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AUTOSAR在汽车仪表软件研发中的应用
文/贺可军 罗峰（同济大学汽车学院）
随着汽车电子零部件的增多,汽车组合仪表上集成的显示和报警功能也越来越多,汽车仪表的软件也越来越庞大,如何缩减零部件的成本并在不同的硬件平台上实现快速切换和软件上最大程度的复用,成为各大主机厂和供应商的最大挑战.基于AUTOSAR的架构可以显著提高汽车电子软件的可移植性和平台可复用性,并缩短产品的开发周期,备受各大主机厂和供应商青睐.本文以此为背景,深入阐述AUTOSAR在仪表软件开发中的应用,为同行业内的软件开发提供借鉴.
汽车开放系统架构标准（AUTOSAR）自2003年由汽车制造商,零部件供应商及其它半导体供应商和软件公司联合推出,旨在解决汽车电子零部件上越来越复杂的软件复用和在不同硬件平台上的可移植性,以达到降低产品成本和提高产品质量的目的.该架构一经推出就在汽车电子零部件的开发上得到广泛的关注,基于AUTOSAR架构的汽车电子产品的开发近年来得到极大发展.本文以此为背景,深入阐述AUTOSAR架构在汽车仪表软件研发上的应用.
AUTOSAR软件架构AUTOSAR采用分层分模块设计的思想,这样的设计可尽可能的使软件和硬件分开,以达到方便切换硬件平台,最大可能提高软件的复用率.其架构自上而下分为3层：应用层、运行时环境层和基础软件层.应用层包含了所有的应用软件组件,AUTOSAR运行时环境层位于应用层与基础软件层之间,是应用层软件和基础软件通信的桥梁,应用层通过运行时环境层与基础软件层进行数据交互,无论通信是在不同的ECU之间还是在同一个ECU内部,运行时环境层均通过提供统一的接口和服务来实现不同的软件组件间的通信和调度.
基础软件层位于运行时环境层之下,它为上层提供基于硬件或者独立于硬件的服务,它又由服务层、复杂驱动层、ECU抽象层、微控制器抽象层4层组成.服务层主要提供系统任务调度服务、存储服务和通信服务,它位于基础软件的最上层.ECU抽象层与微控制器抽象层通过标准的API函数交互,它提供的API可以访问外设,但是并不关心外设的位置以及连接方式.微处理器抽象层在基础软件的最下层,提供标准的驱动外设工作的驱动,该层可以直接访问微控制器的外设及存储设备.AUTOSAR标准在制定时为了兼容某些特殊的外设驱动,用户可根据不同的外设按照统一的AUTOSAR接口设计属于本ECU特殊的一些设备驱动函数,该模块叫复杂设备驱动模块.AUTOSAR的软件架构如图1所示.
本文的软件架构参考了标准的AUTOSAR软件架构,重点介绍AUTOSAR 的操作系统和网络管理及诊断在vector公司的AUTOSAR配置工具Dinciconfigurator Pro中的配置和开发.
AUTOSAR操作系统的配置和开发
AUTOSAR操作系统的配置主要配置任务的种类、任务的调度方式、操作系统运行的时钟定时器、任务的堆栈等.AUTOSAR操作系统支持2种任务调度策略.第一种是抢占式任务调度,其策略是在准备执行的任务中挑选优先级最高的任务来执行,如果一个任务在执行,有一个更高优先级的任务准备执行了,那么高优先级的任务会抢占低优先级正在执行的任务,当高优先级的任务执行完毕后,之前被抢占的任务返回继续执行.第二种是非抢占式任务调度,其策略是操作系统依然执行的任务中优先级最高的任务,但是如果有一个更高优先级的任务准备执行了,那么仍然会运行当前的任务直到任务结束,一个非抢占式的任务会完整的运行直到结束.在该仪表软件开发中,其配置的是非抢占式的任务调度,之所以选择非抢占式任务调度,是由于在任务调度的时候不用担心不同的任务访问同一数据会造成的并行问题,因为这种调度策略不允许同一数据被并行访问.
AUTOSAR网络管理配置和开发
AUTOSAR的网络通信协议栈的架构中按各模块提供通信服务的功能不同,将通信中间件主要划分为通信接口映射层、通信传输服务层、通信管理服务层及通信调度服务层4个层次：通信接口映射层用于保证应用程序接口、数据类型与通信中间件标准接口、数据类型的一致性；通信传输服务层包含的通信栈是信号传输的实际承载者,保证数据的期望实时性和可靠性传输；通信管理及通信调度服务层是实时性保证的重要手段,维护信号属性、传输状态及总线状态,并且其调度点及实时眭相关参数可由用户灵活配置,用户可通过自由配置通信协议栈参数而使其满足通信系统的不同应用场合的需求,通信管理机制将管理任务划分为通信管理、网络管理及状态管理3个模块,而AUTOSAR中的网络管理模式又包含3种模式：睡眠模式、预睡眠模式、网络模式.AUTOSAR中网络管理的模式切换如图2所示.
