现代汽车电子技术

1、 现代汽车电子技术作业 关于AUTOSAR的发展前景 信息学院 自动化1302班 张银辉 20134083 AUTOSAR的发展前景摘要 汽车工业发展至今，现代汽车在娱乐性、安全性和环保节能等方面的要求不断提高，产业竞争日趋激烈，汽车电子产品的质量和开发速度面临更高的要求。AUTOSAR标准是全球汽车厂商积极应对电控系统复杂性的主要成果之一，其倡导在汽车电子工程中使用多层抽象和标准接口，促进软件开发独立于硬件平台。系统配置是AUTOSAR方法论中的重要步骤，定义系统中的硬件拓扑和网络通讯，并通过系统映射完成软硬件的关联。本文主要介绍了针对AUTOSAR系统配置工具一系列关键技术问题的研究成果，

2、主要内容包括：(一)通过对汽车电子领域软件模型、AUTOSAR汽车电子开发标准和实际需求的对比分析研究，改进了SmartSAR Studio和系统配置工具SmartSAR SYSC的架构设计，基于领域驱动设计思想建立了统一模型和独立的领域抽象层次，并以此为核心完成了整个软件系统的搭建和拓展。(二)五个重要应用模块关键技术的突破和实现。其中Smart SYSC建模环境是针对AUToSAR模型进行改进整合形成的硬件拓扑和网络通信集成开发环境；网络模型转化模块建立了CAN、LIN、AUTOSAR和Smart SYSC等多种网络模型的转化流程，实现了原有系统的自动高效转化；网络通信自动生成模块通过分析

3、软件组件通信需求，自动建立数据到信号的映射和多层网络通信格式：信息抽取模块提出了针对单个电控单元快速有效的系统信息提取方法并通过实验验证了其性能；通信矩阵分析模块提取并建立整个系统的通信矩阵，呈现给用户更为清晰的通信网络并完成辅助分析。(三)系统配置工具的应用实例：车身控制系统，并与其他工具配合完成了AUTOSAR完整应用流程。1.汽车电子产业概述 汽车电子系统是指应用于汽车中的分布式电子系统，平均每辆汽车在30个不同功能的电子系统中集成70至100个电控单元(ECU，Electronic Control Unit)121，这些电子系统包括发动机控制、传动系控制、车身电子、安全、娱乐和防盗系统

4、等。 在竞争日趋激烈的汽车市场，汽车电子已经成为主要差异化标准之一和汽车功能创新的驱动力。汽车产业70的创新来源于汽车电子。2010年市场中电器和电子元件产品占汽车总成本的40，全年汽车电子市场规模达21982亿元，预计2012年将快速超过3200亿元131。 充满活力的市场带来了对产品质量和研发速度的迫切需求，计算机辅助设计工具逐渐成为汽车电子企业改进开发方法、提高核心竞争力的必备技术措施，被广泛应用于需求分析、产品设计、系统调试、模拟仿真和维护等各个环节，取得了良好的效果。2.中国汽车电子发展状况 近几年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展和汽车电子市场的快速兴起，作为信息化与工业化融合的重要方

5、向之一，连接着电子信息产业和汽车工业两大浙江大学硕士学位论义 第1章绪论重要领域的汽车电子产业在改善汽车性能、丰富驾乘体验的同时，也取得了长足发展。 然而繁华背后存在隐忧，国外汽车电子巨头己全面进入中国并积极布局，在核心技术领域几乎形成垄断。本土企业的技术力量面临着被边缘化的窘境。在发动机管理系统、汽车电喷系统、ABS、微电机、安全气囊等重要核心零部件供应中，外资企业所占市场份额分别达到100、l 00、91、97和69I5。国际汽车电子巨头的联合，正在对中国汽车电子市场形成巨大的垄断冲击。为突破汽车电子领域核心技术，国内厂商正在深入进行技术钻研和加强“产、学、研、用”各方面的深层次交流与合作

