基于μC_OS-Ⅲ的车载网关控制器设计.pdf

2023年/第10期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission550 引 言车载网关控制器作为汽车上不同总线或网段数据交互的中枢，是汽车总线系统的核心工作单元，对车载网关系统的设计优化具有重要意义1-2。由于车载网关控制器工作环境较为苛刻，且对硬件成本限制极为严格，因此车载网关控制器通常使用车规级专用微控制器设计实现3-4。因此，数据传输实时性和运行可靠性是车载网关控制器的核心 性能。基于车规级专用微控制器的车载网关控制器通常有两种软件设计方案：基于操作系统的软件设计和无操作系统的软件设计。相对于无操作系统的软件设计，基于操作系统的软件设计具有实时性高、可靠性好和扩展能力强等优势。因此设计基于嵌入式操作系统的车载网关控制器是提高车载网关控制器性能的重要手段。本文提出一种基于 C/OS-的车载网关控制器设计方案，主要包括网关控制器硬件设计、操作系统的移植和通信软件设计。最后，使用专用测试工具和上位机软件对网关的数据传输能力进行测试。结果表明，本文设计的网关控制器能有效保证网关功能可靠性和数据传输实时性。1 硬件方案设计1.1 原理框图网关控制器硬件框图如图 1 所示。该网关控制器选用NXP 公司的 Power 内核 MPC5646C 作为微控制器器。CAN接口选用 TI 公司的 TCAN1042 作为 CAN 总线收发器，以太网接口选用 NXP 公司生产的 TJA1100 车载以太网收发器。图 1 网关控制器硬件框图1.2 网关微控制器网 关 微 控 制 器 是 由 NXP 公 司 提 供 的 32 位 单 片 机MPC5646C，属于 Power 架构，具有 e200z0h 和 e200z4h 双内核处理器功能、更强的数据处理能力、更大的数据存储空间和更低的功耗5-6。1.3 CAN 收发器 TCAN1042本文采用的 CAN 收发器型号为 TCAN1042。该芯片是TI 公司生产的一款具有 CAN FD 和故障保护功能的汽车类 CAN 收发器，这款 CAN 收发器系列符合 ISO1189-2（2016）高速 CAN 物理层标准。所有器件均设计用于数据速率高达 2 Mb/s 的 CAN FD 网 络。图 2 为 CAN 接 口 硬 件 设 计 原 理图7。1.4 车载以太网收发器 TJA1101TJA1101 是 NXP 公 司 生 产 的 符 合 100BASE-T1 标 准的以太网收发器。该器件支持在一对非屏蔽双绞线上实现 100 Mb/s 的收发能力，传输线长度可达 15 m 以上。TJA1101可以在保持汽车应用所需鲁棒性的同时，减小电源损耗和系统整体费用。图 3 为以太网收发器接口原理图。基于 C/OS-的车载网关控制器设计曹清源，杨 涛，钱宏文（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）摘 要：随着汽车电子系统的扩展，车内电子控制单元数量持续增长。车载网关控制器作为不同总线或网段之间数据交互的“心脏”，功能可靠性和数据传输实时性是车载网关控制器的核心设计指标。使用 MPC5646 微控制器，设计一款车载网关控制器，并在网关控制器上运行嵌入式实时操作系统 C/OS-。针对汽车总线中常见的 CAN和车载以太网，利用操作系统的多线程特点和线程间的通信功能，保证各个车载网络系统实时、稳定、可靠的通信。结果表明，使用 C/OS-操作系统能有效保证网关功能可靠性和数据传输实时性。关键词：车载网关；网关控制器；C/OS-；数据传输；嵌入式操作系统；车载以太网中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）10-0055-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.10.016收稿日期：2022-12-02 修回日期：2023-01-18物联网技术 2023年/第10期 可靠传输 Reliable Transmission562 通信软件设计2.1 操作系统移植为了方便移植，C/OS-的绝大部分代码使用 C 语言编写8。但在移植时，仍需要用 C 语言和汇编语言编写与处理器相关的代码。C/OS-中操作 CPU 寄存器的代码，仍只能使用汇编语言编写，除非 C 编译器支持内嵌汇编语言。图 6 给出了 C/OS-的结构以及它与其他软件文件和硬件的关系。使用 C/OS-时，需要编写应用软件代码，并配置 C/OS-。C/OS-的移植工作包括 4 个内核相关文件，分别是os_cpu.h、os_cpu_a.s、os_cpu_a.inc 和 os_cpu_c.c。除 此 之外，移植工作还需要编写 3 个 CPU 相关文件，分别是 cpu.h、cpu_a.a 和 cpu_c.c。os_cpu.h 中定义了任务切换宏定义，OS_TASK_SW（）。对于 MPC5646C 微控制器而言，任务切换是通过执行 system call（sc,se_sc）指令，产生 system call 中断（IVOR8），并在 system call 中断服务函数IVOR8trap 中执行 OSCtxSw实现任务切换。os_cpu_a.s 文件中包含了所有需要使用汇编语言实现的函数。开发者需要在该文件中实现 4 个函数，即：OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）和 OSTickISR（）。