一種集成式汽車BCM的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬建輝 ， 王知學(xué) ， 侯冬冬 ， 郭 坤

（1.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省汽車電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)率不高的國產(chǎn)汽車對(duì)成本的要求非?？量?。對(duì)于成本敏感的低端汽車而言，集中式控制能更好地控制成本，而對(duì)于有一定功能升級(jí)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(jí)。目前，汽車廠商一般會(huì)針對(duì)汽車配置級(jí)別采用不同的方案，對(duì)某一車系的低配，采用集中度更高的車身控制器；對(duì)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(shí)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(jí)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(gè)汽車電子零部件上的功能集成到一個(gè)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(jí)，從而能夠同時(shí)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(bào)警、IMMO、TPMS、RKE、軟件升級(jí)等功能集成在單個(gè)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(shí)可以降低成本，也可以在需要時(shí)通過CAN總線進(jìn)行功能升級(jí)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 MCU選型

集成式BCM需要實(shí)現(xiàn)CAN/LIN通信和車身控制等多項(xiàng)功能，采用普通的16位單片機(jī)無法滿足設(shè)計(jì)要求。飛思卡爾專門針對(duì)集成式車身控制應(yīng)用控制器單元設(shè)計(jì)了一款高性能32位單片機(jī)MPC5604B［3］，總線時(shí)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(jí)準(zhǔn)備了充分的資源，所以本設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(bào)文路由至PCAN，將接收自PCAN的報(bào)文路由至BCAN。同時(shí)，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(bào)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(bào)文，提取鍵值進(jìn)行RKE操作。同時(shí)，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(dòng)機(jī)管理單元進(jìn)行防盜認(rèn)證［4］，認(rèn)證通過后發(fā)動(dòng)機(jī)才可以正常起動(dòng)。

圖1 BCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)上存在一定差異?；趯哟位湍K化的思想，設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)、中間層、應(yīng)用層3大部分［5］。

2.1.1 底層驅(qū)動(dòng)

圖2 軟件架構(gòu)圖

底層驅(qū)動(dòng)包括用于輸入檢測和輸出控制的I/O、用于系統(tǒng)定時(shí)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(hào)捕捉的eMIOS以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的Data Flash。

2.1.2 中間層

中間層包括定時(shí)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(shí)器管理提供單次定時(shí)、周期定時(shí)和多次定時(shí)3種方式［6］；開關(guān)檢測實(shí)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(shí)現(xiàn)接收RKE報(bào)文并解析出遙控鑰匙按鍵鍵值；TPMS解析實(shí)現(xiàn)接收TPMS報(bào)文并解析出胎壓和溫度數(shù)據(jù)；IMMO基站管理實(shí)現(xiàn)與鑰匙Transponder的交互；CAN通信實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的接收和發(fā)送；LIN通信實(shí)現(xiàn)LIN報(bào)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(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)防盜、學(xué)習(xí)和低功耗管理。其中，車身控制實(shí)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(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的休眠和喚醒；LIN網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和休眠管理；CAN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)BCAN和PCAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由；CANLIN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的路由；車身防盜報(bào)警實(shí)現(xiàn)安全防盜；發(fā)動(dòng)機(jī)防盜實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)防盜匹配學(xué)習(xí)；低功耗管理實(shí)現(xiàn)BCM的休眠和喚醒［7］。

2.2 接口設(shè)計(jì)

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(hào)，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(huì)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(shí)，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(chǔ)和恢復(fù)，不僅會(huì)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(gè)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(jì)借鑒了嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)和消息隊(duì)列的思想，采用了前后臺(tái)的裸機(jī)方式。前臺(tái)為應(yīng)用層，采用任務(wù)+消息隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)；后臺(tái)為底層驅(qū)動(dòng)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(duì)列的形式使得各個(gè)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(shí)又具備可擴(kuò)展性，添加新功能不會(huì)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(tái)通信機(jī)制的核心，每個(gè)應(yīng)用層模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)，任務(wù)與消息隊(duì)列一一對(duì)應(yīng)，消息隊(duì)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(duì)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(chǔ)在msg_id［DEFAULT_EVENTQ_SIZE］中。

2.3 BCM任務(wù)設(shè)計(jì)

集成式BCM需要完成的任務(wù)包括CAN網(wǎng)絡(luò)管理、CAN報(bào)文解析及收發(fā)緩沖區(qū)管理、LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度及報(bào)文解析、車燈控制、車窗控制、雨刮控制、門鎖控制、RKE、發(fā)動(dòng)機(jī)防盜、TPMS等任務(wù)，需要處理的消息主要有CAN報(bào)文接收、定時(shí)器、RKE報(bào)文接收、開關(guān)信號(hào)反饋、LIN報(bào)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(jì)原理。

MCU以eMIOS模塊捕捉RKE原始數(shù)據(jù)位，射頻信號(hào)接收芯片MICRF211將遙控鑰匙發(fā)送的調(diào)制信號(hào)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(shí)長是否滿足協(xié)議要求，過濾無用信號(hào)，然后將有效的位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(bào)文后，向RKE任務(wù)發(fā)送“接收到RKE報(bào)文”消息。

RKE任務(wù)對(duì)字節(jié)形式的遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，判斷序列號(hào)是否與已經(jīng)學(xué)習(xí)的鑰匙序列號(hào)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(jì)數(shù)器是否大于等于所存儲(chǔ)的同步計(jì)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(shí)間長短，向車窗控制任務(wù)發(fā)送遙控升降窗消息。

3 實(shí)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(xiàng)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(yàn)、物理化學(xué)性能試驗(yàn)，該BCM硬件實(shí)物如圖3所示。

4 結(jié)語

圖3 BCM硬件

采用MPC5604B設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款集成式車身控制器BCM，針對(duì)BCM設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)，從軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件接口設(shè)計(jì)和BCM任務(wù)設(shè)計(jì)方面描述了BCM的軟件設(shè)計(jì)。該BCM運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有很高的實(shí)用價(jià)值。下一步，筆者將在該BCM軟件的基礎(chǔ)上，實(shí)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。