摘 要：針對目前控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network， CAN）總線技術(shù)通信速度較慢、帶寬有限以及可擴展性差等弊端，利用車載以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)車內(nèi)控制器與車聯(lián)網(wǎng)控制單元T-Box的局域網(wǎng)通信，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和收集。在嵌入式平臺STM32F429VIT6移植FreeRTOS操作系統(tǒng)和LwIP網(wǎng)絡協(xié)議棧，通過OTA技術(shù)完成系統(tǒng)軟件的遠程升級。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠為用戶實時提供汽車電池各項數(shù)據(jù)，系統(tǒng)響應指令的時間約為6 ms，且具有局域網(wǎng)內(nèi)的OTA升級功能，實現(xiàn)了設計目標。

關鍵詞：車載以太網(wǎng)；STM32；FreeRTOS；LwIP；OTA；局域網(wǎng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.013

0 引 言

汽車的電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）在讀取車內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)后，通常采用CAN總線和車聯(lián)網(wǎng)控制單元（Telematics-Box， T-Box）進行局域網(wǎng)通信，但如今消費者愈發(fā)重視汽車駕駛的安全可靠以及車內(nèi)的娛樂化需求，汽車廠商不斷擴展汽車內(nèi)部集成的傳感器，導致CAN總線與T-Box通信的帶寬不足以匹配目前車內(nèi)傳感器數(shù)量[1]，因而推動了以太網(wǎng)技術(shù)介入汽車內(nèi)部網(wǎng)絡的進程，車載以太網(wǎng)技術(shù)應運而生[2]。目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖1所示。

以太網(wǎng)自1973年提出后，憑借其簡單和易擴展性幾乎取代了所有計算機局域網(wǎng)技術(shù)，并逐步運用在汽車環(huán)境中。使用車載以太網(wǎng)有助于在車內(nèi)集成實時控制功能和非實時娛樂功能[3]。連接外部攝像頭或傳感器的ECU不但需要大帶寬傳輸視頻流等數(shù)據(jù)，而且其對延時要求嚴格，需要ECU有較好的實時性；負責安全功能的ECU，如：防抱死系統(tǒng)ABS、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS，不僅要保證數(shù)據(jù)的延時與可靠性，而且要避免系統(tǒng)誤操作造成駕駛事故；汽車的固件維護功能，如：OTA，需要保證更新速度合理并保障數(shù)據(jù)傳輸安全性，防止外部通信干擾更新過程。

本文在上述背景下，將文獻[4]搭建的嵌入式硬件平臺視為車載控制器，研究設計了圖1中的局域網(wǎng)通信部分，將汽車電池的電壓和溫度參數(shù)借助車載以太網(wǎng)技術(shù)交付給T-Box收集和存儲；T-Box下發(fā)命令指定控制器改變工作模式；控制器借助OTA技術(shù)完成系統(tǒng)軟件無線升級。

1 車載以太網(wǎng)通信軟件設計

車載以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MCU采用STM32F429芯片，并通過RMII接口與TJA1100連接。TJA1100通過MDI接口與網(wǎng)口連接，通過車載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)控制器與T-Box的通信。本文重點介紹系統(tǒng)的軟件部分，硬件平臺的詳細設計請參考文獻[4]。

1.1 通信軟件的需求分析

從參數(shù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2個方面分析通信軟件定量與定性需求，匯總見表1所列。發(fā)送的參數(shù)要保證精度高，即傳感器誤差范圍小；控制器接收指令后要保證實時性響應；通信軟件應易于維護和管理，以便快速檢測和修復程序中的

問題。

傳感器誤差范圍是硬件指標，通過查閱溫敏電阻XH-T106的RT表，在15～75 ℃范圍內(nèi)，XH-T106的誤差為（0.62±0.29）℃，滿足需求。

1.2 通信軟件的整體結(jié)構(gòu)

本文的車載終端以太網(wǎng)通信系統(tǒng)可分為硬件層和軟件層，軟件層可進一步細分為驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層以及應用

