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    現(xiàn)代汽車的功能日新月異，而每增加一項(xiàng)功能都要增加相應(yīng)的電氣連接，使得分布車體各處的電纜趨于龐大和昂貴，且導(dǎo)致設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)的困難。傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不能滿足汽車對(duì)安全性、性能和便利性的要求這種技術(shù)進(jìn)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用就是這種進(jìn)展導(dǎo)致的必然結(jié)果。

    1、汽車總線的優(yōu)點(diǎn)

    汽車總線主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    網(wǎng)絡(luò)總線式結(jié)構(gòu)，只需一根通訊電纜連接，由軟件邏輯控制替代傳統(tǒng)的直接線束控制 。
 
    線路簡(jiǎn)化，減少線束連接復(fù)雜性。

    無(wú)需專用配電盒，部件數(shù)量減少，可靠性能增加，總線節(jié)點(diǎn)控制器（ECU）可靠性很高（是目前汽車電器可靠性的幾十倍）。

    可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷、測(cè)試和報(bào)警功能。

    系統(tǒng)可任意擴(kuò)展。

    更高的可靠性、更好的服務(wù)贏得市場(chǎng)，汽車總線的人性化設(shè)計(jì)功能更加貼近汽車制造商與客戶 。

    搭建通用信息平臺(tái)，為客戶提供方便，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。

    汽車總線提供更完善的車況信息，用戶自我服務(wù)變?yōu)榭赡埽档土酥圃鞆S與服務(wù)成本：（1）集中顯示；（2）歷史查詢；（3）診斷與測(cè)試；（4）語(yǔ)音提示 。

    準(zhǔn)黑匣子功能。

    2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    在某品牌商務(wù)車上，我們使用了六個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)代替了繁雜的線束，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成的主要功能見圖1。

圖1 總線節(jié)點(diǎn)分布圖

    3、軟件架構(gòu)

    按照功能，我們將軟件分成三層次，即驅(qū)動(dòng)層、轉(zhuǎn)換層和規(guī)則處理層。其中，轉(zhuǎn)換層包括輸入驅(qū)動(dòng)和輸出驅(qū)動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)換層包括輸入轉(zhuǎn)換和輸出轉(zhuǎn)換模塊。為了實(shí)現(xiàn)各層各模塊之間的通訊，我們定義了三類消息：驅(qū)動(dòng)層和轉(zhuǎn)換層的消息稱之為狀態(tài)消息，轉(zhuǎn)換層的輸入轉(zhuǎn)換和輸出轉(zhuǎn)換間的消息稱為接口消息，轉(zhuǎn)換層和規(guī)則處理層的消息稱之為器件消息。

圖2 軟件架構(gòu)

    輸入驅(qū)動(dòng)子模塊負(fù)責(zé)將輸入引腳的電平變化轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)消息發(fā)送給轉(zhuǎn)換層，輸出驅(qū)動(dòng)模塊將從轉(zhuǎn)換層接受的輸出狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際引腳的電平變化；輸入轉(zhuǎn)換模塊將從驅(qū)動(dòng)層接收的輸入狀態(tài)消息轉(zhuǎn)換為輸入器件消息發(fā)送給規(guī)則層作進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，或者轉(zhuǎn)換為接口消息送交輸出轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出；輸出轉(zhuǎn)換模塊將從規(guī)則層接收的輸出器件狀態(tài)消息或者直接由輸入轉(zhuǎn)換模塊來(lái)的接口消息轉(zhuǎn)換為輸出狀態(tài)消息發(fā)送給驅(qū)動(dòng)層；規(guī)則處理模塊把從輸入轉(zhuǎn)換模塊接收的輸入器件消息映射為輸出器件消息發(fā)送給輸出轉(zhuǎn)換模塊。規(guī)則層和轉(zhuǎn)換層的主要區(qū)別在于當(dāng)涉及多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邏輯關(guān)系運(yùn)算時(shí)，使用規(guī)則層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而只在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邏輯關(guān)系運(yùn)算時(shí)使用轉(zhuǎn)換層進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，為了處理復(fù)雜的邏輯關(guān)系，我們也允許規(guī)則處理模塊自己給自己發(fā)送消息，這時(shí)的消息也成為輸入器件消息，同樣輸出轉(zhuǎn)換模塊也可以自己給自己發(fā)消息，這時(shí)的消息也為接口消息。

