馬建輝 ， 王知學(xué) ， 侯冬冬 ， 郭 坤

（1.山東省科學(xué)院自動化研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省汽車電子重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250014）

近年來，中國汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)超過美國，躍居世界第一。作為一種大批量生產(chǎn)和銷售的產(chǎn)品，溢價率不高的國產(chǎn)汽車對成本的要求非?？量獭τ诔杀久舾械牡投似嚩?，集中式控制能更好地控制成本，而對于有一定功能升級要求的中高端汽車，采用分布式系統(tǒng)便于功能的擴(kuò)展和升級。目前，汽車廠商一般會針對汽車配置級別采用不同的方案，對某一車系的低配，采用集中度更高的車身控制器；對于高配，則把車身控制器的部分功能以獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的形式實現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)和車身控制器之間采用CAN總線或LIN總線進(jìn)行通信。

目前，隨著CAN總線技術(shù)的成熟、汽車MCU規(guī)格的升級以及汽車電子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將汽車電子系統(tǒng)中分布在多個汽車電子零部件上的功能集成到一個汽車電子零部件產(chǎn)品中［1］，既可以有效地降低成本，又可以利用MCU的高規(guī)格特性，方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級，從而能夠同時滿足低配車型和高配車型的需要。

筆者根據(jù)這種思路，為某車型開發(fā)了一款集成式BCM，將CAN網(wǎng)關(guān)、CAN-LIN網(wǎng)關(guān)、車身控制、防盜報警、IMMO、TPMS、RKE、軟件升級等功能集成在單個零部件中。這種方式可以簡化汽車車身電氣系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］，降低車身系統(tǒng)的電子零部件數(shù)量，同時可以降低成本，也可以在需要時通過CAN總線進(jìn)行功能升級。

1 硬件設(shè)計

1.1 MCU選型

集成式BCM需要實現(xiàn)CAN/LIN通信和車身控制等多項功能，采用普通的16位單片機(jī)無法滿足設(shè)計要求。飛思卡爾專門針對集成式車身控制應(yīng)用控制器單元設(shè)計了一款高性能32位單片機(jī)MPC5604B［3］，總線時鐘高達(dá)64 MHz，具有主頻高、資源豐富、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該MCU內(nèi)置512 KB程序Flash、64 KB數(shù)據(jù)Flash、48 KB RAM，既能滿足當(dāng)前功能要求，又為未來的功能升級準(zhǔn)備了充分的資源，所以本設(shè)計采用MPC5604B做為集成式BCM的主控制器。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于MPC5604B實現(xiàn)的BCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，BCM連接兩路CAN網(wǎng)絡(luò)，分別為車身CAN網(wǎng) (BCAN)和動力CAN網(wǎng) (PCAN)，汽車的車身系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)共享BCAN，動力系統(tǒng)和底盤控制系統(tǒng)共享PCAN，BCM作為BCAN和PCAN之間的網(wǎng)關(guān)，將接收自BCAN的報文路由至PCAN，將接收自PCAN的報文路由至BCAN。同時，BCM是車身LIN網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)，管理車身LIN網(wǎng)的調(diào)度通信和休眠。BCM接收TPMS發(fā)射器的報文，提取出胎壓和溫度數(shù)據(jù)，通過CAN總線發(fā)送給儀表盤顯示。接收遙控鑰匙的報文，提取鍵值進(jìn)行RKE操作。同時，BCM集成了IMMO基站，可以和鑰匙進(jìn)行認(rèn)證，檢測鑰匙的合法性，BCM和發(fā)動機(jī)管理單元進(jìn)行防盜認(rèn)證［4］，認(rèn)證通過后發(fā)動機(jī)才可以正常起動。

圖1 BCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

不同車型的BCM在原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上基本一致，只是在功能組合或具體功能的實現(xiàn)上存在一定差異?；趯哟位湍K化的思想，設(shè)計了通用、共性的車身控制軟件結(jié)構(gòu)及可配置、可組裝的基礎(chǔ)模塊，基于該軟件結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)模塊庫，可以針對不同車型的BCM研發(fā)相應(yīng)的車身控制器軟件，從而提高BCM的軟件可靠性，降低開發(fā)復(fù)雜度。軟件架構(gòu)如圖2所示，分為底層驅(qū)動、中間層、應(yīng)用層3大部分［5］。