6、。然而由于在整车制造，核心技术和品牌等方面均存在短板，中国汽车电子的新一轮发展面临国际标准不熟、产业链松散、人才缺乏等巨大挑战。在此背景下，能够帮助简化开发流程、加强行业整合的汽车电子辅助开发工具成为应对这些挑战的有力手段。 浙江大学嵌入式系统工程中心自2004年起开始关注AUTOSAR标准，本研究是国家核高基重大专项“汽车电子虚拟服务总线及其模型设计工具"的组成部分。项目主要目标为结合汽车电子软件网络化、标准化的趋势，制定与国际汽车电子开放体系架构标准(AUTOSAR61，OSEK7l等)兼容的自主汽车电子基 3.AUTOSAR Builder工具系列 AUTOSAR Builde

7、r是面向AUTOSAR标准的工具链，由Geensofi研发，包括设计和功能工具套件，以帮助用户在完成与AUSTOSAR相关的日常工作时更有效率：AUTOSAR Authoring工具(AAT)是一个支持图形化设计软件组件，车载电子系统，系统拓扑和通信矩阵的创作工具。它也支持从AR 20转换到AR 21，AR 31至30之间的转换工具。 SCVT提供了验证工具，它可以静态检查其AUTOSAR xml描述，或者一个软件组件与其RTE的相关性。SCVT除了支持MISRA验证之外，也支持用户自定义规则的验证。然而缺乏动态的建模时验证系统使得整个工具的可用性大大降低。 ART可以完全自动化的重定Matl

8、ab Simulink RTW代码到AR代码。RTEG是一个开放的，优化的RTE Generator。作为独立的代码生成工具，它既可以实现SWC implementation，也可以将客户的应用放到ECU上。 AUToSAR Builder作为上市时间较短的AUToSAR工具链，最新版本为201 O-2aIII，在产品功能上还有许多不够完善的方面，如模拟器不支持网络层，模环境验证支持不足，原有系统转化支持薄弱等，且工具链划分过于零散，缺少工具开发的集成环境。同时由于其直接使用Artop作为基础，其模型结构较为复杂，难以为国内厂商接受。4.AUTOSAR标准 AUTOSAR(AUTomotive

9、 Open System Architecture)是开放标准化汽车软件架构的简称，是全球汽车行业主要原始设备制造商、供应商及工具和软件服务商的开发合作联盟，致力于创造和建设开放标准的车用软件的基础架构，接口和应用管理方法。5.AUTOSAR概述 不断加速的升级步伐促使汽车制造商和零件供应商更加积极地拓展业务和扩大合作平台，以改变传统产业链各自为战的境况。AUTOSAR由宝马、博世等汽车厂商于2003年正式提出，并于2004年启动了主要的工作，标准组织成立于2006年，2008年4月颁布标准30版本，目前汇聚了行业内众多大型企业共同参与，包括核心成员，高级成员，联合成员等计100余家。其主要目

10、标为汽车电子系统进一步提高性能、安全性和环保铺平道路。形成强大的全球联盟以实现“在标准中合作，在实现中竞争”的理念。为管理日趋增长的电控系统复杂性提供关键技术，为实现低成本高质量的未来技术做好准备。帮助提升覆盖车辆生命周期的软件升级和交流。 为了实现以上目标，AUToSAR以标准文档的方式规定了一系列用于规范开发平台和技术的内容。AUTOSAR标准使用基于组件的软件设计模式来设计汽车电子系统。这些应用软件模块通过虚拟功能总线相连。应用软件组件是应用软件的最小功能单元，每个软件系统由多个软件组件嵌套包含而成1201。AUTOSAR制订了用于软件组件通信的接口格式。虚拟功能总线用于不同软件组件的信

11、息交换，代表了所有硬件及系统服务。这使得用户可以专注于应用开发而非不同架构间的区别。所有软件组件只需处理与功能总线间的信息交互，虚拟功能总线会处理信息的传递和目标路由，即经由某一软件组件的输出端口到达另一组件的输入端口的具体通信管理。输入和输出端口之间需要兼容的通信接口。AUTOSAR使用分层软件架构来解耦软件和硬件的实现依赖。 研究批件层不提供任何应用逻辑，而只用于为上层提供包括硬件相关和硬件无关的各项服务。该层的存在使得上层软件摆脱了对硬件的直接依赖。运行时环境处理应用软件组件的信息交换并完成软硬件的连接。应用层软件由非标准化软件组成，也是实际软件功能所在的层次。分层的软件架构在每个电控单

