基于EA代碼生成的車(chē)身網(wǎng)絡(luò )電控系統

　　引言

　　在車(chē)身電子方面，國內外進(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和相關(guān)數據采集卡以及CAN總線(xiàn)智能接口，構建了一個(gè)集中式的車(chē)身電子試驗臺。哈爾濱工業(yè)大學(xué)焦曉偉等人采用Stateflow圖形化建模工具構建符合AUTOSAR標準的車(chē)身應用層軟件模型，再利用Targetlink代碼生成工具基于模型實(shí)現代碼自動(dòng)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(kāi)發(fā)方法在駕駛信息系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用基于框架結構和高級語(yǔ)言描述的車(chē)身網(wǎng)絡(luò )電控系統開(kāi)發(fā)方法，采用UML建模工具實(shí)現程序代碼的自動(dòng)生成，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化車(chē)身網(wǎng)絡(luò )的設計與開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高軟件可重用度，降低開(kāi)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(kāi)發(fā)的一套UML建模及設計平臺。EA體積小巧，使用簡(jiǎn)便，對UML標準的支持完整;除支持UML2.0標準的所有13種圖形之外，還支持其他的擴展圖，包括分析圖、自定義圖、需求圖、維護圖、用戶(hù)界面圖、數據庫模式圖、文檔、業(yè)務(wù)建模與業(yè)務(wù)交互圖等。

　　為便于擴展、定制以及二次開(kāi)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(guò)基于此框架的代碼生成模板實(shí)現的。代碼生成模板指定了從UML元素到給定編程語(yǔ)言的轉換過(guò)程，其修改通過(guò)代碼模板編輯器實(shí)現。打開(kāi)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(xiě)，其語(yǔ)法風(fēng)格兼具標記語(yǔ)言和腳本語(yǔ)言的語(yǔ)法特性。這種語(yǔ)法主要關(guān)注三種基本結構：

　　(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(fǎng)問(wèn)UML模型中的元素值，又可用于對生成的代碼進(jìn)行結構化處理。所有的宏都有兩個(gè)百分號%包含其中。CTF中包含模板替代宏、域替代宏、標記值替代宏、控制宏、函數宏和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強大的代碼生成功能。仍以上例說(shuō)明， “%className%”就是一個(gè)域替代宏，在生成的代碼中將以當前的類(lèi)名替代，故若當前類(lèi)為Foo，則語(yǔ)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據提供了方便。CTF中的變量采用弱類(lèi)型定義，即變量的數據類(lèi)型可以被忽略且一個(gè)變量可以被賦予不同數據類(lèi)型的值。變量的值可以來(lái)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(gè)合法標識符，如foo=%class Name%。變量foo將存儲當前類(lèi)的名稱(chēng)，需要引用此變量時(shí)直接使用foo即可。

　　2 軟硬件設計

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

　　2.1 硬件拓撲

　　根據車(chē)身電器的功能和位置，實(shí)驗臺拓撲布局如圖1所示。其中，粗實(shí)線(xiàn)為CAN總線(xiàn)及其節點(diǎn)，細實(shí)線(xiàn)為UN總線(xiàn)及其節點(diǎn)。主干CAN總線(xiàn)上共有8個(gè)節點(diǎn)，既是下層LIN網(wǎng)絡(luò )上的主機節點(diǎn)，又是CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。其中，數據采集節點(diǎn)使用USBCAN卡搭建，其余網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)使用 Freescale公司16位單片機MC9S12XSl28作為主控芯片。

　　MC9S12XSl28同時(shí)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)節點(diǎn)的硬件設計。CAN/LIN網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)功能框圖如圖2所示。

　　LIN從機節點(diǎn)使用Freescale公司8位單片機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，再連接其他外圍執行器組成。LIN從機節點(diǎn)功能框圖如圖3所示。

　　2.2 軟件建模

　　目前，大多數單片機所支持的軟件編譯器均以C語(yǔ)言為主，而在C語(yǔ)言中沒(méi)有類(lèi)及繼承等相關(guān)概念，同時(shí)出于可移植性的考慮，軟件模型采用分層思想。將整個(gè)設計的軟件結構分為4層：第0層為類(lèi)型定義及中斷服務(wù)程序返回值的宏定義，第1層為單片機及其內部功能模塊類(lèi)的抽象，第2層為外圍硬件類(lèi)的抽象，第3層為車(chē)身網(wǎng)絡(luò )各個(gè)節點(diǎn)類(lèi)的抽象。上層的類(lèi)通過(guò)調用下層類(lèi)提供的函數實(shí)現特定功能，各層的依賴(lài)關(guān)系如圖4所示。其中，虛線(xiàn)表示調用關(guān)系。下面具體介紹第1～3層的建模方法。

　　2.2.1 第1層一單片機及其內部功能模塊類(lèi)的抽象

　　第1層的函數功能通過(guò)對單片機寄存器的讀寫(xiě)實(shí)現，故使用類(lèi)的成員函數，將寄存器的讀寫(xiě)代碼直接寫(xiě)在成員函數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(gè)MSCAN模塊做統一處理，以及便于選擇使用某個(gè)特定模塊而手動(dòng)編寫(xiě)的函數宏。在使用時(shí)只需將MSCANx賦值為相應的整數值(對于MC9S12XSl28，可以是O～4)。

