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AUTOSAR CAN驱动详解：架构、状态机与接口

基于AUTOSAR SWS CAN Driver规范的详细解析

目录

1. 概述
2. 架构设计
3. 状态机
4. 配置结构
5. 消息收发流程
6. API接口
7. 错误处理
8. 总结

1. 概述

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）是汽车电子领域的标准化软件架构，而CAN（Controller Area Network）驱动是AUTOSAR架构中重要的基础模块，提供了对CAN控制器硬件的抽象和操作接口。本文基于AUTOSAR 4.4.0规范，详细解析CAN驱动的架构设计、状态管理、配置结构和接口功能。

CAN驱动主要负责以下功能：

• 初始化和配置CAN控制器
• 管理CAN控制器的状态
• 提供消息传输与接收功能
• 处理总线错误和唤醒事件
• 提供标准化的接口给上层模块（主要是CAN接口模块）

2. 架构设计

AUTOSAR CAN驱动在整个架构中处于微控制器抽象层(MCAL)，属于ECU抽象层的一部分。它向上层提供服务给CAN接口(CanIf)模块，向下层直接操作CAN控制器硬件。

2.1 架构层次关系

AUTOSAR架构将软件分为多个层次：

1. 应用层：

   • 包含应用软件组件(SWC)，实现特定功能
   • 不直接与硬件交互，通过RTE与底层通信

2. RTE层：

   • 运行时环境(RTE)，提供软件组件间的通信机制
   • 将应用层与基础软件层解耦

3. 基础软件层(BSW)：

   • 服务层：提供系统服务，包括通信栈和CAN接口
   • ECU抽象层：包含硬件抽象(MCAL)，其中CAN驱动是重要部分
   • 微控制器抽象层：提供对MCU的基本操作
   • 复杂驱动层：包含CAN收发器驱动等外围设备驱动

4. 硬件层：

   • 包括CAN控制器、CAN收发器和CAN总线

2.2 CAN驱动模块职责

CAN驱动模块承担以下主要职责：

• 硬件抽象：将CAN控制器硬件细节隐藏，提供统一接口
• 状态管理：管理CAN控制器的各种状态（初始化、停止、启动等）
• 消息处理：提供消息发送、接收和确认功能
• 中断处理：处理CAN控制器产生的各类中断
• 错误处理：检测和报告错误状态，如总线关闭(Bus-Off)状态
• 唤醒处理：支持低功耗唤醒功能

3. 状态机

CAN驱动模块通过状态机来管理CAN控制器的不同工作状态。这些状态由软件触发（通过API调用）或硬件事件（如总线错误）引起转换。

3.1 状态定义

CAN控制器有以下几种状态：

1. 未初始化(UNINIT)：

   • 控制器处于复位状态
   • 模块的静态变量被初始化
   • 不能发送或接收任何消息

2. 准备就绪(READY)：

   • 通过Can_Init()进入
   • 控制器已配置但未开始通信
   • 准备好启动

3. 启动(STARTED)：

   • 通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STARTED)进入
   • 控制器完全运行，可以发送和接收消息
   • 参与CAN总线通信

4. 停止(STOPPED)：

   • 通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STOPPED)或总线关闭事件进入
   • 停止通信但保持配置
   • 无法收发消息
   • 可从此状态进入睡眠或重新启动

5. 睡眠(SLEEP)：

   • 通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_SLEEP)进入
   • 低功耗模式
   • 只有硬件唤醒或软件请求才能退出
   • 不是所有硬件都支持此状态

3.2 状态转换

主要的状态转换包括：

1. 初始化转换：

   • UNINIT -> READY：通过Can_Init()
   • STOPPED/SLEEP -> UNINIT：通过Can_DeInit()

2. 运行状态转换：

   • READY -> STARTED：通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STARTED)
   • STARTED -> STOPPED：通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STOPPED)
   • STOPPED -> STARTED：通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STARTED)

3. 睡眠相关转换：

   • STOPPED -> SLEEP：通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_SLEEP)
   • SLEEP -> STOPPED：通过Can_SetControllerMode(CAN_CS_STOPPED)或硬件唤醒

4. 错误触发转换：

   • STARTED -> STOPPED：当检测到总线关闭(Bus-Off)状态时

4. 配置结构

CAN驱动模块的配置结构定义了CAN控制器及其硬件对象的工作参数。这些配置参数在初始化时传递给CAN驱动模块。

4.1 主要配置类

1. Can_ConfigType：

   • 顶层配置结构，包含所有CAN驱动配置
   • 包含通用参数、控制器配置和硬件对象配置
   • 通过Can_Init()函数传递给CAN驱动

2. CanGeneralType：

   • 包含通用配置参数
   • 设置错误检测、超时和版本信息API等功能
   • 定义全局参数如CanDevErrorDetection和CanVersionInfoApi