12、元上运行，设计师在设计软件系统时无需知道其所部署的具体硬件，而由运行时环境来完成通讯及对硬件的使用。6.Eclipse基础平台及拓展 Eclipset281平台以其良好的插件式软件开发和管理模式风靡全球开发市场。其所定义并支持的开放架构允许插件的动态发现、加载和运行时管理，并最大程度上保持了插件间依赖关系的明确和插件开发的独立性。Eclipse内核中提供了平台运行时环境、资源管理和工作台UI等开发包，规范了Eclipse插件对操作 系统资源的管理方式和软件外观风格。时至今日，Eclipse上开发的各种软件插件已经是许多行业内的首选支持产品，成为支撑Eclipse社区不断发展壮大的坚实基础。Ec

13、lipse建模辅助框架(Eclipse Modeling Projects)是Eclipse插件家族中与模型搭建和模型开发相关的软件家族，其着眼于模型开发技术的最新变化。 浙江大学硕士学位论文 第2章研究从础展，并提供一系列完整的建模框架，工具和标准。其主要产品家族包括：抽象语义开发：Eclipse Modeling Framework(EMF)是一种以结构化模型为基础的建模辅助框架和代码生成工具。该系列插件产品以EMF为核心，包括分布式模型管理工具和模型查询、事务封装等辅助功能插件。图形化建模工程：为基于图形的编辑器开发提供通用组件和运行时基础框架，包括Graphical Modeling

14、Framework(GMF)等高级复合框架和Graphiti等轻量级框架。模型开发工具：包括Eclipse商务流程管理套件模型和对象约束语言，工作空间管理和模型序列化、反序列化等用于基于模型开发的重要辅助工具。此外，随着AUTOSAR标准的不断成熟和广泛引用，AUTOSAR的部分参与厂商意识到在其工具开发过程中，许多共通的部分可以合力开发并共享以节约成本，AUTOSAR工具平台Artop(AUTOSAR Tool Platform)应运而生。Artop包含了AUTOSAR各版本标准的元模型实现和在Eclipse平台基础上封装的开发包，为各厂商开发AUTOSAR标准软件产品提供了有效依托。7.A

15、UToSAR解决方案SmartSARAUTOSAR标准组织致力于通过全方位的精确描述来指明分布式嵌入式系统中的软硬件资源，以支持灵活而稳定的工程管理。其规定了各种用于定义AUToSAR相关元素属性集合的标准模板，包含如软件组件、电控单元等数量众多的对象结构。处理规模巨大的元模型和电子系统数据使得专用工具的支持成为能否有效利用AUTOSAR标准的关键因素。SmartSAR Studio是浙江大学嵌入式系统工程中心提出的的AUTOSAR解决方案，包含软件组件设计工具、系统配置工具、ECU配置工具、RTE生成器RTEG和VFB仿真工具VFB Simulator五个工具，支持AUTOSAR方法论中所述

16、的完整建模流程。各工具作用简要概括为：>软件组件设计工具：依照应用逻辑设计硬件无关的软件组件层次结构、内部实现和交互接口，与Matlab Simulinkl311共同工作产生AUTOSAR标准软件组件描述文件和组件实现代码。>系统配置工具：导入软件组件Arxml描述文件，设计应用系统的硬件拓扑和网络通信，并完成软件组件到ECU的映射和数据元素到信号的映射，最后通过ECU抽取完成针对单个电控单元的系统信息抽取。>ECU配置工具：导入系统配置工具的ECU抽取文件，针对当前ECU完成各项硬件相关的参数配置，如操作系统，通信，诊断等模块或服务。>RTE生成器RTEG"

17、根据ECU配置内容生成软件组件通信所用的运行时代码。属于代码生成模块的重要组成部分。>VFB仿真工具VFB Simulator：在系统配置完成后，使用软件在环模拟方法在PC环境下运行所设计的系统，验证并尽早诊断系统设计问题。SmartSAR studio可以对整个建模过程进行实时和批处理模式验证，以便尽早发现和处理系统问题。用于加强团队合作的SVN等同步机制也被支持。某个工具完成特定功能。各个工具之间使用AUTOSAR标准Arxml格式进行信息交换。负责完成AUTOSAR中系统配置相关工作，包括定义系统硬件拓扑结构和不同层次的网络通信格式，即定义系统中使用到的ECU，总线，消息和信号等对