　　2.2.2 第2層一外圍硬件類(lèi)的抽象

　　第2層需要調用第1層類(lèi)的操作，這可以通過(guò)活動(dòng)圖實(shí)現。在活動(dòng)圖中，新建一個(gè)Action，根據需要選擇CallOperation(調用成員函數)或Call Behavior(調用活動(dòng)圖的行為)，再指定具體調用哪個(gè)成員函數或行為即可(調用的參數通過(guò)Action的Arguments屬性傳遞)。最后，將各個(gè)Action按照程序流程連接起來(lái)。

　　這里，使用CAN協(xié)議(上層協(xié)議使用J1939)發(fā)送一個(gè)數據幀(活動(dòng)圖略——編者注)。為了能夠實(shí)現行為圖(包括活動(dòng)圖)的代碼生成，必須將所有的行為圖及其元素都放在某個(gè)類(lèi)中?；顒?dòng)圖經(jīng)過(guò)轉換后生成的代碼如下所示：

　　2.2.3 第3層一車(chē)身網(wǎng)絡(luò )各個(gè)節點(diǎn)類(lèi)的抽象

　　除了同樣需要調用第1層、第2層類(lèi)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(gè)問(wèn)題：ISR的返回值和ISR的定位。

　　(1)ISR的返回值問(wèn)題。CodeWarrior支持兩種ISR的聲明方式。一種是使用預編譯指令pragma定義一個(gè)TRAP_PROC符號，TRAP_PROC會(huì )提示編譯器下面的函數是ISR，編譯器會(huì )使用一個(gè)特殊的中斷返回指令來(lái)結束這個(gè)函數(一般是RTI指令)。此方法需要同時(shí)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(lái)，不便于使用UML建模。

　　另一種是使用與C51類(lèi)似的interrupt關(guān)鍵字，并指定相應的中斷向量號，這樣就同時(shí)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(lèi)的代碼生成模板，添加一個(gè)衍型(stereotype)并命名為define，并添加相應的模板代碼。其核心部分代碼如下：

　　修改完成后，在建模過(guò)程中只需將類(lèi)的衍型設置為define，將類(lèi)名設置為新定義的符號，類(lèi)的父類(lèi)設置為原符號即可。以CANO模塊的接收中斷的返回值為例，可將類(lèi)名設置為ISR_CAN0_RX，將父類(lèi)設置為interrupt 38void(此父類(lèi)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(wèn)題。中斷服務(wù)程序的聲明和定義都必須定位于non-banked區域，通過(guò)使用“#pragma CODE_SEG NON_BANKED”實(shí)現。同時(shí)，中斷服務(wù)程序末尾需要添加“#pragma CODE_SEG DEFAULT”，否則后面的函數也會(huì )被定位在non-banked區域而導致錯誤。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(lái)。這也可通過(guò)修改代碼生成模板實(shí)現。結合ISR返回值的宏定義，只需在當函數返回值的前3個(gè)字符是“ISR”時(shí)，在函數前后輸出上述兩條pragma預編譯指令即可。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，最終生成的函數聲明如下;

　　3 調試與驗證

　　本設計除了使用USBCAN卡作為數據采集節點(diǎn)以外，為了驗證兩種總線(xiàn)協(xié)議的實(shí)現是否符合標準，更直觀(guān)地查看總線(xiàn)幀中各個(gè)字段的值以及隨時(shí)檢測總線(xiàn)上是否發(fā)生幀錯誤等，使用PC示波器PicoScope 5203搭配總線(xiàn)協(xié)議分析軟件WaveBPS捕獲兩種總線(xiàn)信號并進(jìn)行協(xié)議分析。Pi-coScope的兩個(gè)通道可同時(shí)捕獲CAN總線(xiàn)及LIN總線(xiàn)上的信號，進(jìn)一步方便了網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的調試。

　　圖6為在控制面板節點(diǎn)(源地址為0x26)打開(kāi)左轉向燈時(shí)發(fā)送給車(chē)燈節點(diǎn)(目標地址為0x20)的CAN數據幀。其中，標記為S的位是根據位填充規則自動(dòng)插入的填充位。圖7為車(chē)燈節點(diǎn)收到上述CAN數據幀后，根據網(wǎng)關(guān)路由策略及幀轉換規則，發(fā)送到LIN總線(xiàn)上的數據幀。

　　4 結論

　　本設計借助EA的代碼生成功能，通過(guò)修改代碼生成模板以滿(mǎn)足車(chē)身網(wǎng)絡(luò )電控系統開(kāi)發(fā)中C語(yǔ)言及編譯器的要求，進(jìn)行了車(chē)身網(wǎng)絡(luò )系統的開(kāi)發(fā)和初步實(shí)驗驗證。此方法極大地方便了設計開(kāi)發(fā)，并可提高系統的可靠性。