汪 偉，莫官旭，申 健，謝勇波，王文明

（長沙中車智馭新能源科技有限公司， 湖南 長沙 410036）

0 引言

汽車控制器之間的通信主要通過CAN（controller area network）總線實現(xiàn)。隨著汽車功能的不斷豐富，控制器數(shù)量逐漸增多，CAN報文信息交互頻繁，所需處理的數(shù)據(jù)越來越多；而傳統(tǒng)軟件開發(fā)方式存在開發(fā)時間長、代碼量大、易出錯和不易擴展的不足。另外，在基于模型設(shè)計[1-2]的軟件開發(fā)中，模型生成代碼的變量不便與CAN底層函數(shù)的參數(shù)關(guān)聯(lián)，需將模型生成代碼中的變量一一賦值至手寫代碼的底層函數(shù)中使用。

基于模型的設(shè)計是嵌入式軟件快速開發(fā)的一種方式，在Simulink環(huán)境下使用模塊庫搭建控制策略模型，使用RTW(real-time workshop)將模型生成代碼，再編譯燒寫到嵌入式控制器中運行。相比編輯C代碼的嵌入式軟件開發(fā)方式，基于模型的設(shè)計可視性更高、移植性更強，并且可在Simulink上對邏輯進行仿真，簡化測試工作。若通過Simulink模塊實現(xiàn)CAN報文收發(fā)、裝載與解析功能，則能有效提高開發(fā)效率和代碼可靠性，增強軟件移植性[3-4]。據(jù)此，本文使用Simulink的S函數(shù)（S-Function）并編寫相應(yīng)的M語言腳本和由目標(biāo)語言編譯器（target language compiler, TLC）轉(zhuǎn)換的TLC文件，設(shè)計了一種基于自動代碼生成技術(shù)的CAN底層模塊庫，用于實現(xiàn)控制器的CAN通道初始化和CAN報文的接收與發(fā)送、解析與裝載。

1 模塊功能設(shè)計

在Simulink環(huán)境中，需要設(shè)計S-Function和與之關(guān)聯(lián)的TLC文件，以達(dá)到生成自定義格式代碼的目的[5-7]。首先，在Matlab中編輯M語言腳本并在模塊中調(diào)用，用于處理傳入模塊的數(shù)據(jù)和設(shè)置顯示在模塊上的字符；然后，在TLC文件中對這些數(shù)據(jù)如何生成代碼以及所需包含的頭文件進行描述，從而在生成的C代碼中調(diào)用控制器底層函數(shù)，其原理如圖1所示。

圖1 S-Function生成自定義代碼原理圖Fig. 1 Principle diagram of S-Function custom code

本文使用的TC21x芯片平臺控制板的CAN通信C語言底層函數(shù)包含的功能有：硬件CAN通道設(shè)置、發(fā)送CAN報文及配置接收報文，函數(shù)名和所需設(shè)置的形參如圖2所示。

圖2 C語言底層函數(shù)Fig. 2 C language underlying functions

根據(jù)C語言的底層函數(shù)和Matlab支持讀取DBC（database for CAN）文件的功能，將CAN底層模塊庫劃分為CAN初始化、CAN報文數(shù)據(jù)裝載與發(fā)送、CAN報文數(shù)據(jù)接收與解析這3種功能S-Function模塊。CAN初始化模塊用于設(shè)置波特率和工作模式，其他兩個模塊用于讀取導(dǎo)入模型的DBC文件信息，并調(diào)用CAN報文收發(fā)底層函數(shù)來實現(xiàn)對報文數(shù)據(jù)的處理與收發(fā)。根據(jù)底層函數(shù)所需傳入的參數(shù)類型，3個模塊的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 自建CAN底層模塊庫功能結(jié)構(gòu)Fig. 3 Functional structure of self-building CAN communication library

2 功能實現(xiàn)

