分布式汽車電氣/電子系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)架構(gòu)

在過去的十幾年里，汽車的電氣和電子系統(tǒng)已經(jīng)變得非常的復(fù)雜。今天汽車電子/電氣系統(tǒng)開發(fā)工程師廣泛使用基于模型的功能設(shè)計與仿真來迎接這一復(fù)雜性挑戰(zhàn)。新興標準(如AUTOSAR)定義了與低層軟件的標準化接口，最重要的是，它還為功能實現(xiàn)工程師引入了一個全新的抽象級。

這提高了軟件組件的可重用性，但不幸的是，關(guān)于如何將基于模型的功能設(shè)計的結(jié)果轉(zhuǎn)換成高度分布式環(huán)境中的可靠和高效系統(tǒng)實現(xiàn)方面的指導(dǎo)卻幾乎沒有。

此外，論述設(shè)計流程物理端的文章也非常少。本文概述了一種推薦的系統(tǒng)級設(shè)計方法學(xué)，包括架構(gòu)設(shè)計、分布在多個ECU中的網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)調(diào)度、線束設(shè)計和規(guī)格生成。

為什么需要AUTOSAR?

即使在同一家公司，“架構(gòu)設(shè)計”對不同的人也有不同的含義，這取決于他們站在哪個角度上。物理架構(gòu)處理系統(tǒng)的有形一面，如布線和連接器，邏輯架構(gòu)定義無形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分配，如軟件和通信協(xié)議。目前設(shè)計物理架構(gòu)和邏輯架構(gòu)的語言是獨立的，這導(dǎo)致相同一個詞的意思可以完全不同，設(shè)計團隊和流程也是獨立的，這也導(dǎo)致了一個非常復(fù)雜的設(shè)計流程(如圖1所示)。

圖1：物理和邏輯設(shè)計流程
這種復(fù)雜性導(dǎo)致了次優(yōu)設(shè)計結(jié)果，整個系統(tǒng)的正確功能是如此的難于實現(xiàn), 以致于幾乎沒有時間去尋求一種替代方法，它可導(dǎo)致更堅固的、可擴展性更好的和更具成本效益的解決方案。為了實現(xiàn)這樣一種解決方案，設(shè)計師需要新的方法，它可以將物理和邏輯設(shè)計流程緊密相連，并仍然允許不同的設(shè)計團隊做他們的工作。

新興的AUTOSAR標準為系統(tǒng)級汽車電子/電氣設(shè)計方法學(xué)提供了一個技術(shù)上和經(jīng)濟上都可行的選擇，盡管它主要針對軟件層面，即邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。不過，大量廣泛的AUTOSAR元模型及其豐富的接口定義允許系統(tǒng)級電子/電氣架構(gòu)師以標準的格式表達他的設(shè)計思想。從經(jīng)濟上看，AUTOSAR標準打開了一個巨大的、統(tǒng)一的市場，它使得可以創(chuàng)建合適的設(shè)計工具。

本文描述了基于AUTOSAR的由點工具組成的系統(tǒng)級設(shè)計方法。這導(dǎo)致整個流程在所有有意義的地方使用標準，但又不局限于標準，或要求用戶采用這些標準。

AUTOSAR工作原理

AUTOSAR標準是汽車制造商、供應(yīng)商和工具供應(yīng)商一起發(fā)起的，旨在規(guī)范汽車電子控制單元(ECU)的開放式軟件架構(gòu)。

AUTOSAR標準指定了一個分層軟件架構(gòu)，它明確定義了應(yīng)用軟件組件(SWC)之間的接口、用戶可見汽車功能和基礎(chǔ)設(shè)施組件的實現(xiàn)。它對基礎(chǔ)設(shè)施組件進行了嚴格的規(guī)定，以允許不同供應(yīng)商開發(fā)的組件能一起工作。

用戶可見的汽車功能通過互連的應(yīng)用軟件組件來實現(xiàn)。SWC是可以映射到ECU的最小單元。為了使SWC與特定的硬件無關(guān)，定義了虛擬功能總線(VFB)概念，此處SWC就使用VFB與它們的環(huán)境進行通信。

這一概念支持SWC重新定位到不同的ECU，從而增強了應(yīng)用軟件的可重用性。

一個AUTOSAR系統(tǒng)基本上由以下三個XML文件定義：SWC描述、ECU資源描述和系統(tǒng)配置描述。這些文件描述了一個邏輯架構(gòu)的所有方面： SWC、功能網(wǎng)絡(luò)、拓撲和功能到ECU的映射。雖然這些文件的語法和語義由AUTOSAR標準定義，但它們的創(chuàng)建方法學(xué)則留給了工具供應(yīng)商。

用戶案例分析

下面兩個代表性用戶案例可以讓你更深入地了解到總體物理和邏輯設(shè)計任務(wù)的復(fù)雜性。

在圖2顯示的設(shè)計流程中，你可看到邏輯設(shè)計過程是如何驅(qū)動物理設(shè)計過程的。這一設(shè)計流程的第一步是汽車邏輯功能的定義和實現(xiàn)。大多數(shù)OEM將一部汽車的電氣系統(tǒng)分解成約100-200個功能。用戶創(chuàng)建能表達各種汽車功能的單元級SWC，或從像Matlab/Simulink這樣的模型設(shè)計工具中調(diào)用這類SWC。