基于EA代碼生成的車身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)

　　引言

　　在車身電子方面，國內(nèi)外進(jìn)行了系列的研究。上海理工大學(xué)陳家琪等人利用工控機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)采集卡以及CAN總線智能接口，構(gòu)建了一個集中式的車身電子試驗臺。哈爾濱工業(yè)大學(xué)焦曉偉等人采用Stateflow圖形化建模工具構(gòu)建符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的車身應(yīng)用層軟件模型，再利用Targetlink代碼生成工具基于模型實現(xiàn)代碼自動生成。而英國Warwick大學(xué)的Yue Guo等人，則比較了基于SysML和基于“Simulink+Stateflo-w”的開發(fā)方法在駕駛信息系統(tǒng)開發(fā)過程中的優(yōu)缺點。本文采用基于框架結(jié)構(gòu)和高級語言描述的車身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)開發(fā)方法，采用UML建模工具實現(xiàn)程序代碼的自動生成，可進(jìn)一步簡化車身網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與開發(fā)過程，提高軟件可重用度，降低開發(fā)成本，減少人為錯誤。

　　1 EA及代碼生成功能

　　Enterprise Architect(EA)是澳大利亞Sparx Systems公司開發(fā)的一套UML建模及設(shè)計平臺。EA體積小巧，使用簡便，對UML標(biāo)準(zhǔn)的支持完整;除支持UML2.0標(biāo)準(zhǔn)的所有13種圖形之外，還支持其他的擴(kuò)展圖，包括分析圖、自定義圖、需求圖、維護(hù)圖、用戶界面圖、數(shù)據(jù)庫模式圖、文檔、業(yè)務(wù)建模與業(yè)務(wù)交互圖等。

　　為便于擴(kuò)展、定制以及二次開發(fā)，EA提供了豐富的SDK。代碼模板框架(Code Template Framework，CTF)是SDK的一部分，EA的代碼生成功能正是通過基于此框架的代碼生成模板實現(xiàn)的。代碼生成模板指定了從UML元素到給定編程語言的轉(zhuǎn)換過程，其修改通過代碼模板編輯器實現(xiàn)。打開方法為EA主菜單Settings→Code Generation Template，或使用快捷鍵Ctrl+Shift+P。代碼生成模板以純文本形式編寫，其語法風(fēng)格兼具標(biāo)記語言和腳本語言的語法特性。這種語法主要關(guān)注三種基本結(jié)構(gòu)：

　　(1)字面文本。在代碼生成模板中，除了空行將被忽略以外，所有不是宏或變量的定義及引用的文本，都將作為字面文本而直接輸出到生成的代碼中。如：

　　class % className%

　　(2)宏。宏既可用于訪問UML模型中的元素值，又可用于對生成的代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。所有的宏都有兩個百分號%包含其中。CTF中包含模板替代宏、域替代宏、標(biāo)記值替代宏、控制宏、函數(shù)宏和EASL代碼生成宏6種基本的宏。正是這些豐富的宏定義造就了EA強(qiáng)大的代碼生成功能。仍以上例說明， “%className%”就是一個域替代宏，在生成的代碼中將以當(dāng)前的類名替代，故若當(dāng)前類為Foo，則語句的輸出為“cl-ass Foo”。

　　(3)變量。變量的定義和引用為在代碼生成模板中存取數(shù)據(jù)提供了方便。CTF中的變量采用弱類型定義，即變量的數(shù)據(jù)類型可以被忽略且一個變量可以被賦予不同數(shù)據(jù)類型的值。變量的值可以來自各種宏、雙引號包含的字面文本和其他變量的引用等。變量的定義和引用使用美元符號加一個合法標(biāo)識符，如foo=%class Name%。變量foo將存儲當(dāng)前類的名稱，需要引用此變量時直接使用foo即可。

　　2 軟硬件設(shè)計

　　為了方便調(diào)試及驗證生成代碼的有效性，本設(shè)計搭建以CAN總線為主干、LIN總線為下層網(wǎng)絡(luò)的車身網(wǎng)絡(luò)演示實驗臺。