18、象和属性，并通过映射将系统中的软件和硬件资源灵活绑定在一起。此外，系统配置工具还应支持CANLINAUTOSAR描述信息的导入和到AUTOSAR格式的导出。8.AuTosAR模型与其他总线模型的对比分析本节通过深入分析和比较AUTOSAR模型与传统CANLlN网络模型，寻找其各自优势所在，并总结各自应当进行修改的地方。结合321节的描述，当前行业迫切需要一种可以结合AUTOSAR方法论和传统开发流程的解决方案，使得用户可以对AUTOSAR的标准逐渐熟悉，同时无需花费大量人力学习文档和标准。Smart SYSC模型的主要目标为在CANLIN总线建模领域完整替代AUTOSAR标准中的系统配置模型，

19、同时使模型尽量贴近习惯原始CANFLIN模型工程师的使用习惯，以帮助用户避免大规模的变更开发管理方式和团队结构以及由此引发的风险。CAN总线主要模型结构十分简洁明了，如其硬件拓扑部分只使用Node节点表示，这与CAN的保存格式DBC文件中，将网络速率设置为统一值有关，其明显缺点为无法为同一文件中的不同总线设置不同属性。参照业内广为接受的Vector CANoe软件的模型体系116J一个LIN网络通常由一个主节点、一个或多个从节点组成。LIN总线协议的核心特性是使用调度表(schedule table)。进度表有助于保证总线不出现过载的情况，他们同样是保证信号定期传输的核心组件。所有节点都有一个

20、通讯任务，通信任务分为发送任务和接收任务。主节点除此之外还有一个实现主发送任务，进度表保存在主节点中。一个LIN网络上的通讯总是由主发送任务所发起的。一个LIN网络保存在一个LDF文件当中。由以上介绍可知，CAN总线和LIN总线模型均具有清晰简洁的模型结构。尽管在其各自的标准中，CAN和LIN均包括含有数据链路层和物理层等多层结构，但良好的封装使得用户只需配置上层模型的具体属性，从而保持模型概念的简洁性。这也为其广为市场和客户所接受打下了良好基础。然而，每个CAN或LIN的描述文件只能描述一个网络内容。在每个网络中，各硬件节点之间默认均通过同一总线相连，每个硬件节点相互独立，缺乏联系。在描述硬

21、件关联能力上，CAN或LIN均无法描述多网络的连接关系和带有网关的复杂硬件结构，也无法表现ECU上多个通讯端口的情况。AUTOSAR在总体的模型描述能力上做出了大幅增强，然而其代价为在模型复杂度上做出了巨大的牺牲。其支持在同一描述文件中描述整个跨网络的系统结构。多网络系统的支持带来了对硬件拓扑描述能力的需求，即同一AUTOSAR系统中，可能存在多个不同速率的CAN或LIN网络。与此同时，AUTOSAR支持每个ECU上有多个通信端口的设计，并设立分别针对各种通信总线的通信连接器(Communication Connector)来对通信端口进行包装。对于部分通信连接器可能具有的公共属性，又增设了通

22、信控制器(Communication Controller)，借助引用同一通信控制器来允许方便的进行统一修改。针对具体的通信协议，又有具体的实现类如CAN通信控制器，LIN通信控制器等拓展通信控制器抽象类，集成了各自网络的独有属性IMJ。在通信信道描述方面上，传统的CAN，LIN描述中只描述当前网络的同一属性，而AUTOSAR需要描述某个网络会连接哪些硬件通信节点，以及每个网络包含几个信道。AUTOSAR建立了独立通信簇(Communication Cluster)和物理通道(Physical Channel)概念，物理通道是一些通信属性的集合并可以被通信簇所引用。通信连接器引用物理通道表示硬

