分布式汽車電氣/電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)與仿真來迎接這一復(fù)雜性挑戰(zhàn)。新興標(biāo)準(zhǔn)(如AUTOSAR)定義了與低層軟件的標(biāo)準(zhǔn)化接口，最重要的是，它還為功能實(shí)現(xiàn)工程師引入了一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)方面的指導(dǎo)卻幾乎沒有。

此外，論述設(shè)計(jì)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(jì)方法學(xué)，包括架構(gòu)設(shè)計(jì)、分布在多個(gè)ECU中的網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)調(diào)度、線束設(shè)計(jì)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(jì)”對不同的人也有不同的含義，這取決于他們站在哪個(gè)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(jì)物理架構(gòu)和邏輯架構(gòu)的語言是獨(dú)立的，這導(dǎo)致相同一個(gè)詞的意思可以完全不同，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和流程也是獨(dú)立的，這也導(dǎo)致了一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程(如圖1所示)。

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

新興的AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)級汽車電子/電氣設(shè)計(jì)方法學(xué)提供了一個(gè)技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(jì)。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(biāo)準(zhǔn)的格式表達(dá)他的設(shè)計(jì)思想。從經(jīng)濟(jì)上看，AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)打開了一個(gè)巨大的、統(tǒng)一的市場，它使得可以創(chuàng)建合適的設(shè)計(jì)工具。

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

AUTOSAR工作原理

AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)指定了一個(gè)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(shí)現(xiàn)。它對基礎(chǔ)設(shè)施組件進(jìn)行了嚴(yán)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(shí)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(jìn)行通信。

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

一個(gè)AUTOSAR系統(tǒng)基本上由以下三個(gè)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(gè)邏輯架構(gòu)的所有方面： SWC、功能網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)浜凸δ艿紼CU的映射。雖然這些文件的語法和語義由AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jì)任務(wù)的復(fù)雜性。

在圖2顯示的設(shè)計(jì)流程中，你可看到邏輯設(shè)計(jì)過程是如何驅(qū)動(dòng)物理設(shè)計(jì)過程的。這一設(shè)計(jì)流程的第一步是汽車邏輯功能的定義和實(shí)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(gè)功能。用戶創(chuàng)建能表達(dá)各種汽車功能的單元級SWC，或從像Matlab/Simulink這樣的模型設(shè)計(jì)工具中調(diào)用這類SWC。