CAN底層模塊庫的各個模型均需圖形用戶界面（graphical user interface, GUI）與數(shù)據(jù)處理功能。在GUI的設(shè)計上，Matlab/Simulink提供了便捷的Mask Editor和GUIDE工具供使用者對Simulink模型進行封裝，可將各模塊所需傳入的參數(shù)類型作為模塊對話框的輸入項，并為GUI上的控件添加回調(diào)函數(shù)，對輸入數(shù)據(jù)進行處理，最終傳入S-Function參數(shù)用于生成代碼。

CAN初始化所需輸入的參數(shù)信息較少，可使用Mask Editor對硬件CAN通道編號，將波特率和工作模式設(shè)置為彈出式下拉菜單，并為每個控件對應(yīng)的Name屬性命名，以此作為S-Function中S-function parameters的輸入?yún)?shù)名稱。實現(xiàn)CAN初始化模塊同名的TLC文件后，可生成代碼。所設(shè)計的對話框和所生成的代碼如圖4所示。

圖4 CAN初始化模塊的對話框界面與所生成的代碼Fig. 4 Dialog interface and generated code of CAN initial block

CAN報文裝載與發(fā)送、CAN報文接收與解析輸入模塊參數(shù)較多，用GUIDE設(shè)計對話框界面可以顯示更豐富的內(nèi)容。為了方便觀察模塊所使用的CAN報文中每個信號的信息，用GUIDE將CAN報文信息的變量名、起始位、信號數(shù)據(jù)長度、比例系數(shù)及偏移量根據(jù)起始位置排序，并以表格形式在模塊的對話框中顯示。報文信息來源于DBC文件，因此需為GUI的Browse和Message list編輯框?qū)?yīng)的控件設(shè)置回調(diào)函數(shù)，用于選擇指定路徑的DBC文件，并在選擇所需報文ID后對協(xié)議內(nèi)容進行讀取與處理，之后再寫入到模塊參數(shù)中。以EEC1（ID為0x0CF00400）報文中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號為例，CAN報文裝載與發(fā)送模塊對話框與所生成的代碼如圖5所示。

圖5 CAN報文裝載與發(fā)送模塊的界面與代碼Fig. 5 Dialog and generated code of CAN message loading and sending block

為了便于在同一模型工程中對不同設(shè)置參數(shù)的模塊進行區(qū)分，可通過 Mask Editor中的Icon drawing commands設(shè)置模塊外觀顯示的符號與文字。將CAN接收與解析模塊進一步細(xì)分為帶回調(diào)函數(shù)功能的模塊和不帶回調(diào)函數(shù)功能的模塊，以滿足不同需求。CAN底層模塊庫各模塊封裝效果如圖6所示，從左至右、從上至下分別為CAN初始化模塊、CAN報文裝載與發(fā)送模塊、CAN報文接收與解析模塊以及帶回調(diào)功能的CAN報文接收與解析模塊。

圖6 CAN底層模塊庫各模塊封裝效果Fig. 6 Encapsulation effect of each block in the CAN underlying module library

完成各模塊的功能實現(xiàn)、封裝和屬性設(shè)置后，可將各模塊集成為Simulink模塊庫。編寫與模塊庫對應(yīng)的slblocks.m文件，將該文件與模塊庫文件所在路徑添加到Matlab的工作路徑列表中。在Simulink Library Browser中執(zhí)行Refresh操作，CAN通信模塊庫可顯示在Simulink庫瀏覽菜單中，以便查找和使用，效果如圖7所示。搭建模型時，只需在CAN底層模塊庫中將相應(yīng)功能的模塊拖入到.mdl或.slx模型文件中即可。每個在工程中使用的模塊與CAN底層模塊庫中的父模塊存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；在后期軟件維護時，只需對模塊庫中的父模塊功能進行修改，即可改變整個模型文件中各CAN模塊的功能與生成代碼的格式。

圖7 CAN通信模塊在Simulink Library Browser中顯示效果Fig. 7 Display effect of CAN communication block in Simulink Library Browser

