嵌入式系統(tǒng)在汽車工業(yè)上應(yīng)用

1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 在汽車工業(yè)上的應(yīng)用在汽車工業(yè)上的應(yīng)用班級：* 姓名： * 學(xué)號： * Page 2概要概要說明說明n 近幾年，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品日臻完善，并在全世界各行業(yè)得到廣泛近幾年，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品日臻完善，并在全世界各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用已經(jīng)成為我國信息化帶動工業(yè)化、應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用已經(jīng)成為我國信息化帶動工業(yè)化、工業(yè)化促進信息化發(fā)展的新的國民經(jīng)濟增長點。工業(yè)化促進信息化發(fā)展的新的國民經(jīng)濟增長點。n 中國的汽車工業(yè)作為國家的支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國的汽車工業(yè)作為國家的支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景前景非常非常廣闊，廣闊，2009年年汽車產(chǎn)量達到汽車產(chǎn)量達到1,273.7萬

2、輛，萬輛，2010、2011年將持續(xù)保持增長，預(yù)計增年將持續(xù)保持增長，預(yù)計增長率在長率在19%至至20%之間。之間。2009年中國年中國已經(jīng)已經(jīng)成為世界第一汽車生產(chǎn)大成為世界第一汽車生產(chǎn)大國，同時中國汽車消費量占全球總消費量比例已達國，同時中國汽車消費量占全球總消費量比例已達12%，在，在2015年年左右國內(nèi)汽車銷售也有望超過美國，成為第一大汽車消費市場。到左右國內(nèi)汽車銷售也有望超過美國，成為第一大汽車消費市場。到2020年，中國本土汽車產(chǎn)量將達到年，中國本土汽車產(chǎn)量將達到2000萬輛左右，其中兩成產(chǎn)品將萬輛左右，其中兩成產(chǎn)品將進入國際市場。進入國際市場。n 中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展對嵌入式系統(tǒng)

3、的應(yīng)用與發(fā)展具有良好的中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展對嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展具有良好的推動作用，同時也帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。推動作用，同時也帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。Page 3目錄目錄汽車嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程汽車嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程汽車嵌入式汽車嵌入式SoC系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹汽車汽車SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用系統(tǒng)的典型應(yīng)用汽車汽車SoC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢系統(tǒng)的發(fā)展趨勢Page 401 汽車嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程 經(jīng)過以前的學(xué)習(xí)知道嵌入式系統(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，這就決定了它非常適合應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，另外隨著汽車技術(shù)的發(fā)展以及微處理器技術(shù)的不斷進步,就使得嵌入式系統(tǒng)在汽車電子技術(shù)中得到

4、了廣泛應(yīng)用。目前,從車身控制、底盤控制、發(fā)動機管理、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)都離不開嵌入式技術(shù)的支持。 嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代,經(jīng)歷了漫長的獨立發(fā)展的單片機道路。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發(fā)展類似,汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為三個發(fā)展階段:Page 5第一階段第一階段:SCM(Single Chip Microcomputer)系統(tǒng)系統(tǒng) 以4位和低檔8位微處理器為核心,將CPU和外圍電路集成到一個芯片上,配置了外部并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)和功能相對單一、處理效率低、存儲容量小、軟件結(jié)構(gòu)也比較簡單,不需要嵌入操作系統(tǒng)。 這種底

5、層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務(wù)相對簡單、數(shù)據(jù)處理量小和實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。 Page 6第二階段第二階段:MCU(Micro Controller Unit)系統(tǒng)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、PWM、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)據(jù)量有明顯增加。 第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡單的實時任務(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)、智能安全氣囊、主動懸架以及發(fā)動機管理系統(tǒng)等。 Page 7第三階段第三階段:SoC(System

6、 of Chips)系統(tǒng)系統(tǒng) 以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心,在對海量離散時間信號要求快速處理的場合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴展的嵌入式應(yīng)用需求,不斷提高處理速度,增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實時多任務(wù)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)在汽車電子上的高端應(yīng)用,滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴展、邏輯漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求,代表著汽車電子技術(shù)的發(fā)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。 Page 802 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)介

