Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô hiện đại, phần mềm nhúng đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển và quản lý các hệ thống điện tử phức tạp trên xe. Theo báo cáo của LinkedIn tháng 8 năm 2023, kỹ năng liên quan đến AUTOSAR chiếm tới 23,67% tổng nhu cầu kỹ năng trong lĩnh vực phần mềm nhúng ô tô, tăng 113% so với năm trước, phản ánh sự bùng nổ nhu cầu nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, việc phát triển phần mềm cho hệ thống điện tử trên xe ô tô rất phức tạp và tốn nhiều thời gian, đặc biệt là trong việc tạo ra môi trường thời gian chạy (RTE) theo tiêu chuẩn AUTOSAR. Các công cụ RTE generator hiện nay thường là sản phẩm độc quyền với chi phí cao, gây khó khăn cho các nhà phát triển nhỏ, startup và môi trường giáo dục trong việc tiếp cận công nghệ.

Luận văn này tập trung thiết kế và triển khai công cụ mã nguồn mở AUTOSAR RTE Generator, nhằm giúp các nhà phát triển, sinh viên và cá nhân dễ dàng tiếp cận và áp dụng tiêu chuẩn AUTOSAR trong phát triển phần mềm nhúng ô tô. Công cụ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn AUTOSAR 4, tích hợp với hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS và kiểm thử trên phần cứng demo sử dụng vi điều khiển ESP32. Mục tiêu chính là giảm chi phí, tăng tốc độ phát triển phần mềm, đồng thời thúc đẩy nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành công nghiệp phần mềm nhúng ô tô tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung trong môi trường phòng thí nghiệm với các ứng dụng demo điều khiển xe ô tô qua giao diện web và cảm biến khoảng cách.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

  1. Kiến trúc AUTOSAR (AUTomotive open System ARchitecture): Đây là tiêu chuẩn mở cho phát triển phần mềm ô tô, giúp chuẩn hóa giao diện, module hóa phần mềm và trừu tượng hóa phần cứng ECU. Lớp Runtime Environment (RTE) trong AUTOSAR đóng vai trò trung gian quản lý giao tiếp giữa các Application Software Component (ASW), đảm bảo tính tương tác, đồng bộ và đáp ứng thời gian thực. Các khái niệm quan trọng bao gồm Interface (Client-Server, Sender-Receiver), Port (Sender, Receiver, Client, Server), Runnable Entity, Event (Data Received Event, Timing Event), và DataTypeMapping để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu giữa các module.

  2. Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS: FreeRTOS là hệ điều hành mã nguồn mở, cung cấp lập lịch đa nhiệm, quản lý task, semaphore, mutex và queue, phù hợp cho các ứng dụng nhúng thời gian thực. FreeRTOS giúp quản lý các task độc lập, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy cao trong hệ thống nhúng. Các khái niệm cơ bản gồm Task Control Block (TCB), Scheduler (pre-emptive và co-operative), và các cấu trúc dữ liệu quản lý tài nguyên.

Ngoài ra, luận văn còn sử dụng các định dạng dữ liệu XML và JSON để xử lý cấu hình AUTOSAR. XML được dùng để mô tả cấu hình AUTOSAR theo chuẩn, trong khi JSON được sử dụng để chuyển đổi và trích xuất dữ liệu một cách hiệu quả hơn, hỗ trợ việc sinh mã nguồn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Tập trung vào tiêu chuẩn AUTOSAR RTE phiên bản 4, tài liệu kỹ thuật FreeRTOS, và các tệp cấu hình AUTOSAR XML (*.arxml) thu thập từ dự án demo.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng thư viện Python 3 với ixml để phân tích cú pháp XML, chuyển đổi dữ liệu sang JSON theo cấu trúc phân cấp, áp dụng phương pháp đệ quy để trích xuất và liên kết dữ liệu dựa trên tag <SHORT-NAME> trong XML. Dữ liệu JSON được xử lý để tạo API và sinh mã nguồn C++ tương thích với FreeRTOS.

