嵌入式在汽車領(lǐng)域的應用

1、嵌入式技術(shù)在汽車電子領(lǐng)域的廣泛應用 嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由微處理器、外圍硬件設備、操作系統(tǒng)及應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其它設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)作為一個熱門領(lǐng)域，涵蓋了微電子技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機軟件和硬件等多項技術(shù)領(lǐng)域的應用。嵌入式系統(tǒng)的應用覆蓋航空航天、軌道交通、汽車電子、消費電子、網(wǎng)絡通訊、數(shù)字家電、工業(yè)控制、儀器儀表、智能IC卡、國防以及軍事等眾多領(lǐng)域。相比其它應用領(lǐng)域，汽車電子市場規(guī)模大、發(fā)展快。2006年，我國汽車電子銷售額868億元，增幅

2、達40%，到2011年將達到2400億元，成為國內(nèi)增長最迅速的產(chǎn)業(yè)之一。此外，電子產(chǎn)品在整車價值中的比例也逐年提高，從1997年的20%提升到2010年的35%。中國的汽車工業(yè)作為國家的支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景非常廣闊，2009年汽車產(chǎn)量達到1,273.7萬輛，2010、2011年將持續(xù)保持增長，預計增長率在19%至20%之間。2009年中國已經(jīng)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12%，在2015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2020年，中國本土汽車產(chǎn)量將達到2000萬輛左右，其中兩成產(chǎn)品將進入國際市場。我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展為汽車電子的嵌

3、入式系統(tǒng)應用帶來了良好商機，同時也帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。本文僅對其在汽車電子領(lǐng)域的發(fā)展和應用做一探討。汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程眾所周知嵌入式系統(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)中得到了廣泛應用。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:

4、第一階段:SCM(Single Chip Microcomputer)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)。 這種底層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務相對簡單、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。 第二階段:MCU(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、PWM、PCA、Watchdog、高速

5、I/O口等,配置了芯片間的串行總線;軟件結(jié)構(gòu)比較復雜,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,目前在汽車電控系統(tǒng)中得到了最廣泛的應用,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。 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處理能力,同時與網(wǎng)絡的耦合更為緊密。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車電子上的高端應用,滿足了現(xiàn)代汽

6、車電控系統(tǒng)功能不斷擴展、邏輯漸趨復雜、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)主要應用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。 SoC系統(tǒng)的典型應用嵌入式系統(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)和自適應巡航功能(ACC)的汽車新型主動安全系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。SoC系統(tǒng)的典型應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,共用控制器和執(zhí)行元件。在軟件上應用信息

7、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)動防滑和自適應巡航功能。控制過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。以OSEK/VDX為例簡述汽車嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的流程1車控電子產(chǎn)品的系統(tǒng)平臺OSEK/VDX OSEK/VDX規(guī)范從實時操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System, RTOS）、軟件接口、通訊和網(wǎng)絡管理等方面對汽車的電子控制軟件開發(fā)平臺作了較為全面的定義與規(guī)定。將Open Systems and the Corre

8、sponding Interfaces For Automotive Electronics規(guī)范簡稱為OSEK規(guī)范。                兼容OSEK/VDX規(guī)范的操作系統(tǒng)應用架構(gòu)OSEK/VDX標準包括以下四部分：OSEK/VDX操作系統(tǒng)規(guī)范（OSEK Operating System,OSEK OS）, OSEK/VDX 通訊規(guī)范（OSEK Communication,OSEK COM）, OSEK/VDX 網(wǎng)絡管理規(guī)范（OSEK Netwo

9、rk Management,OSEK NM）以及OSEK/VDX實現(xiàn)語言（OSEK Implementation Language,OSEK OIL）。采用符合OSEK/VDX標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)可以提高產(chǎn)品代碼的復用率、降低開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。 2OSEK/VDX任務管理   OSEK/VDX將任務分為基本任務和擴展任務?；救蝿站哂?種狀態(tài)：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、掛起狀態(tài);擴展任務比基本任務增加一個等待狀態(tài)?；救蝿罩辉陂_始和結(jié)束時才有同步點。擴展任務運行時可能進入等待狀態(tài),因此不僅在開始和結(jié)束有同步點,而且運行過程中可能有多個同步點。下圖所示的是擴展任務與基

10、本任務的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。               OSEK OS規(guī)范規(guī)定的任務類型 3. OSEK實現(xiàn)語言規(guī)范 為了達到軟件可移植的目標,OSEK OIL規(guī)范（OSEK Implementation Language Specification）定義了一種配置和使用OSEK應用的方法。下圖表示了一個遵守OSEK規(guī)范的應用開發(fā)過程。OIL文件可以是手寫的或者是系統(tǒng)配置工具產(chǎn)生。       

11、;         基于OSEK規(guī)范的應用開發(fā)過程 OIL提供一種在特定CPU中配置OSEK應用的機制。每個CPU對應一個OIL描述。所有的OSEK系統(tǒng)對象用OIL對象來描述。OSEK應用的OIL描述是一組OIL對象的組合。CPU是這些OIL對象的容器。OIL明確地為每個OIL對象定義了所有標準屬性。每個OSEK應用可以定義附加地特殊執(zhí)行屬性和引用。每個OSEK應用可以限制每個屬性的取值范圍。 4車控電子產(chǎn)品的開發(fā)流程 車控電子產(chǎn)品是軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)。為了節(jié)約資源,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,一般應采取軟硬件