2.1.1 底層驅(qū)動

圖2 軟件架構(gòu)圖

底層驅(qū)動包括用于輸入檢測和輸出控制的I/O、用于系統(tǒng)定時的PIT、用于負(fù)載工作電流檢測的ADC、用于CAN通信的FlexCAN、用于LIN通信的LINFlex、用于RKE信號捕捉的eMIOS以及用于數(shù)據(jù)存儲的Data Flash。

2.1.2 中間層

中間層包括定時器管理、開關(guān)檢測、RKE解析、TPMS解析、IMMO基站管理、CAN通信和LIN通信。其中，定時器管理提供單次定時、周期定時和多次定時3種方式［6］；開關(guān)檢測實現(xiàn)消抖，提供開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)閉合事件、開關(guān)斷開事件；RKE解析實現(xiàn)接收RKE報文并解析出遙控鑰匙按鍵鍵值；TPMS解析實現(xiàn)接收TPMS報文并解析出胎壓和溫度數(shù)據(jù)；IMMO基站管理實現(xiàn)與鑰匙Transponder的交互；CAN通信實現(xiàn)CAN報文的接收和發(fā)送；LIN通信實現(xiàn)LIN報文的接收和發(fā)送。

2.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括車身控制任務(wù)、CAN網(wǎng)絡(luò)管理、LIN網(wǎng)絡(luò)管理、CAN網(wǎng)關(guān)、CAN-LIN網(wǎng)關(guān)、車身防盜報警、發(fā)動機(jī)防盜、學(xué)習(xí)和低功耗管理。其中，車身控制實現(xiàn)車燈控制、門鎖控制、雨刷控制、車窗控制；CAN網(wǎng)絡(luò)管理實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的休眠和喚醒；LIN網(wǎng)絡(luò)管理實現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和休眠管理；CAN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)BCAN和PCAN網(wǎng)絡(luò)報文的路由；CANLIN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)信號的路由；車身防盜報警實現(xiàn)安全防盜；發(fā)動機(jī)防盜實現(xiàn)與發(fā)動機(jī)的防盜認(rèn)證；學(xué)習(xí)包括遙控鑰匙學(xué)習(xí)、IMMO學(xué)習(xí)和發(fā)動機(jī)防盜匹配學(xué)習(xí)；低功耗管理實現(xiàn)BCM的休眠和喚醒［7］。

2.2 接口設(shè)計

為了降低成本，BCM采用中斷捕捉原始數(shù)據(jù)位的方式接收遙控鑰匙信號，鑰匙按鍵按下期間，RF接收單元頻繁觸發(fā)中斷，中斷發(fā)生后，MCU會停止當(dāng)前程序的運(yùn)行，保存當(dāng)前的機(jī)器狀態(tài)，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)響應(yīng)中斷。如果采用操作系統(tǒng)，每次中斷發(fā)生時，除了執(zhí)行正常的處理函數(shù)之外，還需要執(zhí)行任務(wù)切換、任務(wù)上下文存儲和恢復(fù)，不僅會造成系統(tǒng)負(fù)載率迅速攀升，還可能造成中斷嵌套，大量消耗有限的堆棧資源，導(dǎo)致堆棧溢出［8］，從而引發(fā)異?；蛘咚罊C(jī)。不僅如此，采用操作系統(tǒng)，需要為每個任務(wù)分配獨(dú)立的任務(wù)堆棧［9］，從而消耗有限的RAM資源。由于RAM資源的限制，以及為了保證系統(tǒng)的可靠性，本文所述BCM的軟件接口設(shè)計借鑒了嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)和消息隊列的思想，采用了前后臺的裸機(jī)方式。前臺為應(yīng)用層，采用任務(wù)+消息隊列的方式實現(xiàn)；后臺為底層驅(qū)動和中間層，以發(fā)送消息或者設(shè)置全局變量的方式與應(yīng)用層進(jìn)行交互。一方面，任務(wù)和消息隊列的形式使得各個軟件模塊形成了統(tǒng)一約定的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，保證了模塊的獨(dú)立性，同時又具備可擴(kuò)展性，添加新功能不會破壞原有的軟件結(jié)構(gòu)和影響原有系統(tǒng)的行為；另一方面，裸機(jī)形式能夠節(jié)約RAM資源，并以更快的速度處理各種中斷。