  • Phương pháp thực nghiệm: Kiểm thử công cụ trên phần cứng demo tích hợp vi điều khiển ESP32, module điều khiển động cơ L293D, cảm biến siêu âm SRF05 và pin 18650. Các testcase bao gồm kiểm tra tín hiệu điều khiển, tốc độ động cơ và dữ liệu cảm biến khoảng cách, đảm bảo tính đúng đắn của mã nguồn sinh ra.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 3/2023, hoàn thành thiết kế, triển khai và kiểm thử công cụ vào tháng 9/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chuyển đổi dữ liệu XML sang JSON: Công cụ AUTOSAR RTE Generator đã thành công trong việc phân tích và chuyển đổi các tệp cấu hình AUTOSAR XML phức tạp sang định dạng JSON phân cấp, giúp việc trích xuất dữ liệu trở nên nhanh chóng và chính xác hơn. Tỷ lệ thành công trong việc trích xuất các thông tin liên quan đến Port, Runnable Entity và Event đạt khoảng 95%, giảm đáng kể thời gian xử lý so với phương pháp DOM truyền thống.

  2. Sinh mã nguồn C++ tích hợp FreeRTOS: Công cụ tự động sinh mã nguồn C++ cho các tác vụ AUTOSAR, quản lý bởi FreeRTOS, với khả năng tạo API đọc/ghi dữ liệu và định nghĩa hành vi các Runnable Entity. Mã nguồn sinh ra đã được biên dịch thành công và chạy ổn định trên vi điều khiển ESP32, với độ trễ xử lý các sự kiện dưới 10ms, đáp ứng yêu cầu thời gian thực.

  3. Ứng dụng demo điều khiển xe ô tô: Ứng dụng demo gồm 3 ASW (webserver, điều khiển động cơ, cảm biến khoảng cách) hoạt động hiệu quả, cho phép điều khiển xe qua giao diện web và tự động dừng khi vật cản gần. Các testcase kiểm tra tín hiệu điều khiển và dữ liệu cảm biến đều đạt tỷ lệ chính xác trên 98%, chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của công cụ.

  4. Tính mở và khả năng tùy chỉnh cao: Công cụ được phát triển bằng Python 3, mã nguồn mở và công khai trên GitHub, tạo điều kiện cho cộng đồng phát triển và học tập. Người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh để phù hợp với các dự án và yêu cầu khác nhau.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc phát triển công cụ AUTOSAR RTE Generator mã nguồn mở là khả thi và có ý nghĩa thực tiễn lớn. Việc chuyển đổi dữ liệu XML sang JSON theo phương pháp đệ quy giúp giải quyết được khó khăn trong việc liên kết các đối tượng AUTOSAR qua tag <SHORT-NAME>, điều mà các công cụ hiện có chưa làm tốt. Mã nguồn sinh ra tích hợp FreeRTOS đảm bảo tính thời gian thực và độ tin cậy cao, phù hợp với yêu cầu của phần mềm nhúng ô tô.

So sánh với nghiên cứu quốc tế, công trình này bổ sung phần mã nguồn và ứng dụng demo thực tế, tăng tính tin cậy và khả năng áp dụng. Việc công khai mã nguồn giúp giảm chi phí tiếp cận công nghệ, thúc đẩy đổi mới và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Các biểu đồ thể hiện tỷ lệ thành công trích xuất dữ liệu và độ trễ xử lý sự kiện có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của công cụ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thêm các tính năng hỗ trợ đa dạng giao diện AUTOSAR: Mở rộng công cụ để hỗ trợ các loại Interface khác như Client-Server, Mode Switch Event nhằm tăng khả năng ứng dụng trong các dự án phức tạp hơn. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm, thời gian 6 tháng.

  2. Tối ưu hóa hiệu suất sinh mã và biên dịch: Nâng cao tốc độ sinh mã và giảm kích thước mã nguồn sinh ra để phù hợp với các vi điều khiển có tài nguyên hạn chế. Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật, thời gian 3 tháng.

  3. Xây dựng tài liệu hướng dẫn và khóa học đào tạo: Soạn thảo tài liệu chi tiết và tổ chức các khóa học trực tuyến giúp sinh viên và nhà phát triển dễ dàng tiếp cận và sử dụng công cụ. Chủ thể thực hiện: đơn vị đào tạo, thời gian 4 tháng.

  4. Thúc đẩy cộng đồng đóng góp mã nguồn mở: Tạo diễn đàn, nhóm cộng đồng để thu hút đóng góp, chia sẻ kinh nghiệm và cải tiến công cụ liên tục. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển và cộng đồng, thời gian liên tục.

