嵌入式在汽车领域的应用

嵌入式技术在汽车电子领域的广泛应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它一般由微处理器、外围硬件设备、操作系统及应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统作为一个热门领域，涵盖了微电子技术、控制技术、通信技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用。嵌入式系统的应用覆盖航空航天、轨道交通、汽车电子、消费电子、网络通讯、数字家电、工业控制、仪器仪表、智能IC卡、国防以及军事等众多领域。相比其它应用领域，汽车电子市场规模大、发展快。2006年，我国汽车电子销售额868亿元，增幅达40%，到2011年将达到2400亿元，成为国内增长最迅速的产业之一。此外，电子产品在整车价值中的比例也逐年提高，从1997年的20%提升到2010年的35%。中国的汽车工业作为国家的支柱产业发展前景非常广阔，2009年汽车产量达到1,273.7万辆，2010、2011年将持续保持增长，预计增长率在19%至20%之间。2009年中国已经成为世界第一汽车生产大国，同时中国汽车消费量占全球总消费量比例已达12%，在2015年左右国内汽车销售也有望超过美国，成为第一大汽车消费市场。到2020年，中国本土汽车产量将达到2000万辆左右，其中两成产品将进入国际市场。我国汽车工业的飞速发展为汽车电子的嵌入式系统应用带来了良好商机，同时也带来了新的机遇和挑战。本文仅对其在汽车电子领域的发展和应用做一探讨。汽车嵌入式系统发展历程众所周知嵌入式系统有体积小、低功耗、集成度高、子系统间能通信融合的优点，这就决定了它非常适合应用于汽车工业领域，另外随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步,就使得嵌入式系统在汽车电子技术中得到了广泛应用。目前,从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统都离不开嵌入式技术的支持。 嵌入式系统诞生于微型机时代,经历了漫长的独立发展的单片机道路。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似,汽车嵌入式系统也可以分为三个发展阶段: 第一阶段:SCM(Single Chip Microcomputer)系统以4位和低档8位微处理器为核心,将CPU和外围电路集成到一个芯片上,配置了外部并行总线、串行通讯接口、SFR模块和布尔指令系统。硬件结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量小、软件结构也比较简单,不需要嵌入操作系统。 这种底层的汽车SCM系统主要用于任务相对简单、数据处理量小和实时性要求不高的控制场合,如雨刷、车灯系统、仪表盘以及电动门窗等。 第二阶段:MCU(Micro Controller Unit)系统以高档的8位和16位处理器为核心,集成了较多外部接口功能单元,如A/D转换、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等,配置了芯片间的串行总线;软件结构比较复杂,程序数据量有明显增加。第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的实时任务,目前在汽车电控系统中得到了最广泛的应用,如ABS系统、智能安全气囊、主动悬架以及发动机管理系统等。 第三阶段:SoC(System of Chips)系统以性能极高的32位甚至64位嵌入式处理器为核心,在对海量离散时间信号要求快速处理的场合使用DSP作为协处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求,不断提高处理速度,增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理能力,同时与网络的耦合更为紧密。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用,满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求,代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。 SoC系统的典型应用嵌入式系统在ABS/ASR/ACC集成化控制系统ABS/ASR/ACC集成化系统是综合了制动防抱死功能(ABS)、驱动防滑功能(ASR)和自适应巡航功能(ACC)的汽车新型主动安全系统,系统结构。SoC系统的典型应用在硬件上充分利用各个子系统的现有元件,轮速传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、加速踏板传感器和探测雷达组成传感器网络,共用控制器和执行元件。在软件上应用信息融合、集中控制技术,通过对制动力矩和发动机输出功率的综合调节实现汽车制动防抱死、驱动防滑和自适应巡航功能。控制过程充分考虑三个逻辑模块上的相互关系,实现信息融合共享,例如ABS与ASR的车轮滑动率计算可以统一,ACC探测雷达获取的车速信息可以用来修正ABS参考车速。以OSEK/VDX为例简述汽车嵌入式系统产品的流程1车控电子产品的系统平台OSEK/VDX OSEK/VDX规范从实时操作系统（Real-Time Operating System, RTOS）、软件接口、通讯和网络管理等方面对汽车的电子控制软件开发平台作了较为全面的定义与规定。将Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electronics规范简称为OSEK规范。 兼容OSEK/VDX规范的操作系统应用架构OSEK/VDX标准包括以下四部分：OSEK/VDX操作系统规范（OSEK Operating System,OSEK OS）, OSEK/VDX 通讯规范（OSEK Communication,OSEK COM）, OSEK/VDX 网络管理规范（OSEK Network Management,OSEK NM）以及OSEK/VDX实现语言（OSEK Implementation Language,OSEK OIL）。