汽車電子中嵌入式開發平臺與輔助工具的結合分析北京科銀京成技術 --系統部 丘允陽11/26/20231提綱世界著名汽車生產廠商及其代表產品國內主要汽車生產廠商簡介應用背景技術背景國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析汽車電子開發和測試綜合工具平臺汽車電子開發的硬件平臺實例分析11/26/20232世界著名汽車生產廠商及其代表產品11/26/20233世界著名汽車生產廠商及其代表產品通用(美國)通用汽車公司是世界上最大的汽車公司，它是由威廉杜蘭特于1908年9月在別克汽車公司的根底上開展起來的，成立于美國的汽車城底特律。現總部仍設在底特律。目前擁有通用悍馬、旁蒂克、別克、雪佛蘭、凱迪拉克、鈴木、歐寶、紳寶、富士、重工、土星、奧茲莫比爾等品牌。11/26/20234世界著名汽車生產廠商及其代表產品通用悍馬11/26/20235世界著名汽車生產廠商及其代表產品別克11/26/20236世界著名汽車生產廠商及其代表產品福特(美國)

福特汽車公司創立于1903年，福特汽車公司旗下擁有的汽車品牌有福特(Ford)、林肯(Lincoln)、水星(Mercury)、阿斯頓·馬丁(AstonMartin)、美洲豹(Jaguar)、馬自達(Mazda)、沃爾沃(Volvo)和陸虎(LandRover)。此外，還擁有世界最大的汽車信貸企業-福特信貸(FordFinancial)、全球最大的汽車租賃公司-赫茲(Hertz)及汽車維修公司-Kwik-Fit。11/26/20237世界著名汽車生產廠商及其代表產品福特11/26/20238世界著名汽車生產廠商及其代表產品林肯11/26/20239世界著名汽車生產廠商及其代表產品戴姆勒-克萊斯勒目前擁有奔馳、克來斯勒、JEEP、三菱、邁馬赫等品牌。奔馳11/26/202310世界著名汽車生產廠商及其代表產品克來斯勒11/26/202311世界著名汽車生產廠商及其代表產品群眾〔德國〕世界十大汽車公司之一，創立于1938年德國的沃爾斯堡，創始人是世界著名的汽車設計大師波爾舍。目前擁有群眾、奧迪、本特利、斯柯達、蘭伯基尼布加蒂等品牌。11/26/202312世界著名汽車生產廠商及其代表產品群眾11/26/202313世界著名汽車生產廠商及其代表產品奧迪11/26/202314世界著名汽車生產廠商及其代表產品標致〔法國〕標致汽車公司是世界十大汽車公司之一，法國最大的汽車集團公司。創立于1890年，創始人是阿爾芒·標致。目前擁有標致、雪鐵龍等品牌。11/26/202315世界著名汽車生產廠商及其代表產品標致

