对智能控制技术， 总线控制技术，诊断技术等车身电控系统的关键领域都有涉及。对提高电控系统 的稳定性，可扩展性具有重要意义。 1 4 论文的结构安排 本文以基于a u t o s a r 思想开发c a n l i n 网络架构的车身电控系统为目标。 在深入了解a u t o s a r 开发思想与软件架构的同时，对c a n 总线通信系统和c a n 诊断技术进行深入探讨。设计车身电控系统测试平台并验证车身电控系统功能。 本论文包括了七个章节，分章对车身电控系统的开发进行论述。具体组织结 构如下： 第一章，对当前中国汽车电子市场进行介绍的基础上，从车身电控系统的组 织形式，新技术应用，总线技术发展和软件标准化四个方面对汽车电子的发展现 状进行了说明，并对当前最新的a u t o s a r 标准进行了分析。最后，对本论文的 主要研究内容进行了简要说明。 第二章，设计了一种基于c a n l i n 网络架构的车身电控系统，并以前车身 控制器的电源模块，c a n l i n 总线模块，信号输入模块，功率输出模块的硬件设 计为例，对硬件部分的设计进行了说明。 4 硕士学位论文 第三章，在硬件设计的基础上，对板级支撑平台软件的开发方法进行了说明。 分别对i o 模块，存储模块，通信模块和外部设备模块板级支撑软件的开发进行 了讲解。 第四章，论述了软件系统的架构设计方法，在分析a u t o s a r 的r t e ，b s w 等等一整套的开发思想的基础上，对任务组织，实时环境，模式切换等的功能实 现方法进行了示例说明。 第五章，对c a n l i n 网络架构的通信系统的设计进行了论述，对c a n l i n 网络需要遵循的协议规范进行了介绍，从架构的定义，协议实现方法和数据定义 方法三个角度对c a n l i n 通信系统的实现进行论述。 第六章，基于w i n d o w s 系统的v cs t u d i o 开发环境，开发了车身电控系统的 上位机诊断软件。对诊断软件功能进行了说明，详述了上位机诊断软件的开发方 法，对升级程序开发和图形双缓冲机制两大技术难点进行了讲解。 第七章，在没有使用配置软件的情况下，采用a u t o s a r 应用层软件开发思 想进行了应用软件的设计。以车窗和雨刮的应用组件开发为例对模块化的组件开 发进行了示例说明。并通过搭建测试平台，编写测试集的方法进行了功能测试。 车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发 第2 章c a n l i n 网络架构车身电控系统设计 2 1 系统结构构成 为了对a u t o s a r 标准的相关思想和方法进行验证，开发了一种c a n l i n 网络分布式控制的车身电控系统【10 1 。系统构成图如下所示： _ - 车身舒适c a n l i n 总线 龟 遥控防 、 图2 1c a n l i n 车身电控系统构成图 其中，b c m ( b o d yc o n t r o lm o d e l ) 为车身控制模块，e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ) 为电控单元，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 为控制器局域网，l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 为局部互联网络 本系统采用前后车身控制器结构，包括了，车灯，雨刮，后视镜和门锁等车 身电控系统单元。由前后车身控制器和遥控锁定控制器组成中速c a n 网络。前 车身控制器控制雨刮电机，前灯光组，前车门锁等，同时为l i n 总线的主调度模 块，高速c a n 总线和中速c a n 总线的网关。后车身控制器控制后灯光组，后门 门锁，后车窗电机等。遥控锁定控制器接收遥控信号，实现安全认证及系统上锁 解锁功能。 大灯开关控制器，车窗后视镜控制器与前车身控制器一起组成l i n 总线网络。 前车身控制器作为l i n 主节点，调度大灯开关和车窗后视镜控制器两个从节点。 大灯开关实现打开开关和背光调节控制命令的输入。车窗后视镜控制器实现车窗 控制命令的输入和左右后视镜的控制。 a u t o s a r 的一个重要的目的就是实现软件的多平台适用，当软件功能确定 6 硕十学位论文 了，不管是集中式车身控制器，前后结构车身控制器或多车身控制器结构，功能 软件都能适用。只需要做抽象层的更改。该车身控制器参考某成熟中端车型设计， 网络结构紧凑，在该系统上开发控制系统软件，既能验证参考a u t o s a r 开发的 电控系统软件在集中控制系统中的适用性，又能说明该方法在分布式控制系统中 的可行性。 2 2 硬件系统设计 前车身控制器为，高速c a n 总线和中速c a n 总线的路由模块，l i n 总线的 主节点且输入输出信号最多，是该控制系统中最为复杂的模块。本章以 f r e e e s c a l e l 6 位微控制器为核心，以前车身控制器为例对车身电控系统的硬件设计 进行说明。 2 2 1 前车身控制器硬件框图 前车身控制器采用m c 9 s 1 2 x e t 2 5 6 单片机作为主控芯片1 1 】。硬件模块主要 包括了信号输入电路，驱动输出电路，电源电路和总线电路，以及调试接口电路 等等。