1 . A U T O S A R C o m 模块在D a v i n c iConfigurator Pro的配置,Com模块介于RTE和PDU Router模块之间,它的基本功能是将RTE发送的信号以一定的规则打包发送,另外是将底层传输来的I-PDU拆分成各个信号发送给RTE.在Com模块还定义发送I-PDU的方式,以及对接收到的信号进行作滤波处理.除此之外还能在每次成功发送或者接收到数据后通知RTE.Com模块在接收到信号时,可以对其进行过滤操作,如果通过过滤操作,则数据会被发到RTE,否则数据被丢弃.
2.AUTOSAR ComM模块在Dinci ConfiguratorPro的配置,ComM模块是通信管理的总模块,它直接封装了CAN等网络状态管理和网络管理服务,它负责向通信管理者提供总的服务,ComM收集来自不同软件组件的通信请求并协调通信.当ComM收到CAN通信请求后,首先进行仲裁,以判断是否进入通信模式,ComM同时控制Can模块进行CAN总线状态的管理,目的是使得总线一直处于唤醒的状态.ComM模块还会控制NM模块,使得总线上其他的ECU模块同时处于通信状态.当一个模块强求全通信模式时,ComM模块会检查通信是否被允许,并阻止ECU在通信时关闭.
AUTOSAR诊断协议栈配置和开发
AUTOSAR诊断服务栈支持汽车行业常用的诊断标准UDS协议,DEM和DCM这2个模块是UDS诊断基础的核心模块,DEM负责整个诊断事件的管理,而DCM负责诊断通信的管理,DCM模块需要向诊断仪发送的诊断数据（故障码等）需要从DEM获取,DEM向应用层负责监控的软件组件提供对诊断事件的服务接口,此外,DEM还需要与非易失性存储器交互,以存储相关的DTC故障码,AUTOSAR中诊断相关的模块关系如图3所示.
1 . A U T O S A R D E M 模块在D a v i n c iConfigurator Pro的配置,DEM是负责诊断事件管理及其相关数据处理和存储的模块,DEM模块主要有两大功能：事件存储管理和事件状态管理.DEM还向DCM模块提供故障的信息,DEM对报故障的诊断时间进行判断,在故障确认后会对事件相关的故障码和诊断信息进行锁存,事件存储管理包括对在DEM模块内外的事件记录,更新和移除等,事件状态管理是处理监控器的监控结果,事件的状态与目前的环境及监控结果有关联,所以事件状态管理子模块需要合理的管理这些情况.
2 . A U T O S A R D C M 模块在D a v i n c iConfigurator Pro的配置,对于诊断通信服务提供常用的功能及接口,诊断模块在ECU开发、制造和服务阶段都可能会被外部诊断设备访问,DCM模块确保诊断数据流的正确性和诊断状态的管理,另外DCM模块还检测当前的服务请求在当前的会话模式下是否支持.
3.UDS诊断框架的配置和开发,通过在CANdela studio软件中编辑诊断的CDD文件,在CDD文件中写明诊断需要支持哪些服务ID和DID,然后将CDD文件导入Dinci Configuration Pro工具中,生成符合UDS诊断协议框架的代码,最后在预留的诊断应用层接口添加诊断应用层函数.
测试及结果分析
搭建测试台架,仪表通过测试盒与测试台架连接到一起,测试盒可以模拟实车环境提供仪表正常工作需要的电源和通信端口,通过CAN总线收发工具发送实车相关的激励信号给仪表,记录仪表实际的输出反馈情况.
通过测试可以得出, 本文设计的基于AUTOSAR 架构汽车仪表尤其是通信可以完全满足实车上的要求,证明了基于AUTOSAR架构的汽车仪表软件设计的正确性和可靠性.
结束语
目前在汽车电子领域采用AUTOSAR的架构成为越来越流行的趋势,通过借鉴成熟的第三方软件公司的AUTOSAR配置工具,快速生成符合自己产品特点的代码.生成的软件不但有很好的一致性,而且软件硬件整合简单可靠,可大大降低产品的成本,这代表了汽车电子领域嵌入式产品软件开发的未来发展方向.
基于本文AUTOSAR方案开发的汽车仪表已经成功批量生产,这对汽车仪表软件的研发有着积极的借鉴意义.A
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