采用符合OSEK/VDX标准的嵌入式实时操作系统可以提高产品代码的复用率、降低开发成本、缩短产品开发周期。 2OSEK/VDX任务管理 OSEK/VDX将任务分为基本任务和扩展任务。基本任务具有3种状态：运行状态、就绪状态、挂起状态;扩展任务比基本任务增加一个等待状态。基本任务只在开始和结束时才有同步点。扩展任务运行时可能进入等待状态,因此不仅在开始和结束有同步点,而且运行过程中可能有多个同步点。下图所示的是扩展任务与基本任务的状态转化图。OSEK OS规范规定的任务类型 3. OSEK实现语言规范 为了达到软件可移植的目标,OSEK OIL规范（OSEK Implementation Language Specification）定义了一种配置和使用OSEK应用的方法。下图表示了一个遵守OSEK规范的应用开发过程。OIL文件可以是手写的或者是系统配置工具产生。 基于OSEK规范的应用开发过程 OIL提供一种在特定CPU中配置OSEK应用的机制。每个CPU对应一个OIL描述。所有的OSEK系统对象用OIL对象来描述。OSEK应用的OIL描述是一组OIL对象的组合。CPU是这些OIL对象的容器。OIL明确地为每个OIL对象定义了所有标准属性。每个OSEK应用可以定义附加地特殊执行属性和引用。每个OSEK应用可以限制每个属性的取值范围。 4车控电子产品的开发流程 车控电子产品是软硬件结合的嵌入式系统。为了节约资源,缩短产品开发周期,一般应采取软硬件同步开发的方案。车控电子产品的开发工具对软硬件的同步开发、调试提供了很好的支持。车控电子产品的软件开发分为功能描述、软件设计、代码生成、操作系统环境下高级调试等步骤。车控电子产品的硬件开发分为硬件描述、硬件设计、硬件调试等步骤。当软件设计完成后,通过使用相应的工具,完成在虚拟ECU平台上的验证。当硬件设计完成后,与硬件一起进行软硬件集成调试。通过这种开发方式,缩短了产品上市的时间。 软硬件并行的开发方案 5车控电子产品软件开发流程 汽车车控电子产品软件开发流程是“V”形开发流程。“V”形开发流程分为五个阶段,即功能设计、原型仿真、代码生成、硬件在回路仿真HIL、标定。 在功能设计阶段使用的主要工具是MATLAB。通过使用MATLAB提供的Simulink、Stateflow等工具,完成控制方案的设计、功能模块的设计、控制算法的设计等任务,并进行初步的仿真模拟工作。在原型仿真阶段使用的主要工具是dSPACE。使用dSPACE提供的快速控制原型RCP工具完成离线的仿真工作。在开始该阶段之前,需要使用Real Time Workshop、Targetlink等工具完成由Simulink、Stateflow等产生的代码向标准 C代码的转换工作。 6车控电子产品代码生成过程 在进行向标准 C代码的转换的过程中,可以根据需要加入符合OSEK规范的嵌入式实时操作系统。在代码生产阶段使用的主要工具是CodeWarrior。通过使用CodeWarrior提供的编译器、调试器等工具,完成从标准C代码向目标硬件平台上的产品代码的转换工作。下图表示了车控电子产品的代码生成过程。 7.汽车电子系统划分 汽车电子产品可分为两大类：1. 汽车电子控制装置,包括动力总成控制、底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统。2. 车载汽车电子装置,包括汽车信息系统(车载电脑)、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络等。汽车电子系统的划分如下图所示。SoC系统的发展趋势汽车嵌入式SoC系统具有卓越的性能,作为汽车嵌入式系统的主要发展方向，今后汽车嵌入式SoC系统将呈现出以下几个发展趋势: (1)汽车嵌入式SoC系统将会向FPGA/CPLD(在线可编程门阵列)方向发展,系统由分布式可编程互连逻辑单元构成,单元之间可以交换信息,大量运算由硬件直接完成,体系结构更加灵活,集成度更高; (2)在系统开发上遵循通用的汽车电子系统开放平台和统一的标准。为了提高软硬件通用性,加快开发速度,降低成本,SoC系统迫切需要构建统一的标准与开发平台,欧洲颁布的基于OSEK/VDX标准的MODISTARC规范将是汽车嵌入式系统开发平台的发展趋势; (3)随着汽车局域网技术和智能交通技术的发展,嵌入式SoC系统将会形成以C级或D级网络为基础的整车分布式控制系统和以无线通信为基础的远程高频网络通信系统; (4)嵌入式SoC系统的应用范围将逐步从高档车和进口车扩展到低档车和国产车。汽车嵌入式系统近年来发展非常迅速,随着后PC时代的来临,基于网络通信和实时多任务并行处理的嵌入式高端应用将会越来越广泛。汽车嵌入式SoC系统在硬件上采用32位或64位高性能处理器,在软件上嵌入了实时操作系统,具有功能多样、集成度高、通信网络化、开发快捷及成本低廉的特点,在汽车电子控制和车载网络通信系统方面有着广泛的应用,是未来汽车电子的最佳解决方案。 在SoC技术的推动下，汽车电子向网络化、智能化、舒适化等高端应用发展的趋势日渐明显，汽车电子控制系统功能持续扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信日趋频繁、与外界互联互通成为汽车电子技术的发展主流。嵌入式系统在汽车控制系统、通信系统、导航系统、安全系统以及娱乐系统中均可得到有效应用，可以满足其强实时性、高可靠性、可维护性等需求，为整车及零部件开发提供统一的架构，充分体现了其构件化、标准化、集成化、可重用等发展趋势。嵌入式基础软件作为汽车电子的核心技术，极具基础地位和战略意义。本文所讨论的嵌入式系统在汽车电子方面的应用只是嵌入式系统应用的冰山一角。由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，在不远的将来，嵌入式系统将在工业控制、智能交通、消费电子以及智能家庭等各领域得到更广泛的应用，全面走入我们的生活。而我国信息化与