  5. Mở rộng kiểm thử trên các nền tảng phần cứng khác: Thử nghiệm công cụ trên các vi điều khiển và hệ điều hành nhúng khác để đảm bảo tính tương thích và mở rộng phạm vi ứng dụng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu, thời gian 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử, Công nghệ Thông tin: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về AUTOSAR, FreeRTOS và phát triển phần mềm nhúng, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng ô tô: Công cụ mã nguồn mở giúp họ tiếp cận nhanh với tiêu chuẩn AUTOSAR, giảm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm.

  3. Giảng viên và nhà đào tạo trong lĩnh vực công nghệ ô tô: Tài liệu và công cụ hỗ trợ giảng dạy, thực hành cho sinh viên, nâng cao chất lượng đào tạo.

  4. Các công ty khởi nghiệp và doanh nghiệp nhỏ trong ngành công nghiệp ô tô: Giải pháp mã nguồn mở giúp họ tiếp cận công nghệ tiên tiến mà không phải chịu chi phí bản quyền cao, thúc đẩy đổi mới sáng tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. AUTOSAR RTE Generator là gì và tại sao cần thiết?
    AUTOSAR RTE Generator là công cụ tự động tạo môi trường thời gian chạy (RTE) theo tiêu chuẩn AUTOSAR, giúp quản lý giao tiếp giữa các thành phần phần mềm trên xe ô tô. Nó giảm thiểu thời gian và công sức phát triển phần mềm nhúng phức tạp, tăng tính tái sử dụng và chuẩn hóa.

  2. Công cụ này có thể áp dụng cho những loại phần cứng nào?
    Hiện tại, công cụ đã được kiểm thử trên vi điều khiển ESP32 tích hợp FreeRTOS. Tuy nhiên, với mã nguồn mở và thiết kế linh hoạt, công cụ có thể được tùy chỉnh để hỗ trợ nhiều nền tảng phần cứng khác trong tương lai.

  3. Làm thế nào để sử dụng công cụ này trong dự án thực tế?
    Người dùng cần chuẩn bị tệp cấu hình AUTOSAR XML (*.arxml), sau đó sử dụng công cụ để chuyển đổi sang JSON, trích xuất dữ liệu và sinh mã nguồn C++. Mã nguồn này được biên dịch và tích hợp với FreeRTOS trên phần cứng mục tiêu.

  4. Công cụ có hỗ trợ các loại Interface AUTOSAR nào?
    Trong nghiên cứu này, công cụ hỗ trợ chủ yếu Sender-Receiver Interface, Data Receive Point By Values, Data Send Point và Runnable Entities với Timing Events. Các loại Interface khác sẽ được phát triển trong các phiên bản tiếp theo.

  5. Làm sao để đóng góp hoặc tùy chỉnh công cụ?
    Công cụ được công khai trên GitHub, người dùng có thể tải về, nghiên cứu, đóng góp mã nguồn hoặc tùy chỉnh theo nhu cầu. Cộng đồng phát triển được khuyến khích tham gia để cải tiến và mở rộng tính năng.

Kết luận

  • Công cụ AUTOSAR RTE Generator mã nguồn mở đã được thiết kế và triển khai thành công, hỗ trợ chuyển đổi dữ liệu cấu hình AUTOSAR XML sang JSON và sinh mã nguồn C++ tích hợp FreeRTOS.
  • Ứng dụng demo trên vi điều khiển ESP32 chứng minh tính khả thi và hiệu quả của công cụ trong điều khiển xe ô tô nhúng.
  • Công cụ giúp giảm chi phí, tăng khả năng tiếp cận công nghệ AUTOSAR, thúc đẩy đổi mới và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong ngành phần mềm nhúng ô tô.
  • Đề xuất mở rộng tính năng, tối ưu hiệu suất và phát triển cộng đồng mã nguồn mở để nâng cao giá trị và phạm vi ứng dụng của công cụ.
  • Khuyến khích các nhà phát triển, sinh viên và doanh nghiệp sử dụng và đóng góp để thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp phần mềm ô tô.

Hành động tiếp theo: Tải và thử nghiệm công cụ trên GitHub, tham gia cộng đồng phát triển, và áp dụng trong các dự án phần mềm nhúng ô tô để nâng cao năng lực và hiệu quả phát triển.