汽車電子的嵌入式設(shè)計與發(fā)展方向

1、汽車電子的嵌入式設(shè)計與發(fā)展方向系統(tǒng)是泛計算領(lǐng)域的重要組成部分，是嵌入式對象宿主體系中完成某種特定功能的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點(diǎn)。隨著汽車技術(shù)的進(jìn)展以及微處理器技術(shù)的不斷長進(jìn)，在技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，從車身控制、底盤控制、發(fā)動機(jī)管理、主被動平安系統(tǒng)到車載消遣、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術(shù)的支持。1 汽車嵌入式系統(tǒng)進(jìn)展歷程嵌入式系統(tǒng)出生于微型機(jī)時代，經(jīng)受了漫長的自立進(jìn)展的道路。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的進(jìn)展類似，汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個進(jìn)展階段：第一階段： scm(single chip microcomput

2、er)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核心，將cpu和外圍集成到一個芯片上，配置了外部并行、串行通訊接口、sfr模塊和布爾命令系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)和功能相對單一、處理效率低、存儲簡單小、軟件結(jié)構(gòu)也比較容易，不需要嵌入式操作系統(tǒng)。這種底層的汽車scm系統(tǒng)主要用于任何相對容易、數(shù)據(jù)處理量小和實(shí)時性要求不高的控制場合，如雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤以及電動門窗等。圖1 汽車嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其次階段：(micro controller unit)系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如a/d轉(zhuǎn)換、pca、watchdog、高速i/o口等，配置了芯片間的串行總線；軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)

3、據(jù)量有顯然增強(qiáng)。其次代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成容易的實(shí)時任務(wù)，目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用，如abs系統(tǒng)、智能平安氣囊、主動懸架以及發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)等。第三階段：soc(system of chips)系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對海量離散時光信號要求迅速處理的場合用法作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的嵌入式應(yīng)用需求，不斷提高處理程度，增強(qiáng)存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實(shí)時多任何處理能力，同時與網(wǎng)絡(luò)的耦合更為緊密。汽車soc系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車上的高端應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展、規(guī)律漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，

4、代表著汽車電子技術(shù)的進(jìn)展趨勢。汽車嵌入式soc系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。2 汽車嵌入式soc系統(tǒng)2.1 技術(shù)特點(diǎn)汽車嵌入式soc系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向?qū)崟r多任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)耦合與通信的高端應(yīng)用過渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實(shí)時性、牢靠性和智能化程度。除了具備一般嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，它還具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1） 對實(shí)時多任務(wù)管理有很強(qiáng)的支持能力，中斷響應(yīng)時光1"2s;（2） 具有很強(qiáng)的存儲區(qū)庇護(hù)功能；（3） 在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的支持下能合理舉行任務(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

5、成度大大提高，降低了成本；（5） 超低功耗，汽車靜態(tài)功耗為豪瓦級；（6） 系統(tǒng)硬件抗干擾能力增加，適應(yīng)高溫、濕潤、振動和電磁輻射等各種工作環(huán)境；（7） 實(shí)時操作系統(tǒng)支持軟件多線程結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的軟件抗干擾性；（8）提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備地ieee1394、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)動軟件，提供容錯數(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，執(zhí)行詳細(xì)

6、控制。嵌入式soc硬件系統(tǒng)集成度越來越高，普通為模塊化結(jié)構(gòu)，1(a)所示。在高性能cpu核心外通過ip總線擴(kuò)展實(shí)時時鐘模塊、sram（靜態(tài)隨機(jī)存儲器）及大容量flash，配置與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)時處理能力、牢靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增加?，F(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)從單一控制逐漸進(jìn)展到多變量多任務(wù)協(xié)調(diào)控制，軟件越來越浩大，越來越復(fù)雜，使得嵌入式系統(tǒng)需要尋覓新的軟件解決計劃。圖1(b)描述了汽車嵌入式soc系統(tǒng)軟件的典型結(jié)構(gòu)。它采納基于標(biāo)準(zhǔn)化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設(shè)計，系統(tǒng)內(nèi)部通訊由

7、交互層挺直完成，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)時操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺模式，用法總線驅(qū)動層和硬件抽象層管理i/o端口，合理分配cpu資源，采納基于優(yōu)先級的大事管理策略，通過api（應(yīng)用程序接口）調(diào)用應(yīng)用程序，按照郵箱、消息隊列和信號量機(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)平臺為適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)的進(jìn)展潮流，各國的半異體和軟件創(chuàng)造商紛紛推出相應(yīng)的嵌入式soc產(chǎn)品。聞名的soc硬件平臺包括：intel公司的strongarm核心處理器，擁有32位risc數(shù)據(jù)總線、512kb的f