3 功能驗證

在完成了CAN通信模塊庫的功能設(shè)計與封裝后，為了驗證CAN模塊是否能在硬件平臺上正常運行，本文在Infineon的TC21x系列控制板上試驗CAN報文的發(fā)送與接收功能。試驗環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 試驗環(huán)境組成Fig. 8 Test environment composition

本次試驗分別用EEC1報文中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速值和TCO1（ID為0x0CFE6CEE）報文中的整車車速值作為報文接收解析和報文數(shù)據(jù)裝載與發(fā)送的測試對象。其中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速值在EEC1的BYTE4和BYTE5位置，分辨率為0.125 (r/min)/bit；整車車速值在TCO1的BYTE7和BYTE8位置，分辨率為1/256 (km/h)/bit。搭建如圖9所示測試模型，其中，CAN初始化模塊和CAN報文裝載與發(fā)送模塊分別被置于Simulink的原子子系統(tǒng)，用于指定函數(shù)名、生成單獨的C函數(shù)以區(qū)分不同的模塊功能，方便調(diào)用。使用Simulink編譯模型驗證了使用模塊庫所搭建的模型能成功生成代碼，各子系統(tǒng)內(nèi)部如圖10所示。

圖9 測試模型Fig. 9 Test model

圖10 測試模型子系統(tǒng)內(nèi)部Fig. 10 Inner of the test model subsystem

將生成的C代碼函數(shù)加入整個軟件工程中調(diào)用，編譯后燒寫到控制器內(nèi)；使用上位機軟件CANTest對TCO1的報文情況進行采集，模型中車速的設(shè)置值為45，報文發(fā)送值為0x2D00（對應(yīng)的十進制值為11520），如圖11所示，根據(jù)協(xié)議解析可得實際值為45 km/h。

圖11 報文采集結(jié)果Fig. 11 Result of message collecting

在CANTest的基本操作欄中，設(shè)置報文幀ID和數(shù)據(jù)值發(fā)送給控制板，如圖12所示。本文設(shè)置EEC1的發(fā)動機轉(zhuǎn)速報文原始值為0x1450（十進制值為5200，根據(jù)協(xié)議，解析值為650 r/min），通過控制板的上位機監(jiān)控板可得所接收的內(nèi)容為650，如圖13所示。

圖12 模擬發(fā)送報文Fig. 12 Simulated message sending

圖13 上位機監(jiān)控板接收到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速值Fig. 13 Speed value of engine in the upper computer monitoring board

通過以上測試結(jié)果可看出，自建的CAN底層模塊庫接收與解析功能、數(shù)據(jù)裝載與發(fā)送功能能在控制板中能正常運行，且協(xié)議解析內(nèi)容與DBC文件中設(shè)置內(nèi)容相符。

4 結(jié)語

本文通過Simulink自建CAN底層模塊庫，在Infineon控制板上實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能底層函數(shù)的調(diào)用，并將DBC文件的信息導(dǎo)入到模塊中；結(jié)合控制板已實現(xiàn)的C語言底層函數(shù)，分別建立CAN報文接收與解析、CAN報文裝載與發(fā)送功能模塊；通過Simulink自動生成代碼技術(shù)驗證了自建模塊庫所生成的代碼在控制器上的運行結(jié)果。在基于TC21x系列芯片控制板的試驗環(huán)境中的測試結(jié)果表明：自建的CAN底層模塊庫可正常調(diào)用底層的CAN報文發(fā)送和接收函數(shù)功能，并能解析報文或根據(jù)協(xié)議裝載成原始報文。使用該方法，不需要人為對照CAN協(xié)議來編輯C代碼和對CAN報文解析與裝載，模型會自動根據(jù)DBC文件來對CAN報文信息進行處理，相比傳統(tǒng)軟件開發(fā)，降低了編寫軟件時對照報文協(xié)議的錯誤率，節(jié)省了開發(fā)時間，方便后期維護工作。由于本文模塊庫在代碼中生成了較多單精度或雙精度型變量，這會占用較多的控制板數(shù)據(jù)存儲空間，因此優(yōu)化生成代碼中的數(shù)據(jù)類型是本文方案需要改進之處。