11/26/202316世界著名汽車生產廠商及其代表產品寶馬〔德國〕寶馬是著名世界的汽車企業，也被認為是高檔汽車生產業的先導。寶馬公司創立于1916年，總部設在幕尼黑。目前擁有寶馬、勞斯萊斯、MINI等品牌11/26/202317世界著名汽車生產廠商及其代表產品寶馬11/26/202318世界著名汽車生產廠商及其代表產品勞斯萊斯11/26/202319國內主要汽車生產廠商11/26/202320國內主要汽車生產廠商中國一汽中國一汽是國內汽車行業最大的企業集團，目前擁有“解放〞牌卡車、“紅旗〞牌轎車兩大民族品牌，與德國群眾公司合資生產“奧迪〞、“捷達〞(包括“寶來〞)兩個轎車系列品牌。11/26/202321國內主要汽車生產廠商“解放〞牌卡車11/26/202322國內主要汽車生產廠商“紅旗〞牌轎車111/26/202323國內主要汽車生產廠商“紅旗〞牌轎車211/26/202324汽車電子應用背景11/26/202325汽車電子應用背景三輪車+1輪=4輪車?11/26/202326汽車電子應用背景隨著汽車工業與電子工業的不斷開展……11/26/202327汽車電子應用背景11/26/202328汽車電子應用背景11/26/202329汽車電子應用背景11/26/202330汽車電子應用背景汽車電子化是現代汽車開展的重要標志之一。未來汽車市場的競爭是汽車電子化的競爭。汽車電子產品可以分為兩類:一類是車載汽車電子裝置，例如汽車信息系統(車載電腦)、導航系統、汽車視聽娛樂系統、車載通信系統、車載網絡等，它們和汽車本身的性能無直接關系，屬于汽車的附加值局部;另一類是汽車電子控制系統，例如電子燃油噴射系統、制動防抱死控制(ABS)系統、底盤和車身電子控制、舒適和防盜系統等，它們直接影響著汽車的性能。11/26/202331汽車電子應用背景汽車電子各分系統的構成示意圖11/26/202332汽車電子應用背景就車載汽車電子裝置而言，目前國內有較好的開發根底，今后關鍵是要進一步形成經濟規模來降低本錢，以提高在全球市場的競爭力。而汽車電子控制系統具有投資較大、開發周期長、技術難度大等特點，雖然中國己有一些企業從事技術研發，但還沒有形成產業化，因此這一行業還沒有開展起來。特別是如今市場上面對的都是國外實力強大的跨國汽車電子公司，加上國內電子行業對汽車電子控制系統所知不多，先天缺乏加上后天“營養〞缺乏，這些都會影響國內汽車電子產業化進程。11/26/202333汽車電子應用背景車用控制軟件面臨的挑戰隨著車載控制系統日益先進和復雜化，軟件開發工程師所面臨的工作量和壓力也越來越大。汽車電子系統設計復雜化和單個企業“垂直綜合型〞開發模式造成了可靠性隱患，從而導致汽車因平安隱患被“招回〞的現象頻繁發生。隨著大量的嵌入式產品涌向市場，汽車產品開發商將面臨著劇烈的市場競爭。誰能在最短的時間內推出高質量的產品，誰就能搶占先機。縮短開發周期，提高開發效率，成為汽車產品開發商重點關注的問題。11/26/202334汽車電子應用背景上述問題歸結到一點，就是車用控制軟件缺乏重用性和兼容性。為了標準不同供給商之間汽車電子產品和元器件的互通性，實現車控軟件的接口標準化，業界于1993年提出了OSEK/VDX體系，它的開放式體系結構提供了標準化接口。11/26/202335技術背景

技術背景嵌入式實時操作系統技術、OSEK標準、嵌入式軟件集成開發環境設計技術，是實現標準化的車用控制軟件和開發平臺的必要根底。目前就國內來講，各方面的技術積累都比較薄弱。11/26/202336技術背景嵌入式實時操作系統實時操作系統(RTOS)是嵌入式應用軟件的根底和開發平臺。在中國市場上，嵌入式操作系統又可分為兩大類型:一類是自主版權的操作系統，另一類是基于Linux的操作系統。自主版權的操作系統方面，國內有DeltaOS操作系統、女蝸Hopen操作系統和桑夏2000操作系統等。11/26/202337技術背景DeltaOS操作系統它主要包括:內核DeltaCORE、嵌入式TCP/IP協議支持DeltaNET、嵌入式文件系統DeltaFILE、嵌入式圖形接口DeltaGuI。