層[5]。軟件的分層架構(gòu)如圖3所示。

1.3 驅(qū)動層軟件設計

驅(qū)動層包括以太網(wǎng)驅(qū)動模塊、時鐘模塊、串口模塊、ADC模塊和I/O模塊。

以太網(wǎng)驅(qū)動模塊的初始化涉及硬件和軟件配置。硬件配置包括通過上拉或下拉電阻，配置TJA1100為從模式、自主工作模式以及采用外接25 MHz晶振的RMII電路連接STM32。軟件配置涉及在Reset引腳高電平條件下，通過TXEN引腳的上升沿觸發(fā)TJA1100的工作模式切換。最后配置引腳為以太網(wǎng)功能，設置I/O模式為推挽復用，并配置以太網(wǎng)工作模式為100 Mb/s帶寬傳輸、全雙工通信和中斷接收。

時鐘模塊設置分配器M系數(shù)為25，倍頻器N為360，分頻器P為2，可得系統(tǒng)時鐘頻率為180 MHz。

ADC模塊在軟件中設置ADC時鐘頻率為22.5 MHz，轉(zhuǎn)換頻率為1.5 MHz，配置對應有復用成ADC功能的I/O引腳模式為模擬輸入模式。

串口模塊在軟件中設置串口波特率為115 200 b/s，并定義數(shù)據(jù)格式和收發(fā)模式，最后初始化串口的收發(fā)引腳TX

與RX。

1.4 操作系統(tǒng)層軟件移植

1.4.1 FreeRTOS移植

為滿足本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收指令的實時性要求，本文引入了支持多任務調(diào)度的嵌入式實時操作系統(tǒng)作為控制器軟件層的關鍵組成部分[6]。官網(wǎng)獲取FreeRTOS的V9.0.0版本源碼包后，只需修改FreeRTOSConfig.h和stm32f4xx_it.c即可。前者是實現(xiàn)FreeRTOS功能可裁剪的關鍵，按照開發(fā)者的意愿自行剪裁操作系統(tǒng)；最后刪除后者中重復定義的SysTick、PendSV、SVC中斷函數(shù)即可完成移植。其他文件夾include、portable中RVDS、MemMang以及主路徑下的若干.c文件對大多數(shù)編譯器均適用，保留即可。

1.4.2 LwIP移植

LwIP的架構(gòu)設計采用了模塊化思想，將協(xié)議棧分解成多個獨立模塊，各模塊之間采用API函數(shù)作為接口進行交

互[7]。在官網(wǎng)獲取LwIP的V2.1.0版本源碼包后，移植過程只需著重修改cc.h、sys_arch.h、sys_arch.c和lwipopts.h這

4個文件。

（1）修改cc.h中的臨界區(qū)代碼保護區(qū)域，主要是將保護與釋放的宏定義修改成定義FreeRTOS中進出臨界區(qū)的函數(shù)；

（2）修改sys_arch.h和sys_arch.c中信號量、互斥量和消息郵箱的定義[7]以及信號量等變量的處理函數(shù)；

（3）修改LwIP中有關定時和獲取事件的函數(shù)，分別用于LwIP的延時以及為LwIP提供和FreeRTOS一致的時鐘；

（4）依據(jù)工程需要，在opt.h定義的基礎上修改lwipopts.h。

1.5 應用層軟件設計

應用層包括3個模塊6項任務。

1.5.1 采樣任務模塊

采樣任務模塊包括采樣車載電池的電壓和溫度這2個任務。只需將ADC測量得到的電壓轉(zhuǎn)換成電池的電壓/溫度參數(shù)，最后借助FreeRTOS的消息隊列資源將參數(shù)入列供其他任務讀取即可。