7、紹 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)的實時性、可靠性和智能化程度。 除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外,它還具有以下幾個優(yōu)點: (1)對實時多任務(wù)處理有很強的支持能力,中斷響應(yīng)時間12s; (2)具有很強的存儲區(qū)保護功能; (3)在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下能合理進行任務(wù)調(diào)度,利用系統(tǒng)資源; (4)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強的擴展能力,系統(tǒng)集成度大大提高; (5)超低功耗,汽車靜態(tài)功耗為毫瓦級; (6)系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強,適應(yīng)高溫、潮濕、振動和輻射等各種工作環(huán)境; (7)提供強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,具備IEEE139

8、4、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)動軟件,提供容錯數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。Page 9汽車嵌入式汽車嵌入式SoC系統(tǒng)系統(tǒng)介紹介紹 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器和外圍設(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)議實現(xiàn)汽車電子控制策略,硬件則為軟件提供了運行平臺,執(zhí)行具體控制。汽車嵌入式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)所示汽車嵌入式SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Page 10汽車嵌入式汽車嵌入式SoC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 在高性能CPU核心外通過IP總線擴展實

9、時時鐘模塊、SRAM(靜態(tài)隨機存儲器)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)一的高速緩沖存儲器,支持RISC技術(shù)（高檔的中央處理器）、多級流水線技術(shù)與在片調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)的實時處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信能力大大增強。Page 11汽車汽車嵌入式嵌入式SoC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Page 12汽車嵌入式汽車嵌入式SoC系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 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,使得汽車嵌入式系統(tǒng)需要尋找新的軟件解決方案。它采用基于標準化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設(shè)計,系統(tǒng)內(nèi)部通訊由交互層直

10、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。嵌入式實時操作系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的前后臺模式,使用總線驅(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、消息隊列和信號量機制綜合管理中斷、系統(tǒng)行為和任務(wù)。Page 13常用常用SoC系統(tǒng)平臺系統(tǒng)平臺 n 為適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)發(fā)展潮流,各國半導(dǎo)體和軟件制造商紛紛推出相應(yīng)嵌入式SoC產(chǎn)品。 著名SoC硬件平臺包括:Intel公司StrongArm核心處理器,擁有32位RISC數(shù)據(jù)總線、512K

11、BFLASH、256KBSRAM（同步靜態(tài)存同步靜態(tài)存儲器儲器 ）和16位THUMB（ARM處理器有一種處理器有一種16-bit指令模式指令模式 ）指令集,支持片調(diào)試、三級流水線技術(shù)和LCD控制;Motorola公司Dragonball核心處理器,它是32位RISC處理器,擁有16.85MHz時鐘頻率和2.7MIPS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VR核心處理器,它是64位RISC芯片,擁有300MHz時鐘和603MIPS處理速度,集成統(tǒng)一L2高速緩沖存儲器、DRAM控制器、PCI-X網(wǎng)橋和10/100MAC設(shè)備。

12、Page 14常用常用SoC系統(tǒng)平臺系統(tǒng)平臺n 著名SoC軟件平臺即實時操作系統(tǒng)包括:QNX公司QNX、Wind River公司VxWorks和Integrated System公司PSOSystem。它們都是實時、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)核運行高速穩(wěn)定,通信能力和擴展裁剪能力很強。 上述平臺中,StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統(tǒng)汽車SoC系統(tǒng)中有著良好應(yīng)用前景。Page 1503 汽車SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用雙擊此處修改圖片雙擊此處修改圖片ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成化系

13、統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)在ABS/ASR/ACC集成化控制系統(tǒng) 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)和自適應(yīng)巡航功能(ACC)的汽車新型主動安全系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 Page 16SoC系統(tǒng)的典型應(yīng)用系統(tǒng)的典型應(yīng)用 在硬件上充分利用各個子系統(tǒng)的現(xiàn)有元件,輪速傳感器、發(fā)動機轉(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)動機輸出功率的綜合調(diào)節(jié)實現(xiàn)汽車制動防抱死、驅(qū)動防滑和自適應(yīng)巡航功能?？刂七^程充分考慮三個邏輯模塊上的相互關(guān)系,實現(xiàn)信息融合共享,例如ABS與