硬件框图如下图所示。 t i a l 5 v w d ( ) g m c 3 3 7 4 2 s p i d m sc a n 信号 磁渺 c a n r x 输入电路 c a n t x i 0 s 1 b h sc a n s p l i t 、p pt j a l 0 4 0 c a n r x a d c a m 隈x e t 2 5 6 功率 输出电路 i o n s l p l i n o kt j a l 0 2 0 r x d 飞矿 t x d 图2 2 前车身控制器硬件框图 其中，电源模块采用m c 3 3 7 4 2 进行电源调理与控制。高速c a n 收发器芯片 t j a l 0 4 0 实现与高速c a n 总线的通信。收发器芯片t j a l 0 2 0 与串口相连实现l i n 总线通信。输入电路根据实际需要采用高有效，低有效或a d 采样等方式进行输 入信号采集。输出电路用继电器或m o s f e t 器件等方式实现对功率器件的控制。 2 2 2 信号输入电路设计 系统输入信号主要为开关和脉冲信号，还包括了a d 采样信号。由于信号输 7 车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发 入端口较多，采取的调理方式略有不同。下图以钥匙位置开关输入为例说明输入 信号处理方法。由开关输入的模拟信号，为防止电压超出允许范围，使用i n 4 1 4 8 对输入电压进行嵌位。采用高有效方式进行触发，当电压为高时经过电阻和电容 的分压与滤波，提供给单片机端口5 v 高电压。单片机通过检测端口电压采集输 入信号。 图2 3 开关信号输入调理电路 2 2 3 功率输出模块设计 前车身控制器的驱动输出电路用于控制f - j 锁，灯光和车窗等执行器件。其中 灯光部分采用了智能m o s f e t 进行驱动，不但可以进行过压过流过温的自保护， 还可以进行开路和短接诊断。门锁等的控制则采用继电器方式，通过电流放大电 路的隔离放大，用单片机输出的高低电平驱动继电器的开合。以下图中灯光驱动 电路为例进行说明。右前大灯的驱动信号mrh bl a m pd 通过电流放大电路 的隔离放大送入驱动元件b t s 4 4 3 p 的输入端口1 1 2 1 。当输入为高电平时，输出端 口输出1 2 v 驱动电压点亮前大灯。当灯发生开路短路故障时，通过连接至诊断输 出口的a d 端口检测电压的变化对故障进行检测。 图2 4 功率输出电路 2 2 4 电源模块设计 电源部分采用f r e s s c a l e 的m c 3 3 7 4 2 单芯片解决方案13 1 。该芯片集成了c a n 收发器，通过s p i 总线进行配置。可以通过s p i 总线发送控制命令进行休眠，通 过c a n 总线或电平触发方式唤醒。可以有效控制系统静态功耗，使工作电池续 r 硕十学位论文 航能力更强。下图为m c 3 3 7 4 2 应用电路图。 图2 5 单芯片控制电源电路图 系统输入的1 2 v 电源，通过调理限流电路给m c 3 3 7 4 2 供电，再通过集成的 d c d c 电源转换模块为单片机提供5 v 工作电压。s c l k 端口与单片机频率输出 端口相连，为m c 3 3 7 4 2 提供基准频率。通过片选信号的选通之后，就能通过s p i 总线发生控制命令对m c 3 3 7 4 2 工作状态进行配置。集成的c a n 通信模块也需要 通过配置v 2 供电来工作。 当系统休眠时，通过s p i 发送控制命令使得m c 3 3 7 4 2 休眠。在其休眠成功后 v 2 的供电被断开，5 v 供电输出也断开，避免了静耗的产生。当有c a n 总线信息， 或者钥匙开锁、门打开、钥匙启动等信号时，m c 3 3 7 4 2 通过供电的方式唤醒主控 芯片，并通过s p i 配置和喂狗操作维持m c 3 3 7 4 2 正常模式工作和对v 2 的供电。 2 2 4 高速c a n 总线模块设计 前车身控制器作为高速c a n 总线和中速c a n 总线的路由，在通过中速c a n 实现车身电控系统功能的同时，通过高速c a n 总线与动力系统进行交互。高速 c a n 总线通过t j a l 0 4 0 收发器进行连接【1 4 】，速度为1 m b s 。电路原理如下图所示。 芯片供电端口与m c 3 3 7 4 2 的v 2 端相连，在系统休眠状态下，处于完全断电 状态不会产生静态消耗。s t b 为待机模式控制端，s p l i t 为共模稳压输出端口。 可以通过s t b 的高低控制接收器工作模式，在待机模式下发送器和接收器都关 断，只有低功耗的差动接收器监控总线，一旦低功耗的差动比较器检测到一个持 续时间大于限值的显性总线电平，引脚r x d 变低电平。同时还有过热检测和发 送显性超时等保护功能确保了总线通信的安全。 9 车身控制器的软件系统设计及上位机诊断软件开发 a u x + 5 v 图2 6c a n 总线收发器应用原理图 2 2 4lin 总线模块设计 l i n 总线在单片机上有i o 口模拟，s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 和专 用l i n 模块三种实现方法【1 5 】 t 6 】。由于x e t 2 5 6 不带有专用l i n 模块，i o1 2 1 模拟 控制器负担又太重，所