OSStartHighRdy（）会被 OSStart（）函数调用来开始多任务管理。该函数仅在操作系统启动时被执行一次。OSCtxSw（）是任务级的任务切换函数，在 IVOR8trap 中断服务函数中被调用来切换任务。OSIntCtxSw（）是中断级任务切换函数。在所有嵌套的中断服务程序都退出后，OSIntExit（）函数会图 2 CAN 接口硬件设计原理图图 3 以太网收发器接口原理图2023年/第10期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission57调用 OSIntCtxSw（），使得在中断函数执行后，当前最高优先级的任务能够运行。OSTickISR（）是系统时钟节拍中断服务函数。MPC5646 的 e200z4 内核中提供了时钟基准定时器Time Base，该定时器中包含了一个减计数器，当减计数器的值由 1 变为 0 时，将引发 Decrementer 中断（IVOR10）。在 Decrementer 中断服务函数IVOR10trap 中，需要调用OSTickISR（）。os_cpu_a.inc 文件中实现了汇编文件的宏定义，包括两部分内容：第一部分是 CPU 中通用寄存器的地址；第二部分是中断函数中要使用的 prologue 和 epilogue 功能。os_cpu_c.c 文件中定义了 10 个函数，需要自己实现的函数是 OSTaskStkInit，用于初始化每个任务的任务堆栈。其余函数应保留函数定义，函数内容可为空，或保持其默认 状态9。2.2 CAN 通信程序设计微控制器 MPC5646C 一共支持 6 路 FlexCAN 模块。每个 FlexCAN 模块有 64 个消息缓冲（Message Buffer），每个Buffer 都可以独立配置为发送或接收功能。当 Buffer 完成发送或接收动作后，中断标志位将被置位。如果相应的中断允许位被打开，MPC5646C 将产生中断，并进入相应的中断服务函数中。本文使用了“延迟中断处理”的概念，在 CAN接收中断函数中读取 Buffer 中的报文，通过队列发送给任务进行处理。如果当前队列已满，则清除中断标志位，不执行读取操作，退出中断函数。待下次进入中断函数时，读取所有接收的报文。CAN 中断函数流程如图 4 所示。图 4 CAN 中断函数流程本文对每一路 CAN 都单独分配一个任务（task），任务创建时初始化每一个任务对应的 CAN 模块。在任务主循环中读取队列，如果当前队列为空，当前任务则被操作系统挂起，出让 CPU 使用权；当队列非空时，任务被操作系统唤醒，并读取队列中收到的报文，执行处理操作10。CAN 接收任务流程如图 5 所示。本文为每一路 CAN 分配了一个互斥信号量，用于保护执行发送操作的 Message Buffer 不会被重入11。当任务需要在某一路 CAN 模块上发送报文时，首先申请该 CAN 模块对应的互斥信号量，如果信号量被成功获取，则在所有的发送Message Buffer 中寻找空闲的 Message Buffer，找到后通过写寄存器实现发送操作；如果信号量没有被获取，则当前任务被挂起，任务的最长等待时间设置为 5 ms，如果等待超时或没有找到可用的 Message Buffer，则返回错误信息。CAN 发送函数流程如图 6 所示。图 5 CAN 接收任务流程图 6 CAN 发送函数流程2.3 以太网通信程序设计MPC5646C 的快速以太网控制器（FEC）使用了描述符结构。描述符中包含了缓冲区首地址、数据长度、状态和控制信息等。发送和接收描述符分别在两个环形结构中运行。在 FEC 中可以分别设置发送和接收描述符的起始地址。每个环形结构中的最后一个描述符由“Wrap”位进行定义。如果 FEC 检测到该位被定义，则下一个描述符位于环形结构的开始位置，否则下一个描述符位于本次描述符的邻接 位置。当任务需要发送以太网数据时，首先获取一个空闲的发送数据描述符，在该描述符中填写数据长度和数据起始地址，如果待发送数据由多个缓冲区组成，则需要按照发送顺序依次填写与缓冲区个数相同的描述符。之后，按照数据发送相物联网技术 2023年/第10期 可靠传输 Reliable Transmission58反的顺序，依次对发送数据描述符进行使能。最后，通知FEC 根据定义的描述符开始发送数据。以太网发送数据流程如图 7 所示。图 7 以太网发送流程由于本文使用了嵌入式操作系统 C/OS-，因此本文使用了一个专门的接收线程接收来自以太网控制器的数据。在以太网接收中断函数中，向接收线程发送信号量，并清除相应的中断标志位，而后中断服务函数立即返回。而接收线程一直判断是否收到该信号量，如果收到信号量，则从以太网控制器中读取接收到的数据，并发送给协议栈进行处理。以太网接收任务流程如图 8 所示。图 8 以太网接收任务流程3 测试验证3.1 CAN 通信测试为 了 验 证 所 提 系 统 性 能，使 用 USBCAN-4E-U 和USBCAN-2E-U 两 种 高 性 能 USB 转 CAN 接 口 卡 对 整 个系 统 CAN 通 信 状 态 进 行 监 控。使 用 USBCAN-4E-U 的CAN0 CAN3 分 别 连 接 网 关 的 CAN0 CAN3，使 用USBCAN-2E-U 的 CAN0 和 CAN1 分别连接网关的 CAN4 和CAN5。