3. CanControllerType：

   • 特定CAN控制器的配置
   • 定义控制器ID、基地址、处理方式等
   • 包含波特率配置参考
   • 配置处理方式（中断/轮询）

4. CanHardwareObjectType：

   • 定义硬件收发对象
   • 指定对象类型（发送/接收）
   • 配置ID类型、值和过滤器
   • 关联到特定控制器

5. CanControllerBaudrateConfigType：

   • 定义波特率配置
   • 包含波特率值和时间段参数
   • 支持多种波特率配置切换

4.2 硬件对象配置

硬件对象配置决定了消息的接收和发送方式：

• 接收对象(RECEIVE)：

  • 配置为接收特定ID或ID范围的消息
  • 关联到硬件接收句柄(HRH)
  • 可配置过滤器参数

• 发送对象(TRANSMIT)：

  • 配置为发送消息
  • 关联到硬件发送句柄(HTH)
  • 可配置优先级和ID类型

4.3 处理方式配置

CAN驱动支持多种处理方式：

• 轮询(POLLING)：通过周期性调用Can_MainFunction_*()函数处理
• 中断(INTERRUPT)：通过中断处理程序直接处理
• 混合(MIXED)：部分功能使用轮询，部分使用中断

5. 消息收发流程

CAN驱动的核心功能是处理消息的发送和接收。根据配置的处理方式，可以通过中断或轮询方式实现。

5.1 消息发送流程

消息发送流程如下：

1. 发送请求：

   • 应用层通过CanIf_Transmit()发起发送请求
   • CanIf查找对应的HTH(硬件发送句柄)
   • 调用Can_Write(Hth, PduInfoPtr)请求发送

2. 发送处理：

   • CAN驱动查找可用的发送邮箱
   • 填充ID、DLC(数据长度码)和数据
   • 触发硬件发送操作
   • 返回发送请求状态(E_OK/E_NOT_OK)

3. 发送完成处理：

   • 中断方式：
     • 发送完成触发中断
     • 中断服务程序调用CanIf_TxConfirmation()
     • 通知上层发送完成
   • 轮询方式：
     • 周期性调用Can_MainFunction_Write()
     • 检查发送状态
     • 完成时调用CanIf_TxConfirmation()

5.2 消息接收流程

消息接收流程如下：

1. 接收触发：

   • 接收到符合过滤条件的消息
   • 触发接收中断或在轮询中检测到

2. 接收处理：

   • 中断方式：
     • 中断服务程序读取消息数据
     • 调用CanIf_RxIndication()通知上层
   • 轮询方式：
     • 周期性调用Can_MainFunction_Read()
     • 检查接收状态
     • 读取到消息时调用CanIf_RxIndication()

3. 上层处理：

   • CanIf查找对应的PDU
   • 将消息传递给应用层或更高层通信栈

5.3 错误处理流程

当发生总线错误(如Bus-Off)时：

1. 总线错误中断触发或在轮询中检测到
2. CAN驱动更新控制器状态为STOPPED
3. 调用CanIf_ControllerBusOff()通知上层
4. 上层处理总线错误，可能尝试恢复通信

6. API接口

CAN驱动模块提供了一组标准化的API接口，供上层模块调用。

6.1 初始化接口

• void Can_Init(const Can_ConfigType* Config)：

  • 功能：初始化CAN驱动和控制器
  • 参数：指向配置结构的指针
  • 使用：由ECU状态管理器在启动阶段调用

• void Can_DeInit(void)：

  • 功能：反初始化CAN驱动，将所有控制器设置为UNINIT状态
  • 使用：在系统关闭或重新配置时调用

6.2 状态管理接口

• Std_ReturnType Can_SetControllerMode(uint8 Controller, Can_ControllerStateType Transition)：

  • 功能：设置控制器状态
  • 参数：控制器ID和目标状态转换
  • 返回：E_OK表示成功，E_NOT_OK表示失败
  • 使用：控制CAN控制器的工作状态

• Std_ReturnType Can_GetControllerMode(uint8 Controller, Can_ControllerStateType* ControllerModePtr)：