1.5.2 UDP任務模塊

UDP任務模塊包括UDP接收、發(fā)送以及網(wǎng)絡連接檢測3項任務。

（1）UDP接收與發(fā)送任務

接收和發(fā)送任務的詳細流程如圖4所示。UDP接收任務在創(chuàng)建并初始化Socket編程接口后，連接T-Box的IP地址和端口號，即可通過recv（）函數(shù)接收T-Box下發(fā)的指令，并對收到的指令進行臨界區(qū)保護；UDP發(fā)送任務則依次獲取接收任務傳入的Socket數(shù)據(jù)和電池參數(shù)，并按順序?qū)㈦姵財?shù)據(jù)發(fā)送給T-Box進行收集和存儲。

（2）UDP網(wǎng)絡連接檢測任務

UDP連接檢測任務需要事先和T-Box約定好，即當T-Box接收到特定字符串后，需要向?qū)狪P地址的端口號返回一個ACK，具體模板如圖5所示。

圖6展示了UDP網(wǎng)絡連接檢測任務流程。為避免參數(shù)混淆，連接檢測任務使用與發(fā)送接收任務不同的端口號。根據(jù)車內(nèi)局域網(wǎng)和大帶寬傳輸?shù)木W(wǎng)絡環(huán)境，如果50 ms內(nèi)接收到正確的ACK響應，則判斷當前網(wǎng)絡正常；否則視為網(wǎng)絡已斷開。

1.5.3 DHCP獲取IP地址任務

獲取控制器IP地址任務為啟動DHCP服務[8]，通過DHCP服務器獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關，并將獲取的信息保存至lwipdev結(jié)構(gòu)體。任務流程如圖7所示。

2 系統(tǒng)OTA升級軟件設計

OTA（Over The Air， OTA）是一種通過無線網(wǎng)絡進行車輛軟件更新的技術(shù)，可以遠程升級汽車的軟件和固件，提升功能和安全性。本文設計的OTA升級模塊包括Bootloader啟動程序和APP功能程序，其中Bootloader通過UDP協(xié)議接收并存儲待更新的APP功能程序，然后將其燒錄到FLASH芯片的指定地址，實現(xiàn)功能程序的版本更新。這種遠程更新技術(shù)提高了用戶體驗，加快了軟件新功能的推出，改善了車輛性能并解決了安全問題。

2.1 FLASH芯片介紹

STM32F4系列芯片內(nèi)部的FLASH存儲器分為4個存儲區(qū)域，即主存儲器、系統(tǒng)存儲區(qū)、單次可編程（One-time Programmable， OTP）區(qū)域和選項字節(jié)。主存儲區(qū)是用戶最常使用的區(qū)，用于存儲代碼、常量以及初始化值不為0的全局變量，此區(qū)的結(jié)構(gòu)為雙塊架構(gòu)，總體容量為2 MB[9]。主存儲區(qū)的起始地址為0x08000000，當單片機的Boot0和Boot1引腳均為低電平時，則從起始地址運行代碼。

2.2 Bootloader軟件設計

要將代碼寫入FLASH的各個扇區(qū)，需要了解FLASH寫操作的原理和流程[9]，而后規(guī)劃FLASH存儲Bootloader引導程序和APP程序的空間，空間劃分如圖8所示。本文選擇將FLASH分為2段分別存儲Bootloader程序和APP程序，留給APP程序較大的擴展區(qū)域，以供后續(xù)APP程序的功能延拓[10]。

本文的Bootloader程序借助UDP協(xié)議接收待更新的APP程序源碼、燒錄程序至FLASH芯片以及執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)。將Bootloader程序分成空閑態(tài)、跳轉(zhuǎn)態(tài)以及升級接收態(tài)3種狀態(tài)予以分析，如圖9所示[10]。

Bootloader程序流程如圖10所示。由于APP程序并非從FLASH起始地址存儲，而是偏移了64 KB，因此APP程序的中斷向量表同樣須偏移以供程序查詢中斷服務程序位置，即APP程序從main函數(shù)起始處重設中斷向量表