DeltaOS支持ARM7、strongARM、PPC8xx、X86、PPC4XX、MIPS等多種嵌入式微處理器，可應用于消費電子產品、通信產品、工業控制及軍用電子產品中。11/26/202338技術背景OSEK/VDX標準1993年德國汽車工業界聯合推出了汽車電子的開放式系統及接口—OSEK(OpenSystemsandtheCorres-pondingInterfacesForAutomotiveElectronics)標準，旨在為汽車上的分布控制單元提供一個開放結構的工業標準。1994年法國汽車工業界的相似標準VDX(VehicleDistributedeXecutive)和OSEK標準合并，從而形成OSEK/VDX標準體系。OSEK標準從實時操作系統(RealTimeOperatingSystem,RTOS)、軟件接口、通訊和網絡管理等方面對汽車電子控制軟件開發平臺作了較為全面的定義與規定。11/26/202339技術背景OSEK/VDX具體包含的效勞有任務管理(TaskManagement)、調度(Scheduler)、ISR管理(ISRManagement)、資源管理(ResourceManagement)、計數器(Counter)、事件(Events)、報警(Alarms)、通訊(Communication)、錯誤處理(ErrorHanding)、鉤子例程(HookRoutings)。OSEK/VDX所包含的效勞11/26/202340技術背景符合OSEK/VDX協議的操作系統在汽車控制系統嵌人式產品開發方面，國外做得比較成功的有美國的Metrowerks公司開發的OSEKturboOS，美國WindRiver公司開發的MotoWorks，德國Vector公司開發的OsCAN等。國內,北京西曼自動化技術與清華大學計算機系智能技術與系統國家重點實驗室合作，也自主研制出了符合OSEK標準的產品PowerOSEK實時操作系統，浙江大學嵌入式系統研究中心也自主開發了SmartOSEK系統。11/26/202341技術背景OSEKturboOSMetrowerksOSEKturboOS是一個小型、快速、可靠、可擴展的實時操作系統，提供了一套RTOS效勞來開發嵌入式應用程序，為實時應用程序提供快速背景切換時間。該操作系統占用極小RAM和ROM空間。它支持8,16,32位微處理器，它的設計主要是為了滿足性能的需求，同時在穩定性和軟件品質(按CMM五級標準研制)方面在業界享有極高的聲譽，是目前市場上實現OSEK標準使用最為廣泛的實時操作系統之一。OSEKturbo在性能、代碼尺寸和穩定性方面也都具有很強的商業竟爭力。公司網站://。11/26/202342技術背景OsCANOsCAN是一個多任務操作系統，在微控制器上的使用有著最優性能。基于VectorInformatik公司在微控制器操作系統和驅動程序上的多年經驗，OsCAN的出現代表了更小、穩定的操作系統內核。OsCAN是一個靜態操作系統，小而快，是完全搶占式操作系統，提供控制優先級的任務管理和不同的同步機制，支持基于時間和基于事件的體系。在中斷效勞程序里也可使用系統效勞。公司網站。11/26/202343技術背景MotoWorksMotoWorks提供了模塊性、性能和靈活性的獨特的結合。其高度模塊化的體系令用戶可定制應用程序所使用的OS效勞，優化存儲器使用率。對特定對象，如任務，可根據不同OSEK/VDX類進行裁剪，令RAM，ROM需求到達最小。調度策略以任務和資源的優先級排列，用戶可在其中選擇，配合以事件和中斷處理程序的適當使用，來優化應用程序速度。公司網站://。11/26/202344技術背景PowerOSEKPowerOSEK是由北京西曼自動化技術與清華大學計算機系智能技術與系統國家重點實驗室合作，自主研制出了符合OSEK標準的實時操作系統。PowerOSEK具有實時性、高度模塊化和靈活配置能力、標準化界面、可擴展性。它同時為系統提供進程管理、資源管理、計數器與報警效勞、事件機制、中斷管理、鉤子例程、錯誤處理等功能處理的效勞。廣泛適用于汽車電子動力系統、底盤一體化等系統嵌人式產品的應用開發。公司網站:///。11/26/202345技術背景基于OSEK應用的一般開發流程

11/26/202346技術背景SmartOSEKSmartOSEK是研究中心自主產權的符合汽車電子控制與通訊OSEK標準的、超微型實時平安的SMART/AUTOOS，它提供了面向汽車電子的嵌入式動力總成控制應用的根底與專用編程接口，是汽車電子控制與通訊超微型實時平安的嵌入式操作系統。其層次結構如右圖：層次結構圖

