汽車電子的嵌入式設(shè)計(jì)與發(fā)展方向

　?。?） 在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下能合理進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，充分利用系統(tǒng)資源；

　　（4） 硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，系統(tǒng)集成度大大提高，降低了成本；

　?。?） 超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為豪瓦級；

　?。?） 系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強(qiáng)，適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射等各種工作環(huán)境；

　?。?） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持軟件多線程結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的軟件抗干擾性；

　?。?）提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，提供容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理和外圍設(shè)備，軟件包括應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。軟件通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)汽車電子控制策略，硬件則為軟件提供了運(yùn)行平臺(tái)，執(zhí)行具體控制。

　　嵌入式SoC硬件系統(tǒng)集成度越來越高，一般為模塊化結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴(kuò)展實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）及大容量FLASH，配置CAN總線與USB通信模塊，無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉(zhuǎn)換接口與統(tǒng)一的高速緩沖存儲(chǔ)器，支持RISC技術(shù)、多級流水線技術(shù)與在片調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增強(qiáng)。

　　現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務(wù)協(xié)調(diào)控制，軟件越來越龐大，越來越復(fù)雜，使得嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車嵌入式SoC系統(tǒng)軟件的典型結(jié)構(gòu)。它采用基于標(biāo)準(zhǔn)化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)部通訊由交互層直接完成，保障應(yīng)用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)層擁有數(shù)據(jù)流處理能力，是不同系統(tǒng)層面間信息交換的中間接口，能最大程度地整合系統(tǒng)資源。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺(tái)模式，使用總線驅(qū)動(dòng)層和硬件抽象層管理I/O端口，合理分配CPU資源，采用基于優(yōu)先級的事件管理策略，通過API（應(yīng)用程序接口）調(diào)用應(yīng)用程序，根據(jù)郵箱、消息隊(duì)列和信號量機(jī)制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務(wù)。

　　2.3 常用的SoC系統(tǒng)平臺(tái)

　　為適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展潮流，各國的半異體和軟件制造商紛紛推出相應(yīng)的嵌入式SoC產(chǎn)品。

　　著名的SoC硬件平臺(tái)包括：Intel公司的StrongArm核心處理器，擁有32位RISC數(shù)據(jù)總線、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片調(diào)試、三級流水線技術(shù)和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心處理器，它是32位RISC處理器，擁有16.85MHz時(shí)鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心處理器，它是64位RISC芯片，擁有300MHz時(shí)鐘和603MIPS的處理程度，集成統(tǒng)一的L2高速緩沖存儲(chǔ)器、DRAM控制器、PCI-X網(wǎng)橋和10/100MAC設(shè)備。著名的SoC軟件平臺(tái)即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括“QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實(shí)時(shí)、微核、基于優(yōu)先級、消息傳遞、搶占式多任務(wù)、多用戶分布式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，擁有模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)核運(yùn)行高速穩(wěn)定，通信能力和擴(kuò)展裁剪能力很強(qiáng)。

　　在上述平臺(tái)中，StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統(tǒng)在汽車SoC系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

3 SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用

　　汽車嵌入式SoC系統(tǒng)充分適應(yīng)了汽車的工作環(huán)境和技術(shù)要求，在汽車電子技術(shù)上廣泛應(yīng)用。其中北京理工大學(xué)正在研究的汽車ABS/ASR/ACC訂成化控制系統(tǒng)具有代表性。

　　ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)是綜合了制動(dòng)防抱死功能（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑功能（ASR）和自適應(yīng)巡航功能（ACC）的汽車新型主動(dòng)安全系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其在硬件上充分利用各個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)有元件，輪速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、加速踏板傳感器和探測雷達(dá)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，共用控制器和執(zhí)行元件。在軟件上應(yīng)用信息融合、集中控制技術(shù)，通過對制動(dòng)力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的綜合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)防抱死、驅(qū)動(dòng)防滑和自適應(yīng)巡航功能。控制過程充分考慮三個(gè)邏輯模塊上的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息融合共享，例如ABS與ASR的車輪滑動(dòng)率計(jì)算可以統(tǒng)一，ACC探測雷達(dá)獲取的車速信息可以用來修正ABS參考車速。

　　系統(tǒng)選用32位SoC硬件平臺(tái)如Dragon ball核心的MC68E328以代原來的16位ABS控制器，提高了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐富。車載雷達(dá)選用法國AutoCruise公司生產(chǎn)的AC110型77GHz毫米波車載協(xié)達(dá)，雷達(dá)信號的處理采用DSP處理器，并通過CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動(dòng)收發(fā)、容錯(cuò)和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達(dá)成Mbps。采用CAN通信提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并為系統(tǒng)功能擴(kuò)展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。