地址。

3 實驗測試

圖11是本次實驗的實驗平臺實物，包括通信硬件平臺、路由器、可調(diào)電源等設備，其中T-Box采用PC端的網(wǎng)絡調(diào)試助手替代。

3.1 通信部分驗證

手動設定取代T-Box的網(wǎng)絡調(diào)試助手端IP地址192.168.1.11，端口號8089；通信硬件平臺分配的IP地址192.168.1.30，通信應用端口號8089，檢測連接應用端口號8090。通信網(wǎng)關為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。

通信軟件將監(jiān)測的汽車電池的各參數(shù)按順序發(fā)送給網(wǎng)絡調(diào)試助手。由圖12可知，汽車電池的電壓/溫度參數(shù)均可測量，網(wǎng)絡調(diào)試助手能接收通信軟件發(fā)送的參數(shù)內(nèi)容。

本文設定了若干服務器下發(fā)給控制器的指令。在網(wǎng)絡調(diào)試助手的消息發(fā)送欄發(fā)送對應指令后，通信平臺會在短時間內(nèi)及時響應并做出調(diào)整。圖13即指令發(fā)送后，單片機執(zhí)行命令的效果圖。指令發(fā)送和響應的間隔時間為6 ms，定性分析本系統(tǒng)具有較好的實時性響應能力。

3.2 OTA無線升級驗證

當Bootloader程序進入“升級接收態(tài)”，網(wǎng)絡調(diào)試助手下發(fā)APP程序，Bootloader會接收程序源碼并將源碼寫入FLASH芯片對應APP存儲位置。完成FLASH燒錄后，進入“跳轉(zhuǎn)態(tài)”執(zhí)行更新的程序。

4 結(jié) 語

研究設計了基于FreeRTOS的車載終端以太網(wǎng)通信軟件，研究表明，此通信軟件能夠借助合適的電路結(jié)構(gòu)檢測車載電池的參數(shù)；參數(shù)誤差、響應實時性和可維護性都達到了預期的設計指標，對車內(nèi)控制器的設計提供了一定的參考和應用價值。

參考文獻

[1]甄海川，牛玉嬌，路哲，等.車載以太網(wǎng)通信開發(fā)及應用[J].汽車文摘，2022，60（1）：40-44.

[2]呼布欽，秦貴和，劉穎，等.下一代汽車網(wǎng)絡：車載以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].計算機工程與應用，2016，53（24）：29-36.

[3] DAOUD R M，AMER H H，ELSAYED H M，et al. Ethernet-Based Car Control Network [C]// Conference on Electrical amp; Computer Engineering. IEEE，2007.

[4]鄧亮.基于以太網(wǎng)的車用太陽能電池控制器研發(fā)[D].合肥：中國科學技術(shù)大學， 2023.

[5]周浩. 基于改進型實時內(nèi)核與LwIP協(xié)議棧的智能抄表系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].南京：南京郵電大學，2015.

[6]劉林.基于FreeRTOS的智能插座管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學，2015.

[7]董向陽.基于ARM的LwIP協(xié)議棧研究與移植[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009.

[8]汪赟.同一設備MAC地址自動配置多IP地址的設計與實現(xiàn)[J].福建電腦，2013，30（11）：150-151.

[9]李露，謝映宏，許永軍，等. STM32的FLASH輕量級壞塊管理算法設計與應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2021，21（8）：40-43.

[10]文豐，溫倩，武慧軍.基于IAP的嵌入式系統(tǒng)在線編程設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2022，22（12）：37-41

收稿日期：2023-05-25 修回日期：2023-06-29

基金項目：江西省教育廳項目：稀土永磁磁浮列車虛擬編組自適應協(xié)同與避撞控制研究（GJJ2200847）

作者簡介：彭圣凱（2000—），男，本科在讀，研究方向為汽車電子控制系統(tǒng)。

韓樹人（1983—），女，研究生，講師，研究方向為網(wǎng)絡化控制和嵌入式控制。