23、件节点到网络的连接。每个通信簇可能会包含一个或多个物理通道。对于CAN和LIN网络，包含且只可能包含一个，因此对于CANLIN网络建模而言，通信簇和物理通道的概念可以统一。在网络信号描述方面，AUTOSAR使用来自Fibex的Frame，Pdu，Signal三层模型，并增加了ISignal模型以支持多播(Fanout)。然而在系统配置阶段，有关于Pdu的许多路由和时间方面的要求无法与具体的硬件关联，均需要在和具体的通信服务绑定后进行详细设置，往往需要在ECU配置中进行重新制定。此外，AUTOSAR在物理通道中允许针对Frame，Pdu和Signal添加不同的Triggering，每个Trigg

24、ering可能关联一个或多个通信连接器中包含的通信端口，以此建立硬件拓扑和网络通信的关联。该种设计允许用户针对不同粒度的网络内容进行响应，然而此处复杂的配置也使得即使建立简单的系统也需要进行多个层次的复杂配置。而且，由于Triggering这一中间概念的存在，使得任一端口对象无法快速获得其收发哪些具体消息或信号，同时也无法根据Message索引快速查询数据信号流向。AUTOSAR特征优点主要包括模型完整，兼容众多总线标准，各部分耦合度较低，然而其为了兼容性所设计的复杂模型结构中存在大量转换器类和连接类，大大增加了配置的复杂性和难度。而且由于AUTOSAR标准诞生不久，工业应用尚未起步，一般工程

25、师没有使用经验。在现有情况下其主要缺点为：>结构复杂，模型自成体系，解耦性高而简洁性差：>开发方式复杂，需对现有开发体系做出大规模调整；>文档庞杂，学习曲线陡峭；>尚未成熟，部分标准存在前后矛盾，冗余配置；>供应商缺乏使用及协调经验，缺乏完整的原有系统的转化方法；通过以上分析，Smart SYSC的设计目标可以总结为：>对AUTOSAR模型中前后矛盾，冗余配置的地方进行修正，>精简AUTOSAR模型结构，在保证完整领域描述能力的基础上去掉冗余类结构。>完整覆盖CANLIN标准，兼顾传统模型，以充分利用行业已有基础。>对模型进行重新包装和整理

26、，加强与实际硬件直观联系。>支持以AUTOSAR格式导出，以利用AUTOSAR方法论其他步骤。总结展望本文深入分析了汽车电子领域软件模型和AUTOSAR汽车电子开发标准，结合产业实际需求，对汽车电子软件系统配置过程中几个关键技术进行了深入研究，主要工作有：1)AUTOSAR标准和汽车电子软件系统配置方法研究。本文研究了AUToSAR3x和部分AUTOSAR40标准，并综合比较了其与汽车电子行业现有开发技术的优势和不足，在此基础上总结问题并提出了系统模型、配置流程和具体实施算法方面系统性的自主改进意见。2)SmartSAR Studio和系统配置工具SmartSAR SYSC架构设计。本研

27、究深入实践领域驱动开发方法，与众多一线厂商的工程师和专家共同分析实际需求，建立了统一模型语言和独立的领域抽象层次，并以此为核心完成整个软件系统的搭建和拓展，降低了系统开发的复杂性并积累了相关经验。3)五大应用模块的设计和实现。本文设计并实现了Smart SYSC建模环境、网络模型转化模块、网络通信自动生成模块、信息抽取模块和通信矩阵分析模块。其中Smart SYSC建模环境是针对AUTOSAR模型进行改进和整合形成的硬件拓扑和网络通信集成开发环境。网络模型转化模块完成自动化的原有系统转化集成，实现CANLINSmart SYSCAUTOSAR多种模型的转化流程。网络通信自动生成模块根据系统组件和映射信息完成各层网络通信模型的建立，加速了开发流程；信息抽取模块完成高效的针对单个电控单元的系统信息抽取，相关实验证明了其性能的稳定性；通信矩阵分析模块生成以信号为索引的系统通信视图并帮助用户分析和检查系统。当前版本仍有几个需要完善的问题。主要是以下几个方面：1)模型库的建立和管理。系统配置建模过程中使用到的硬件元素和网络通信格式可能在其他系统中被重复利用，建立高效可靠的统一模型库将方便这一复用方式