    在整個(gè)系統(tǒng)中，運(yùn)行規(guī)則處理層的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，該節(jié)點(diǎn)稱為主ECU，其他節(jié)點(diǎn)稱為子ECU，主ECU的轉(zhuǎn)換層和規(guī)則處理層可以直接通訊，而子ECU的轉(zhuǎn)換層和主ECU規(guī)則處理層間的通訊通過(guò)通訊管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。子ECU之間不直接進(jìn)行消息的交換，必須通過(guò)主ECU聯(lián)絡(luò)。在實(shí)際的使用中，我們使用的是CAN總線，使用的芯片是自帶CAN收發(fā)器的atmel CC03。

    為了使轉(zhuǎn)換層和規(guī)則處理層的處理方法一致，同時(shí)為了讓系統(tǒng)在增加新的功能時(shí)，不對(duì)軟件作任何修改，我們摒棄了在程序中直接用If－Then－Else對(duì)每一種情況進(jìn)行邏輯判斷的傳統(tǒng)方法，代之以類似于專家系統(tǒng)的規(guī)則匹配進(jìn)行邏輯判斷。該方法的基本思想是：將各組邏輯關(guān)系按一定的組織關(guān)系存儲(chǔ)在數(shù)組中，每組邏輯關(guān)系我們稱之為一組規(guī)則，規(guī)則的每個(gè)條件和結(jié)論都稱之為因子，當(dāng)有消息到來(lái)時(shí)，在數(shù)組中查找該消息的所屬的規(guī)則，如果找到，則判斷該組規(guī)則的條件是否都滿足，是，則得到Then的結(jié)果，如果有必要，在條件不滿足時(shí)得到Else的結(jié)果。該算法的關(guān)鍵是對(duì)各種邏輯關(guān)系的組織，目前我們采取的方法是將條件和結(jié)論都表示成二元組（S，ID），這里的ID表示引腳或器件的邏輯編號(hào)，S的最高兩位用來(lái)區(qū)分條件和結(jié)論，接下來(lái)的一位表示消息的類型，S的其他位表示狀態(tài)等信息。當(dāng)S的最高位為10時(shí)表示條件，而00為Then的結(jié)論， 01為else結(jié)論，當(dāng)有的消息需要延時(shí)一段時(shí)間發(fā)送時(shí)，使用11作為延時(shí)標(biāo)志，這時(shí)S的其他位和ID一起表示延時(shí)的時(shí)間。類型字段只需一位來(lái)表示，并且只在結(jié)論因子中有效，對(duì)于輸入轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)1、0來(lái)區(qū)分是發(fā)送給規(guī)則處理模塊還是直接發(fā)給輸出轉(zhuǎn)換模塊，輸出轉(zhuǎn)換模塊用1、0來(lái)區(qū)分是發(fā)給輸出驅(qū)動(dòng)模塊還是發(fā)給自己，而規(guī)則處理模塊用它來(lái)區(qū)分是發(fā)給轉(zhuǎn)換模塊還是發(fā)給自己。

    對(duì)于邏輯[<喇叭按鈕：按下]==[>喇叭：鳴][Else]==[>喇叭：關(guān)]，輸入轉(zhuǎn)換數(shù)組中將表示成：

    （10000000 00000101）（00100000 10000110）（01100001 10000110）

    這里喇叭按鈕的編號(hào)為5，狀態(tài)值為0表示按下，喇叭的編號(hào)為134，由于喇叭的按鈕和喇叭不在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，產(chǎn)生的是輸入器件消息（類型為1）。當(dāng)喇叭按鈕有按下的時(shí)候，輸入驅(qū)動(dòng)模塊將其打包成消息（0x80，0x05）發(fā)送給輸入轉(zhuǎn)換層，輸入轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)在轉(zhuǎn)換數(shù)組中查找到ID為5的規(guī)則，通過(guò)判斷該組規(guī)則，得到（0x20，0x85）的器件消息，然后經(jīng)過(guò)通訊模塊，將其發(fā)送給規(guī)則處理模塊，規(guī)則處理模塊將處理后的消息，發(fā)給相關(guān)的子節(jié)點(diǎn)，經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換后由輸出驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行。

    4、軟件實(shí)現(xiàn)