网关控制器配置中继转发功能，CAN0 收到的数据转发 CAN1，CAN1 收到的数据转发 CAN0，CAN2 收到的数据转发 CAN3，CAN3 收到的数据转发 CAN2，CAN4 收到的数据转发 CAN5，CAN5 收到的数据转发 CAN4。当总线负载率为 49.465 0%时，网关控制器转发功能工作正常，如图 9 所示。图 9 网关控制器转发功能工作正常3.2 以太网通信测试使用 JPERF 工具对以太网通信进行测试，结果如图 10所示。通过图 10 可以看到，传输速率稳定在 88 Mb/s 左右。图 10 传输速率曲线图4 结 语本文提出一种基于 C/OS-的车载网关控制器设计方案。为提高网关的安全性，本文引入了嵌入式操作系统 C/OS-对网关控制器的任务进行调度，增强处理器对外部事件的处理能力。采用 MPC5646 作为网关的核心处理器。对于车载网关控制器所要求的报文转发功能，在 CAN 总线负载率为 49.465 0%时，能够满足 6 路 CAN 同时工作并转发报文，以太网传输速率能够稳定在 88 Mb/s 左右。注：本文通讯作者为曹清源。参考文献1 欧萍.面向车载网络的网关测试系统研究与设计 D.重庆：重庆邮电大学，2020.（下转第 62页）物联网技术 2023年/第10期 可靠传输 Reliable Transmission62图 7 手语动画生成规则4 结 语本文设计了一个基于计算机视觉的手语双向通信系统，利用 AlexNet 神经网络提取 DEVISIGN 数据语料库的特征，实现静态手语的识别和翻译输出；利用 CNN 神经网络提取DEVISIGN 数据语料库的特征，并将其放入 GRU 分类器中，实现动态手语、阿拉伯数字的识别和翻译输出。同时，基于状态机将用户输入的文本或语音转换为相应的中国手语或阿拉伯数字手语动画，实现手语的生成。实验测试手语识别准确率为 95.52%，手语翻译准确率为 93.3%，能够满足基本需求，为听障群体打开沟通之门。注：本文通讯作者为千学明。参考文献1 LEE M，BAE J.Deep learning based real-time recognition of dynamic finger gestures using a data glove J.IEEE access，2020，8：219923-219933.2 TOLBA M F，ELONS A S.Recent developments in sign language recognition systems C/2013 8th International Conference on Computer Engineering&Systems（ICCES）.Cairo，Egypt：IEEE，2013：36-42.3 吕蕾，张金玲，朱英杰，等.一种基于数据手套的静态手势识别方法 J.计算机辅助设计与图形学学报，2015，27（12）：2410-2418.4 贠卫国，史其琦，王民.基于深度卷积神经网络的多特征融合的手势识别 J.液晶与显示，2019，34（4）：417-422.5 张鑫，冯秀芳.WiFi 环境下基于 CGRU-ELM 混合模型的手势识别 J.计算机工程与科学，2022，44（2）：298-305.6 谷学静，周自朋，郭宇承，等.基于 CNN-LSTM 混合模型的动态手势识别方法 J.计算机应用与软件，2021，38（11）：205-209.7 HURROO M，ELHAM M.Sign language 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D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.作者简介：王 鸽（1998），女，在读硕士研究生，就读于西安工业大学，研究方向为现代设计理论及方法、智能化设计与制造。2 张希明.面向新型域控架构的网关控制器硬件设计及其功能评测系统开发 D.长春：吉林大学，2021.3 佚名.ST 推出面向汽车网关及域控制器应用的智能网关平台 J.单片机与嵌入式系统应用，2020，20（5）：94.4 张招贤.汽车以太网网关设计研究 J.数字通信世界，2020，16（5）：49-50.5 范长买.基于 MPC5646C 车载以太网通信系统软件开发与实现D.北京：北京理工大学，2017.6佚名.NXP半导体公司.MPC5646C数据手册EB/OL.2021-11-02.https：/ 刘毅.基于车载 CAN 总线网络的安全协议研究 D.长春：吉林大学，2019.8 LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统 C/OS-M.北京：北京航空航天大学出版社，2012.9 冉卓衡.基于 C/OS-操作系统和 OneNET 云平台的智能环境助手 J.物联网技术，2022，12（1）：60-63.10 马婧，冯锋.C/OS-实时内核中断管理的分析研究 J.电脑知识与技术，2021，17（16）：10-11.11 高娟，马鹏飞，马俊成，等.基于 C/OS-操作系统的平衡智能车设计与实现 J.电子设计工程，2020，28（24）：142-146.作者简介：曹清源（1992），男，硕士研究生，工程师，研究方向为汽车网络技术应用。杨 涛（1985），男，本科，助理工程师，研究方向为嵌入式系统设计。钱宏文（1975），男，本科，研究员级高级工程师，研究方向为微系统设计。（上接第58页）