8、lash、256kb的sram和16位thumb命令集，支持在片調(diào)試、三級流水線技術(shù)和控制；motorola公司的dragonball核心處理器，它是32位risc處理器，擁有16.85mhz時鐘頻率和2.7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時鐘和603mips的處理程度，集成統(tǒng)一的l2高速緩沖存儲器、dram控制器、pci-x網(wǎng)橋和10/100mac設(shè)備。聞名的soc軟件平臺即實(shí)時操作系統(tǒng)包括“qnx公司的qnx、wind river公司的vxworks和

9、integrated system公司的psosystem。它們都是實(shí)時、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)。在上述平臺中，strongarm核心處理器和dragonball核心處理器以及操作系統(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。其中北京理工高校正在討論的汽車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)是綜合了制動防抱死功能（abs）、驅(qū)動防滑功能（asr）

10、和自適應(yīng)巡航功能（acc）的汽車新型主動平安系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2所示。其在硬件上充分利用各個子系統(tǒng)的現(xiàn)有元件，輪速、發(fā)動機(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)，通過對制動力矩和發(fā)動機(jī)輸出功率的綜合調(diào)整實(shí)現(xiàn)汽車制動防抱死、驅(qū)動防滑和自適應(yīng)巡航功能。控制過程充分考慮三個規(guī)律模塊上的互相關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息融合分享，例如abs與asr的車輪滑動率計算可以統(tǒng)一，acc探測雷達(dá)獵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硬件平臺如dragon ball核心的mc68e328以代本來的16位abs控制器，提高

11、了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐盛。車載雷達(dá)選使用國autocruise公司生產(chǎn)的ac110型77ghz毫米波車載協(xié)達(dá)，雷達(dá)信號的處理采納dsp處理器，并通過can總線與abs/asr/acc集成系統(tǒng)控制器舉行通信。can總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動收發(fā)、容錯和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達(dá)成mbps。采納can通信提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時性，并為系統(tǒng)功能擴(kuò)展和整車傳感器信息分享提供了便利。can通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3所示。汽車abs/asr/acc系統(tǒng)軟件集成化的難點(diǎn)是：在保證控制實(shí)時性的前提下如何舉行中斷管理和協(xié)調(diào)各項任務(wù)的優(yōu)先級，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)非常須要。實(shí)時操作系統(tǒng)能合理分

12、配軟、硬件資源，實(shí)時舉行多任務(wù)并行處理，為系統(tǒng)舉行hac（坡起輔助系統(tǒng)）與ebd（電子制動力分配系統(tǒng)）等功能擴(kuò)展提供了條件，同時支持多線程的軟件結(jié)構(gòu)，增加了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用vxworks，任務(wù)調(diào)度采納基于優(yōu)先級的搶占式策略。基于操作系統(tǒng)和任務(wù)優(yōu)先級設(shè)定，詳細(xì)的abs、asr和acc控制功能由api調(diào)用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。汽車abs/asr/acc集成化系統(tǒng)采納新一代嵌入式技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性、牢靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。4 soc系統(tǒng)的進(jìn)展趨勢汽車嵌入式soc系統(tǒng)具有卓越的性能，其優(yōu)越性逐漸被汽車界所認(rèn)可。今后汽車嵌入式soc系統(tǒng)將展現(xiàn)出以下幾個進(jìn)展趨勢：（1）汽車嵌入式soc系統(tǒng)將會向/（在線可編程門陣列）方向進(jìn)展，系統(tǒng)由分式可編程互連規(guī)律單元構(gòu)成，單元之間可以交換信息，大量運(yùn)算由硬件挺直完成，體系結(jié)構(gòu)越發(fā)靈便，集成度更高；（2）在系統(tǒng)開發(fā)上遵循通用的汽車電子系統(tǒng)開放平臺和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高軟硬件通用性，加快開發(fā)速度，降低成本，soc系統(tǒng)迫切需要構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與開發(fā)平臺，歐洲頒布的基于osek/vdx標(biāo)準(zhǔn)的modistarc規(guī)范將是汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的進(jìn)展趨；（3）隨著汽車局域網(wǎng)技術(shù)和智能交通技術(shù)的進(jìn)展，嵌入式soc系統(tǒng)將會形成以c級或d級網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的整車分布式控制系統(tǒng)和以無線通信為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程高頻網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；（4） 嵌入式soc系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將逐步