消息的產(chǎn)生和消費(fèi)是前后臺通信機(jī)制的核心，每個應(yīng)用層模塊對應(yīng)一個任務(wù)，任務(wù)與消息隊列一一對應(yīng)，消息隊列的結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct{

e_Signalmsg_id ［DEFAULT_EVENTQ_SIZE］；

e_TaskId task_id；

uint8_t tick_idx；

uint8_t talk_idx；

}s_MsgQ；

task_id對應(yīng)具體的任務(wù)，tick_idx為消息產(chǎn)生索引，talk_idx為消息消費(fèi)索引，消息內(nèi)容存儲在msg_id［DEFAULT_EVENTQ_SIZE］中。

2.3 BCM任務(wù)設(shè)計

集成式BCM需要完成的任務(wù)包括CAN網(wǎng)絡(luò)管理、CAN報文解析及收發(fā)緩沖區(qū)管理、LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度及報文解析、車燈控制、車窗控制、雨刮控制、門鎖控制、RKE、發(fā)動機(jī)防盜、TPMS等任務(wù)，需要處理的消息主要有CAN報文接收、定時器、RKE報文接收、開關(guān)信號反饋、LIN報文接收等消息，下面以RKE任務(wù)為例，說明BCM任務(wù)的設(shè)計原理。

MCU以eMIOS模塊捕捉RKE原始數(shù)據(jù)位，射頻信號接收芯片MICRF211將遙控鑰匙發(fā)送的調(diào)制信號解調(diào)為高低電平，送入MCU的eMIOS端口，觸發(fā)輸入捕捉中斷，在捕捉中斷服務(wù)程序中，MCU判斷電平時長是否滿足協(xié)議要求，過濾無用信號，然后將有效的位數(shù)據(jù)存儲起來，根據(jù)協(xié)議定義的格式，將數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換成字節(jié)形式的數(shù)據(jù)，接收完一條完整的報文后，向RKE任務(wù)發(fā)送“接收到RKE報文”消息。

RKE任務(wù)對字節(jié)形式的遙控數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，判斷序列號是否與已經(jīng)學(xué)習(xí)的鑰匙序列號匹配，如果不匹配，說明為無效鑰匙［10］。如果鑰匙匹配，判斷同步計數(shù)器是否大于等于所存儲的同步計數(shù)器，如果否，鑰匙需要重新學(xué)習(xí)，如果是，提取按鍵值，向門鎖控制任務(wù)發(fā)送解鎖、閉鎖消息，并根據(jù)遙控按鍵按下時間長短，向車窗控制任務(wù)發(fā)送遙控升降窗消息。

3 實際應(yīng)用

該產(chǎn)品通過了汽車廠進(jìn)行的CAN/LIN通信、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理、診斷各項測試，通過了汽車廠8萬公里路試，目前正在進(jìn)行各種電磁兼容性試驗、物理化學(xué)性能試驗，該BCM硬件實物如圖3所示。

4 結(jié)語

圖3 BCM硬件

采用MPC5604B設(shè)計實現(xiàn)了一款集成式車身控制器BCM，針對BCM設(shè)計了通用、共性的車身控制嵌入式軟件結(jié)構(gòu)及可配置可組裝的基礎(chǔ)模塊?；谠撥浖Y(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)模塊庫，可以針對不同車型的BCM研發(fā)相應(yīng)的車身控制器軟件，提高BCM的軟件可靠性，降低開發(fā)復(fù)雜度。從處理器特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面描述了BCM的硬件設(shè)計，從軟件架構(gòu)設(shè)計、軟件接口設(shè)計和BCM任務(wù)設(shè)計方面描述了BCM的軟件設(shè)計。該BCM運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有很高的實用價值。下一步，筆者將在該BCM軟件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)耦合度更低、內(nèi)聚度更高的通用模塊，為將來開發(fā)類似的BCM提供可復(fù)用的軟件IP。