基于ARM和FreeRTOS的车用网关系统设计与实现

摘要

为了满足消费者对汽车智能化、安全性和娱乐等方面的需求，汽车电子系统不断扩展，车内传感器、执行器数量不断增多，电子控制单元(ECU)随之也越来越多。基于性能、成本和使用场合的不同，当前车内网络是一个多总线共存的异构网络。网关作为连接不同总线的核心部件，其设计与实现是一项重要的研究课题。
　　通过分析目前国内外汽车网关设计方案，发现了以下几点不足:第一，网关功能单一，大多只支持两种总线之间数据转发功能;第二，网关设计局限在几种成熟的汽车总线之间，对车内渐渐兴起的以太网支持较少;第三，网关系统设计方案中，软硬件选型不够合理。针对以上不足，基于已有硬件平台，本文设计并实现了网关系统软件，并搭建网关测试平台，对网关系统进行了测试。主要工作如下:
　　首先，基于已有微控制器硬件平台，完成了FreeRTOS操作系统的移植。操作系统作为网关的第一层软件，其移植和处理器密切相关。本文以STM32F103VET6微控制器为对象，分析了处理器内核相关特性和FreeRTOS操作系统初始化流程，在此基础上，完成了操作系统的移植。然后，基于移植的操作系统平台，完成了网关系统通信模块底层软件实现。主要包括TCP/IP协议栈软件LwIP的移植和控制区域网络(CAN)通信模块软件实现。最后，设计了一个功能简单的网关应用程序，搭建网关系统测试平台，验证了本文实现的车用网关系统的异构网络数据转发功能。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 研究现状小结

1．3 本文研究工作

1．4 结构安排

第2章 相关研究

2．1 引言

2．2 汽车总线

2．2．1 概述

2．2．2 LIN总线

2．2．3 CAN总线

2．2．4 FlexRay总线

2．2．5 Ethernet应用前景

2．3 嵌入式微控制器

2．3．1 16位单片机

2．3．2 以ARM7为内核的微控制器

2．3．3 以ARM9为内核的徽控制器

2．3．4 以Cortex-M3为内核的微控制器

2．4 嵌入式实时操作系统

2．4．1 Vxworks

2．4．2 Linux

2．4．3 ucLinux

2．4．4 uC／OS

2．4．5 FreeRTOS

2．5 嵌入式网络协议栈

2．5．1 uIP

2．5．2 uC／IP

2．5．3 uc／TCP-IP

2．5．4 LwIP

2．6 小结

第3章 基于STM32的FreeRTOS移植

3．1 引言

3．2 FreeRTOS简介

3．3 Cortex-M3内核

3．3．1 Cortex-M3处理器操作模式

3．3．2 Cortex-M3双堆栈机制

3．3．3 Cortex-M3异常响应与返回序列

3．3．4 Cortex-M3下操作系统初始化

3．3．5 Cortex-M3下时间片调度

3．4 FreeRTOS初始化流程

3．4．1 STM32启动流程

3．4．2 FreeRTOS内核初始化流程

3．4．3 FreeRTOS的任务切换

3．5 MDK环境下FreeRTOS的移植

3．5．1 V3．5．0固件库

3．5．2 移植文件修改

3．5．3 FreeRTOS配置文件

3．6 小结

第4章 通信模块底层软件实现

4．1 引言

4．2 LwIP简介

4．3 LwIP的任务模型

4．4 协议栈模拟层实现

4．4．1 模拟层文件实现

4．4．2 cc．h文件实现

4．4．3 lwipopt．h文件实现

4．5 网卡驱动实现

4．5．1 以太网硬件模块

4．5．2 网卡驱动设计

4．6 协议栈接口函数实现

4．6．1 底层接口相关结构体

4．6．2 函数low_level_init

4．6．3 函数low_level_output

4．6．4 函数low_level_input

4．6．5 函数ethernetif_input

4．7 CAN控制器通信模块

4．7．1 CAN控制器硬件模块

4．7．2 CAN控制器驱动

4．8 小结

第5章 系统测试

5．1 引言

5．2 操作系统测试

5．3 LwIP测试

5．4 网关系统系统

5．4．1 网关测试平台搭建

5．4．2 网关系统整体架构

5．4．3 网关应用程序设计

5．4．4 实验结果及分析

5．5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所参与的项目