  • 功能：获取当前控制器状态
  • 参数：控制器ID和状态存储指针
  • 返回：E_OK表示成功，E_NOT_OK表示失败

• Std_ReturnType Can_SetBaudrate(uint8 Controller, uint16 BaudRateConfigID)：

  • 功能：设置控制器波特率
  • 参数：控制器ID和波特率配置ID
  • 返回：E_OK表示成功，E_NOT_OK表示失败

6.3 通信接口

• Std_ReturnType Can_Write(Can_HwHandleType Hth, const Can_PduType* PduInfo)：

  • 功能：请求发送CAN消息
  • 参数：硬件发送句柄和PDU信息
  • 返回：E_OK表示请求接受，E_NOT_OK表示请求拒绝

• Can_MainFunction_Write()：

  • 功能：轮询处理发送完成事件
  • 使用：配置为轮询模式时定期调用

• Can_MainFunction_Read()：

  • 功能：轮询处理接收事件
  • 使用：配置为轮询模式时定期调用

• Can_MainFunction_BusOff()：

  • 功能：轮询处理总线关闭事件
  • 使用：配置为轮询模式时定期调用

• Can_MainFunction_Wakeup()：

  • 功能：轮询处理唤醒事件
  • 使用：配置为轮询模式时定期调用

6.4 中断控制接口

• void Can_DisableControllerInterrupts(uint8 Controller)：

  • 功能：禁用控制器中断
  • 参数：控制器ID
  • 使用：在临界区保护时调用

• void Can_EnableControllerInterrupts(uint8 Controller)：

  • 功能：启用控制器中断
  • 参数：控制器ID
  • 使用：在临界区结束时调用

6.5 版本和校验接口

• void Can_GetVersionInfo(Std_VersionInfoType* VersionInfo)：

  • 功能：获取模块版本信息
  • 参数：版本信息存储指针

• Std_ReturnType Can_CheckWakeup(uint8 Controller)：

  • 功能：检查唤醒事件
  • 参数：控制器ID
  • 返回：E_OK表示检测到唤醒，E_NOT_OK表示未检测到

7. 错误处理

CAN驱动模块包含多种错误处理机制，用于检测、报告和处理运行时错误。

7.1 开发错误检测

当启用开发错误检测(CanDevErrorDetection = TRUE)时，CAN驱动会检查以下错误：

• CAN_E_PARAM_POINTER：无效的指针参数
• CAN_E_PARAM_HANDLE：无效的句柄参数
• CAN_E_PARAM_DATA_LENGTH：无效的数据长度
• CAN_E_PARAM_CONTROLLER：无效的控制器ID
• CAN_E_UNINIT：模块未初始化
• CAN_E_TRANSITION：无效的状态转换

发现错误时，驱动模块会调用Det_ReportError()报告错误。

7.2 运行时错误处理

主要的运行时错误处理包括：

1. 总线关闭(Bus-Off)处理：

   • 当控制器进入总线关闭状态时
   • 控制器自动转换到STOPPED状态
   • 调用CanIf_ControllerBusOff()通知上层
   • 上层可能触发自动恢复机制

2. 唤醒处理：

   • 检测到总线唤醒事件时
   • 调用EcuM_CheckWakeup()通知ECU管理器
   • 可能触发系统从低功耗模式唤醒

3. 溢出处理：

   • 接收缓冲区溢出时
   • 根据配置丢弃新消息或覆盖旧消息
   • 可能报告溢出错误

8. 总结

AUTOSAR CAN驱动是连接上层软件与CAN控制器硬件的关键模块，提供了标准化的接口和功能。通过本文的详细解析，我们了解了以下关键特性：

• 架构设计：CAN驱动在AUTOSAR分层架构中的位置与作用
• 状态管理：通过状态机实现CAN控制器的生命周期管理
• 配置结构：灵活的配置机制支持不同硬件平台和应用需求
• 消息处理：标准化的消息收发流程，支持中断和轮询模式
• API接口：完善的接口设计，满足上层模块的各种需求
• 错误处理：健壮的错误检测和处理机制

基于AUTOSAR标准的CAN驱动模块具有以下优势：

• 可移植性：标准化接口使软件可在不同硬件平台间移植
• 可扩展性：支持多种CAN控制器配置和功能扩展
• 可靠性：完善的错误处理机制提高系统稳定性
• 标准化：符合汽车行业标准，易于集成和维护

功能。通过本文的详细解析，我们了解了以下关键特性：

• 架构设计：CAN驱动在AUTOSAR分层架构中的位置与作用
• 状态管理：通过状态机实现CAN控制器的生命周期管理
• 配置结构：灵活的配置机制支持不同硬件平台和应用需求
• 消息处理：标准化的消息收发流程，支持中断和轮询模式
• API接口：完善的接口设计，满足上层模块的各种需求
• 错误处理：健壮的错误检测和处理机制

基于AUTOSAR标准的CAN驱动模块具有以下优势：

• 可移植性：标准化接口使软件可在不同硬件平台间移植
• 可扩展性：支持多种CAN控制器配置和功能扩展
• 可靠性：完善的错误处理机制提高系统稳定性
• 标准化：符合汽车行业标准，易于集成和维护

在实际应用中，开发者可以根据具体项目需求，配置CAN驱动的工作模式、中断处理方式和错误处理策略，以满足不同应用场景的性能和可靠性要求。