嵌入式技術與整車網(wǎng)絡系統(tǒng)

　一、引言

　　隨著市場需求和電子技術的發(fā)展，整車電氣系統(tǒng)經(jīng)歷著電器化、電子化和網(wǎng)絡化三個階段性發(fā)展。嵌入式技術影響在電子化階段開始體現(xiàn)，并在網(wǎng)絡化階段進一步凸現(xiàn)。作為自主產(chǎn)業(yè)，直接面對電子化、網(wǎng)絡化發(fā)展階段重疊的局面，一方面存在缺乏積累、基礎薄弱等挑戰(zhàn)，另一方面也存在輕裝上陣、少走彎路的后發(fā)優(yōu)勢。因此，如何更好地將嵌入式技術與整車電氣系統(tǒng)開發(fā)相融合，已經(jīng)成為自主產(chǎn)業(yè)技術路線的關鍵問題。

　　二、概述

　　整車網(wǎng)絡是指將多個具有一定獨立工作能力的汽車電子系統(tǒng)通過總線實現(xiàn)資源共享和數(shù)據(jù)通信的分布式實時嵌入系統(tǒng)。由此定義可見，整車網(wǎng)絡以總線整合汽車電子系統(tǒng)的形式存在，但本質(zhì)仍然是由軟硬件構成的嵌入式系統(tǒng)。隨著軟件在系統(tǒng)實現(xiàn)中占據(jù)日益主導的地位，整車網(wǎng)絡的開發(fā)過程也來越接近典型的V模式軟件開發(fā)過程，如圖1所示。

整個開發(fā)過程可被分為系統(tǒng)開發(fā)和零部件實施兩個應用層面，其中貫穿著算法設計、軟件工程等基礎技術。由于種種原因，自主汽車電子產(chǎn)業(yè)存在著重零部件輕系統(tǒng)、重應用輕基礎的問題。需要指出的，基礎技術涉及的建模、仿真、軟件構架等均來源于主流的嵌入式技術體系，并不固定從屬于系統(tǒng)開發(fā)或零部件實施的具體領域。因此，基礎技術也是系統(tǒng)開發(fā)的必要前提。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，應用相應的基礎技術，結合上游用戶需求與下游零部件實施約束，才能完成嵌入式系統(tǒng)的集成設計與驗證。其中，工作內(nèi)容可分為架構、總線和診斷的設計及驗證。

　　三、架構開發(fā)

　　架構設計是借助工程方法，通過工程需求的捕捉，合理分配系統(tǒng)功能，最終完成網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構設計。需要指出的是，工程方法是每個整車企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品電氣系統(tǒng)的競爭策略，基于相符合的理論方法，結合自身的開發(fā)配套體系，經(jīng)過長期工程實踐建立的。不同整車企業(yè)甚至同一企業(yè)不同平臺的工程方法是不同的，作為結果的架構更是千差萬別。因此，照搬系統(tǒng)架構甚至工程方法的做法是無法獲得合格架構的。

　架構開發(fā)容易與總線開發(fā)混淆。雖然同屬系統(tǒng)層面開發(fā)，前者基于而高于后者。在架構設計中，總線僅是最主要的信息交互方式，其特點必須在設計過程中合理運用。反之，高性能、高質(zhì)量的總線也有效增加了架構的靈活性、復雜性。

　　3.1工程需求捕捉(圖2)

　　從用戶角度，工程需求不同于常見的市場需求：后者主要從市場用戶出發(fā)，關注的是網(wǎng)絡系統(tǒng)的外在使用價值而不是具體的構架、技術和零部件；除此之外，整車壽命周期內(nèi)還有開發(fā)工程師、制造工程師、售后工程師等內(nèi)部用戶的需求。上述諸多用戶的需求同時也包含約束，例如法規(guī)、標準、成本、質(zhì)量、工程策略等等。從時間角度上。上述需求在項目周期中不同程度地動態(tài)變化。因此，將所面臨的諸多用戶提出的變化的需求轉化為統(tǒng)一的工程需求，是架構開發(fā)的起點，也體現(xiàn)了面向需求的設計理念。

　　工程功能(圖3)作為工程需求的基本載體，貫穿著整個開發(fā)過程。由于不同整車的需求差異，對工程功能的具體劃分不盡相同。一般而言，工程功能被分為用戶工程功能和非用戶工程功能：前者會被用戶直接感受到，例如燈光；后者不會被用戶直接感受到，一般是前者的支撐，例如總線喚醒，通常也被稱為系統(tǒng)功能。對于每個工程功能的需求，也分為功能性需求和非功能性需求：前者主要定義不同狀態(tài)下輸入輸出等外在行為邏輯，通常是可復用在不同車型上，即實現(xiàn)功能性DNA，又減少了需求風險，也為相關應用軟件復用提供了前提；后者包含了其他非功能性需求，如關鍵資源要求、成本，往往因車型而異。

對需求的捕捉中，需求的驗證是重要環(huán)節(jié)之一。上述需求數(shù)量浩大甚至相互矛盾，產(chǎn)生的需求風險將嚴重影響下游的開發(fā)。建立系統(tǒng)層面的功能性需求模型，不僅可以解決需求沖突問題，也是對下游功能分配的必要約束。

　　3.2功能分配(圖4)

　　對于嵌入式軟硬件實現(xiàn)的工程功能，往往需要分布到多個零部件實現(xiàn)以滿足工程需求，因此合理的功能分配設計尤為關鍵。從實現(xiàn)角度而言，需要從邏輯、物理和機械布置層面進行平衡。傳統(tǒng)的做法中功能分配僅被關注在機械布置和物理層面，簡單地進行基于物料成本的硬件分配。這種源自電器化階段的做法簡單直觀，但是忽視邏輯分配會帶來響應性差、可靠性低等一些列原理問題。

邏輯層面的分配，需要在保證關鍵資源、延遲、供電狀態(tài)、安全等非功能性需求前提下進行。例如：某功能的子功能被分配到某控制器，除了需要傳感器／執(zhí)行器等硬件外，控制器能否提供足夠的存儲空間、運算能力、供電狀態(tài)也同樣重要；子功能之間可通過總線、硬線進行交連，但是連接方式必須確保功能本身的實時性、可靠性。