　　2.1 硬件拓?fù)?/P>

　　根據(jù)車身電器的功能和位置，實驗臺拓?fù)洳季秩鐖D1所示。其中，粗實線為CAN總線及其節(jié)點，細(xì)實線為UN總線及其節(jié)點。主干CAN總線上共有8個節(jié)點，既是下層LIN網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)節(jié)點，又是CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。其中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用USBCAN卡搭建，其余網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用 Freescale公司16位單片機(jī)MC9S12XSl28作為主控芯片。

　　MC9S12XSl28同時具有CAN網(wǎng)絡(luò)控制器(MSCAN模塊)和LIN網(wǎng)絡(luò)控制器(SCI模塊)，故只需再連接相應(yīng)的CAN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器 TJAl050和LIN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJAl020即可完成CAN/LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件設(shè)計。CAN/LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能框圖如圖2所示。

　　LIN從機(jī)節(jié)點使用Freescale公司8位單片機(jī)MC9S08DZ60作為主控芯片，使用其SCI模塊連接LIN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJAl020，再連接其他外圍執(zhí)行器組成。LIN從機(jī)節(jié)點功能框圖如圖3所示。

　　2.2 軟件建模

　　目前，大多數(shù)單片機(jī)所支持的軟件編譯器均以C語言為主，而在C語言中沒有類及繼承等相關(guān)概念，同時出于可移植性的考慮，軟件模型采用分層思想。將整個設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)分為4層：第0層為類型定義及中斷服務(wù)程序返回值的宏定義，第1層為單片機(jī)及其內(nèi)部功能模塊類的抽象，第2層為外圍硬件類的抽象，第3層為車身網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點類的抽象。上層的類通過調(diào)用下層類提供的函數(shù)實現(xiàn)特定功能，各層的依賴關(guān)系如圖4所示。其中，虛線表示調(diào)用關(guān)系。下面具體介紹第1～3層的建模方法。

　　2.2.1 第1層一單片機(jī)及其內(nèi)部功能模塊類的抽象

　　第1層的函數(shù)功能通過對單片機(jī)寄存器的讀寫實現(xiàn)，故使用類的成員函數(shù)，將寄存器的讀寫代碼直接寫在成員函數(shù)Behavior屬性的Ini-tial框中。如使能S12中的MSCAN模塊的代碼如下：

　　CANCTL1(MSCANx)|=CANCTlLl_CANE_MASK;

　　其中的CANCTL1是為了便于對多個MSCAN模塊做統(tǒng)一處理，以及便于選擇使用某個特定模塊而手動編寫的函數(shù)宏。在使用時只需將MSCANx賦值為相應(yīng)的整數(shù)值(對于MC9S12XSl28，可以是O～4)。

　　2.2.2 第2層一外圍硬件類的抽象

　　第2層需要調(diào)用第1層類的操作，這可以通過活動圖實現(xiàn)。在活動圖中，新建一個Action，根據(jù)需要選擇CallOperation(調(diào)用成員函數(shù))或Call Behavior(調(diào)用活動圖的行為)，再指定具體調(diào)用哪個成員函數(shù)或行為即可(調(diào)用的參數(shù)通過Action的Arguments屬性傳遞)。最后，將各個Action按照程序流程連接起來。

　　這里，使用CAN協(xié)議(上層協(xié)議使用J1939)發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀(活動圖略——編者注)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)行為圖(包括活動圖)的代碼生成，必須將所有的行為圖及其元素都放在某個類中。活動圖經(jīng)過轉(zhuǎn)換后生成的代碼如下所示：

　　2.2.3 第3層一車身網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點類的抽象

　　除了同樣需要調(diào)用第1層、第2層類的操作之外，第3層還需要對中斷服務(wù)程序(ISR)進(jìn)行建模。ISR的建模涉及兩個問題：ISR的返回值和ISR的定位。