12、同步開發(fā)的方案。車控電子產(chǎn)品的開發(fā)工具對軟硬件的同步開發(fā)、調(diào)試提供了很好的支持。車控電子產(chǎn)品的軟件開發(fā)分為功能描述、軟件設計、代碼生成、操作系統(tǒng)環(huán)境下高級調(diào)試等步驟。車控電子產(chǎn)品的硬件開發(fā)分為硬件描述、硬件設計、硬件調(diào)試等步驟。當軟件設計完成后,通過使用相應的工具,完成在虛擬ECU平臺上的驗證。當硬件設計完成后,與硬件一起進行軟硬件集成調(diào)試。通過這種開發(fā)方式,縮短了產(chǎn)品上市的時間。 軟硬件并行的開發(fā)方案 5車控電子產(chǎn)品軟件開發(fā)流程 汽車車控電子產(chǎn)品軟件開發(fā)流程是“V”形開發(fā)流程?！癡”形開發(fā)流程分為五個階段,即功能設計、原型仿真、代碼生成、硬件在回路仿真HIL、標定。 在功能設計階段使用的主要

13、工具是MATLAB。通過使用MATLAB提供的Simulink、Stateflow等工具,完成控制方案的設計、功能模塊的設計、控制算法的設計等任務,并進行初步的仿真模擬工作。在原型仿真階段使用的主要工具是dSPACE。使用dSPACE提供的快速控制原型RCP工具完成離線的仿真工作。在開始該階段之前,需要使用Real Time Workshop、Targetlink等工具完成由Simulink、Stateflow等產(chǎn)生的代碼向標準 C代碼的轉(zhuǎn)換工作。 6車控電子產(chǎn)品代碼生成過程   在進行向標準 C代碼的轉(zhuǎn)換的過程中,可以根據(jù)需要加入符合OSEK規(guī)范的嵌入式實時操作系統(tǒng)。在代

14、碼生產(chǎn)階段使用的主要工具是CodeWarrior。通過使用CodeWarrior提供的編譯器、調(diào)試器等工具,完成從標準C代碼向目標硬件平臺上的產(chǎn)品代碼的轉(zhuǎn)換工作。下圖表示了車控電子產(chǎn)品的代碼生成過程。  7.汽車電子系統(tǒng)劃分   汽車電子產(chǎn)品可分為兩大類：1. 汽車電子控制裝置,包括動力總成控制、底盤和車身電子控制、舒適和防盜系統(tǒng)。2. 車載汽車電子裝置,包括汽車信息系統(tǒng)(車載電腦)、導航系統(tǒng)、汽車視聽娛樂系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡等。汽車電子系統(tǒng)的劃分如下圖所示。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

15、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)一的標準。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)一的標準與開發(fā)平臺,歐洲頒布的基于OSEK/VDX標準的MODISTARC規(guī)范將是汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的發(fā)展趨勢; (3)隨著汽車局域網(wǎng)技術(shù)和智能交通技術(shù)的發(fā)展,嵌入式SoC系統(tǒng)將會形成以C級或D級網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的整車分布式控制系統(tǒng)

16、和以無線通信為基礎(chǔ)的遠程高頻網(wǎng)絡通信系統(tǒng); (4)嵌入式SoC系統(tǒng)的應用范圍將逐步從高檔車和進口車擴展到低檔車和國產(chǎn)車。汽車嵌入式系統(tǒng)近年來發(fā)展非常迅速,隨著后PC時代的來臨,基于網(wǎng)絡通信和實時多任務并行處理的嵌入式高端應用將會越來越廣泛。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)在硬件上采用32位或64位高性能處理器,在軟件上嵌入了實時操作系統(tǒng),具有功能多樣、集成度高、通信網(wǎng)絡化、開發(fā)快捷及成本低廉的特點,在汽車電子控制和車載網(wǎng)絡通信系統(tǒng)方面有著廣泛的應用,是未來汽車電子的最佳解決方案。 在SoC技術(shù)的推動下，汽車電子向網(wǎng)絡化、智能化、舒適化等高端應用發(fā)展的趨勢日漸明顯，汽車電子控制系統(tǒng)功能持續(xù)擴展、邏輯漸趨復雜、子系統(tǒng)間通信日趨頻繁、與外界互聯(lián)互通成為汽車電子技術(shù)的發(fā)展主流。嵌入式系統(tǒng)在汽車控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)中均可得到有效應用，可以滿足其強實時性、高可靠性、可維護性等需求，為整車及零部件開發(fā)提供統(tǒng)一的架構(gòu)，充分體現(xiàn)了其構(gòu)件化、標準化、集成化、可重用等發(fā)展趨勢。嵌入式基礎(chǔ)軟件作為汽車電子的核心技術(shù)，極具基礎(chǔ)地位和戰(zhàn)略意義。本文所討論的嵌入式系統(tǒng)在汽車電子方面的應用只是嵌入式系統(tǒng)應用的冰山一角。由于迅速發(fā)展的Internet和非常廉價的微處理器的出現(xiàn)，在不遠的將來，嵌入式系統(tǒng)將在工業(yè)控制、智能交通、消費電子以及智能家庭等各領(lǐng)域得到更廣泛的應用，全面