14、ASR的車輪滑動率計算可以統(tǒng)一,ACC探測雷達獲取的車速信息可以用來修正ABS參考車速Page 17CAN通信通信n 雷達信號的處理采用雷達信號的處理采用DSP處理器，并通過處理器，并通過CAN總線與總線與ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)控制器進行通信。集成系統(tǒng)控制器進行通信。CAN總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動收發(fā)、容錯和總線傳輸具有數(shù)據(jù)差動收發(fā)、容錯和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達成非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達成Mbps。采用。采用CAN通信提高了通信提高了控制系統(tǒng)的實時性，并為系統(tǒng)功能擴展和整車傳感器信息共享提供了控制系統(tǒng)的實時性，并為系統(tǒng)功能擴展和整車傳感器信息共享提供了方便。方便。CAN通

15、信拓撲結(jié)構(gòu)如圖通信拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。所示。n Page 18pca82c250n pca82c250是是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發(fā)送能力并對線提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。這是全世界控制器提供差動接收能力。這是全世界使用最廣泛的使用最廣泛的CAN收發(fā)器。收發(fā)器。 n 基本參數(shù)基本參數(shù) 工作溫度范圍工作溫度范圍:-40C to +125C 針腳數(shù)針腳數(shù):8 封裝類型封裝類型:SOIC 器件標號器件標號:82 最大電源電壓最大電源電壓:5.5V 最小電源電壓最小電源電壓:4.5V 電源電流電源電流:1

16、00A 芯片標號芯片標號:82C250 控控制接口制接口:CAN 最高數(shù)據(jù)率最高數(shù)據(jù)率:1Mbaud 波特率波特率:1Mbps 最低電壓最低電壓 Vcc:4.5V 最大電壓最大電壓Vcc:5.5V 輸入輸入/輸出數(shù)輸出數(shù):2 通信功能通信功能:CAN控制器控制器 Page 19 n 汽車汽車ABS/ASR/ACC系統(tǒng)軟件集成化的難點是：在保證控制實時系統(tǒng)軟件集成化的難點是：在保證控制實時性的前提下如何進行中斷管理和協(xié)調(diào)各項任務(wù)的優(yōu)先級，因此在該系性的前提下如何進行中斷管理和協(xié)調(diào)各項任務(wù)的優(yōu)先級，因此在該系統(tǒng)中引入嵌入式實時操作系統(tǒng)十分必要。實時操作系統(tǒng)能合理分配軟、統(tǒng)中引入嵌入式實時操作系統(tǒng)十

17、分必要。實時操作系統(tǒng)能合理分配軟、硬件資源，實時進行多任務(wù)并行處理，為系統(tǒng)進行硬件資源，實時進行多任務(wù)并行處理，為系統(tǒng)進行HAC（坡起輔助系（坡起輔助系統(tǒng)）與統(tǒng)）與EBD（電子制動力分配系統(tǒng)）等功能擴展提供了條件，同時支（電子制動力分配系統(tǒng)）等功能擴展提供了條件，同時支持多線程的軟件結(jié)構(gòu)，增強了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用持多線程的軟件結(jié)構(gòu)，增強了軟件抗干擾性。操作系統(tǒng)選用VxWorks，任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級的搶占式策略?；诓僮飨到y(tǒng)，任務(wù)調(diào)度采用基于優(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，具體的和任務(wù)優(yōu)先級設(shè)定，具體的ABS、ASR和和ACC控制功能由控制功能由API調(diào)用應(yīng)調(diào)用應(yīng)用

18、程序?qū)崿F(xiàn)。用程序?qū)崿F(xiàn)。 n 汽車汽車ABS/ASR/ACC集成化系統(tǒng)采用新一代嵌入式技術(shù)，提高了集成化系統(tǒng)采用新一代嵌入式技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性、可維護性和可擴展性。系統(tǒng)的實時性、可靠性、可維護性和可擴展性。 Page 20集成系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)n 集成系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖集成系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖Page 21 n ABS/ASR/ACC集成系統(tǒng)中的任務(wù)優(yōu)先級分配策略如下集成系統(tǒng)中的任務(wù)優(yōu)先級分配策略如下Page 2204 汽車SoC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)具有卓越的性能,作為汽車嵌入式系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，今后汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將呈現(xiàn)出以下幾個發(fā)展趨勢: (1)汽車嵌入式SoC系統(tǒng)將會向FPGA/CPLD(在線可編程門陣列)方向發(fā)展,系統(tǒng)由分布式可編程互連邏輯單元構(gòu)成,單元之間可以交換信息,大量運算由硬件直接完成,體系結(jié)構(gòu)更加靈活,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