    上述的軟件構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)，我們可以采用不同的方案，下面給出基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一般實(shí)現(xiàn)，并假定汽車總線是CAN的情況。與各個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)，對(duì)于子ECU，我們定義了五個(gè)任務(wù)和兩個(gè)中斷服務(wù)，分別是輸入轉(zhuǎn)換任務(wù)（TskInTrans）、輸出轉(zhuǎn)換任務(wù)（TskOutTrans）、延時(shí)處理任務(wù)（TskDly）、輸出驅(qū)動(dòng)任務(wù)（TskOutput）和發(fā)送任務(wù)（TskCANSend），中斷服務(wù)包括輸入中斷服務(wù)（ISPIn）和CAN接受中斷服務(wù)（ISPCAN），而對(duì)于主ECU，還需一個(gè)規(guī)則處理任務(wù)（TskRule）。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)間以及中斷和任務(wù)間的通訊，定義了四個(gè)郵箱和一個(gè)延時(shí)數(shù)組，分別是輸入轉(zhuǎn)換郵箱（MailInTrans）、輸出轉(zhuǎn)換郵箱（MailOutTrans）、輸出郵箱（MailOutput）、發(fā)送郵箱（MailCANSend）及延時(shí)數(shù)組ArrDly，對(duì)于主ECU還需增設(shè)規(guī)則處理郵箱（MailRule），這里的消息被定義成一個(gè)二元組（Val，ID），ID編號(hào)，Val為狀態(tài)值，而延時(shí)數(shù)組的每個(gè)元素還包括一個(gè)延時(shí)字段是個(gè)三元組。主ECU的各個(gè)任務(wù)以及和中斷服務(wù)間的通訊關(guān)系如圖3。

圖3 主ECU各任務(wù)及中斷通訊間的關(guān)系

    圖中的延時(shí)數(shù)組用虛框表示，它類似于消息郵箱，與郵箱中的消息相比，還包括一個(gè)延時(shí)的時(shí)間字段，另外在往延時(shí)數(shù)組中放入消息時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度。延時(shí)數(shù)組中的延時(shí)消息來(lái)自于輸出轉(zhuǎn)換任務(wù)和規(guī)則處理任務(wù)，延時(shí)任務(wù)定時(shí)執(zhí)行，它每隔一個(gè)時(shí)間單位，例如20ms，查詢一下延時(shí)數(shù)組，并將非空的元素的時(shí)間節(jié)拍減一，如果時(shí)間節(jié)拍為0，則根據(jù)Type字段，將其放入規(guī)則郵箱或輸出轉(zhuǎn)換郵箱。

    對(duì)于總線中斷服務(wù)程序，主ECU和子ECU的處理方式稍微有的不同，對(duì)于主ECU，它將總線上來(lái)的消息送到規(guī)則處理郵箱 而子ECU則將其放入輸出轉(zhuǎn)換郵箱；而對(duì)于發(fā)送的任務(wù)，主ECU的消息來(lái)自于規(guī)則處理任務(wù)，子ECU的發(fā)送消息來(lái)自于輸入轉(zhuǎn)換任務(wù)。

    采用郵箱進(jìn)行消息傳遞的并利用查表方法進(jìn)行邏輯判斷，轉(zhuǎn)換任務(wù)和規(guī)則處理任務(wù)流程很類似，限于篇幅，這里僅給出輸入轉(zhuǎn)換任務(wù)的流程圖和示意性代碼，另外，對(duì)于CAN及輸入輸出的驅(qū)動(dòng)程序，與具體的硬件有關(guān)，這里也不在贅述。

    輸入轉(zhuǎn)換任務(wù)的示意性代碼如下（基于Keil C編寫）：

    void TskInTrans () reentrant
    {  StrYz  Msg; 定義一個(gè)消息變量
      for( ; ; )
      {     Msg =(StrYz *)MsgPend(MailInTrans);//等待輸入轉(zhuǎn)換郵箱的消息
         While Not EndofInTrans            轉(zhuǎn)換表沒(méi)查完
         {  SeekRule(Msg->ID);從當(dāng)前規(guī)則開始，以消息的編號(hào)尋找所屬規(guī)則
           if  （IsAllOkJK（CurrentRule））// 如果都滿足,則根據(jù)消息的類型，將所有的
                      PostMsg（）;           Then因子發(fā)往規(guī)則郵箱或輸出轉(zhuǎn)換郵箱
               else    否則，移到Else部分后，再將Else因子發(fā)往相應(yīng)的郵箱
             {  MoveToElse();
           PostMsg（）;
            }
            MoveToNextRule(); 移到下組規(guī)則
         }
      }
    }

    5、結(jié)束語(yǔ)

    汽車總線控制是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，要想進(jìn)行總線控制，必須從軟件和硬件兩個(gè)方面著手，而使用嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)軟硬件進(jìn)行管理，不論是實(shí)時(shí)性還是從可靠性來(lái)講，都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，目前，我們正在研究基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的汽車總線控制系統(tǒng)，并已在實(shí)驗(yàn)室中在某種商務(wù)車上得以實(shí)現(xiàn)，相信不久的將來(lái)，該套系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。