11/26/202347國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析11/26/202348國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析環保-電動汽車目前電動汽車主要有純電動、混合動力和燃料電池三個研發方向。純電動汽車從上世紀70年代開始研究開展，但電池壽命還是最致命的弱點。目前，混合動力電動汽車已商業化，燃料電池電動汽車產業化研制將很快完成，成為電動車的主導。近年來，中國在電動汽車整車設計、驅動系統、電池管理系統，尤其是鋰離子電池、燃料電池等高性能動力電池的研制方面取得重大進展，在某些方面已處于世界領先水平。我國電動汽車研發水平幾乎與興旺國家站在同一起跑線上，最大差距不超過5年。11/26/202349國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析平安對于汽車平安性的關注不僅僅是為了司機和乘客，還有道路上的其他人。主要包括：1〕被動平安--平安氣囊等2〕主動平安---ABS/ESP等3〕輪胎氣壓監測系統〔TPMS〕11/26/202350國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析11/26/202351國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析11/26/202352國內外汽車電子技術開展現狀和趨勢分析導航與通訊

GPS導航、GPS車輛跟蹤、電子地圖、移動目標監控等11/26/202353汽車電子開發和測試綜合工具平臺11/26/202354汽車電子開發和測試綜合工具平臺dSPACE介紹dSPACE實時仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點。dSPACE硬件系統中的處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據需要進行組合；軟件環境的功能強大且使用方便，包括實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經成為進行快速控制原型驗證和半實物仿真的首選實時平臺。11/26/202355汽車電子開發和測試綜合工具平臺

它有以下幾個主要模塊：Real-TimeInterface(RTI)-實時接口軟件工具ControlDesk－測試和實驗軟件工具Mlib/Mtrace－實現自動試驗及參數調整MotionDesk－三維圖形顯示工具TargetLink—產品級代碼生成軟件11/26/202356汽車電子開發和測試綜合工具平臺傳統開發流程

汽車電子系統的傳統開發流程圖

11/26/202357汽車電子開發和測試綜合工具平臺現代開發流程

汽車電子系統的現代開發流程圖

11/26/202358汽車電子開發和測試綜合工具平臺功能設計和離線仿真

利用計算機軟件建立可在計算機中運行的算法框圖與狀態流程圖,來描述汽車電子系統的需求和設計。利用輔助軟件的仿真和分析功能,對整個設計進行離線仿真和分析,可以確定設計的可行性和參數的大致范圍。在汽車電子行業，這個階段主流的工具平臺是美國Mathworks公司的Matlab軟件。Matlab軟件和其中的Simulink、Stateflow模塊以及大量的控制算法和信號處理工具箱，提供了一個完整的汽車電子系統級設計環境。11/26/202359汽車電子開發和測試綜合工具平臺

很多特定專業領域的仿真軟件以及軟硬件廠商都提供了和Matlab軟件的接口，并在其中建立了大量的模型。如德國的Tesis公司提供了MATLAB/Simulink環境下利用框圖形式搭建的模型，并可生成代碼支持實時仿真。其模型分為車輛動力學仿真模型ve-DYNA和全參數發動機動力學模型en-DYNA。美國Argorme國家實驗室和可再生能源實驗室更是在Matlab和Simulink環境下開發了完整的電動汽車仿真軟件PSAT和ADVISOR。實時仿真工具除了MATLAB/Simulink外,NI公司的MATRIXx/SystemBuild也是常用的工具之一。返回11/26/202360汽車電子開發和測試綜合工具平臺快速控制原型〔RCP〕快速控制原型(RCP,RapidControlPrototyping),是指在開發的初期階段,快速地建立控制對象和控制器模型,并對整個控制系統進行屢次離線及在線的測試來驗證控制系統軟硬件方案的可行性。11/26/202361汽車電子開發和測試綜合工具平臺

dSPACE提供了了一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發及半實物及仿真的軟硬件工作平臺,實現了和Matlab/Simulink/Stateflow環境的無縫連接。在Matlab/Simulink/Stateflow設計的控制算法，用戶只要按一個按鈕就可以直接下載到dSPACE的硬件系統中實時運行。dSPACE提供的通用硬件包含各種形式的處理器板和I/O接口，可以隨意組合擴充。11/26/202362汽車電子開發和測試綜合工具平臺產品代碼生成和硬件制作