　　(1)ISR的返回值問題。CodeWarrior支持兩種ISR的聲明方式。一種是使用預(yù)編譯指令pragma定義一個TRAP_PROC符號，TRAP_PROC會提示編譯器下面的函數(shù)是ISR，編譯器會使用一個特殊的中斷返回指令來結(jié)束這個函數(shù)(一般是RTI指令)。此方法需要同時修改 CodeWarrior工程中的PRM文件，將ISR與中斷向量表中的向量聯(lián)系起來，不便于使用UML建模。

　　另一種是使用與C51類似的interrupt關(guān)鍵字，并指定相應(yīng)的中斷向量號，這樣就同時完成了ISR的聲明和與中斷向量表的關(guān)聯(lián)。在EA中修改類的代碼生成模板，添加一個衍型(stereotype)并命名為define，并添加相應(yīng)的模板代碼。其核心部分代碼如下：

　　修改完成后，在建模過程中只需將類的衍型設(shè)置為define，將類名設(shè)置為新定義的符號，類的父類設(shè)置為原符號即可。以CANO模塊的接收中斷的返回值為例，可將類名設(shè)置為ISR_CAN0_RX，將父類設(shè)置為interrupt 38void(此父類并不存在)。最后生成的代碼如下：

　　#define ISR_CAN0_RX interrupt 38 void

　　然后將ISR的返回值指定為ISR_CANO_RX即可。

　　(2)ISR的定位問題。中斷服務(wù)程序的聲明和定義都必須定位于non-banked區(qū)域，通過使用“#pragma CODE_SEG NON_BANKED”實現(xiàn)。同時，中斷服務(wù)程序末尾需要添加“#pragma CODE_SEG DEFAULT”，否則后面的函數(shù)也會被定位在non-banked區(qū)域而導(dǎo)致錯誤。因此，中斷服務(wù)程序必須被“#pragma CODE_SEG NON_BANKED”和“#pragma CODE_SEG DEFAULT”包圍起來。這也可通過修改代碼生成模板實現(xiàn)。結(jié)合ISR返回值的宏定義，只需在當(dāng)函數(shù)返回值的前3個字符是“ISR”時，在函數(shù)前后輸出上述兩條pragma預(yù)編譯指令即可。生成ISR聲明的代碼生成模板的核心部分如下：

　　仍以上述CAN0模塊的接收中斷為例，最終生成的函數(shù)聲明如下;

　　3 調(diào)試與驗證

　　本設(shè)計除了使用USBCAN卡作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點以外，為了驗證兩種總線協(xié)議的實現(xiàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，更直觀地查看總線幀中各個字段的值以及隨時檢測總線上是否發(fā)生幀錯誤等，使用PC示波器PicoScope 5203搭配總線協(xié)議分析軟件WaveBPS捕獲兩種總線信號并進(jìn)行協(xié)議分析。Pi-coScope的兩個通道可同時捕獲CAN總線及LIN總線上的信號，進(jìn)一步方便了網(wǎng)關(guān)節(jié)點的調(diào)試。

　　圖6為在控制面板節(jié)點(源地址為0x26)打開左轉(zhuǎn)向燈時發(fā)送給車燈節(jié)點(目標(biāo)地址為0x20)的CAN數(shù)據(jù)幀。其中，標(biāo)記為S的位是根據(jù)位填充規(guī)則自動插入的填充位。圖7為車燈節(jié)點收到上述CAN數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)網(wǎng)關(guān)路由策略及幀轉(zhuǎn)換規(guī)則，發(fā)送到LIN總線上的數(shù)據(jù)幀。

　　4 結(jié)論

　　本設(shè)計借助EA的代碼生成功能，通過修改代碼生成模板以滿足車身網(wǎng)絡(luò)電控系統(tǒng)開發(fā)中C語言及編譯器的要求，進(jìn)行了車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)和初步實驗驗證。此方法極大地方便了設(shè)計開發(fā)，并可提高系統(tǒng)的可靠性。