汽車電子開發過程中關鍵的一步是把RCP工具形成的代碼移植成高效的產品代碼并轉移到目標芯片上。dSPACE公司的軟件Targetlink可以直接從MATLAB/Simulink/Stateflow模型，針對特定芯片廠商的硬件，編譯生成優化代碼，并可靠準確地將浮點轉換為定點。生成的代碼可靠性高，易讀性好，適應多種微處理器和編譯器。

在現階段，硬件板卡的驅動還是傾向于手工編寫。產品ECU的硬件制作已經模式化，有大量的EDA工具和生產廠商支持。11/26/202363汽車電子開發和測試綜合工具平臺11/26/202364汽車電子開發和測試綜合工具平臺11/26/202365汽車電子開發和測試綜合工具平臺硬件在回路仿真〔HIL〕所謂硬件在回路仿真〔HIL〕，就是在ECU出品前，對于ECU的被控對象或者汽車的運行環境，一局部采用實時數字模型來模擬，一局部采用實際的物體，連接真實的ECU，進行整個系統的仿真測試。用計算機輔助工具對控制對象和環境進行實時仿真，可以進行各種條件下的測試，特別是故障和極限條件下的測試。dSPACE公司自身的軟硬件結合Tesis的模型，就可以實現硬件在回路仿真的功能。11/26/202366汽車電子開發和測試綜合工具平臺TESISDYNAware為用戶提供一種具有實時能力的“虛擬車輛〞，由高精度的車輛動力學模型〔ve－DYNA〕(包括路面和駕駛模型)、發動機動力學模型〔en-DYNA〕以及液壓制動系統模型〔DYNAtoolsBrakeHydraulics〕。11/26/202367汽車電子開發和測試綜合工具平臺

實際上針對硬件在回路仿真，dSPACE專門出產實時仿真機，dSPACE已經是世界上最大的實時仿真機廠商。dSPACE的仿真機廣泛用于世界各大汽車廠。11/26/202368汽車電子開發和測試綜合工具平臺參數標定和測試

ECU安裝在特定車型上時需要對控制參數進行修改，以匹配車型的變化，此階段是參數標定階段。標定工作在過去被看作是獨立的階段，由獨立部門來完成。但在現代的開發流程中，在設計的早期與硬件在回路仿真階段就可以對參數進行初步標定，從而減少后期的標定工作。Vector公司提供了CANape工具。它可以利用CCP(CANCalibrationProtocol)對控制器的參數進行在線的調整和標定,便紛繁復雜的標定工作變的輕而易舉。dSPACE公司提供了CalDesk工具，可以實現參數的可視化管理,通過參數文件對實時試驗進行批參數修改,研究不同參數、參數組對試驗的影響。這些自動化標定工具和前面提到的開發工具在同一環境下使用,可以提高參數的優化水平。11/26/202369汽車電子開發和測試綜合工具平臺汽車電子其它開發工具的應用汽車ECU網絡的開發汽車ECU網絡多采用CAN串行總線通信協議(ControllerAreaNetwork)。汽車CAN網絡的開發包括兩個局部，一是具體的實現，另外是系統設計。具體實現是指具體的硬件和軟件的實現，相比具體實現而言，更重要的是系統的設計，主要涉及通信協議、網絡規劃的內容。系統設計的主要應用工具是德國Vector公司的系列工具。這些工具已經被認為是汽車行業開發和測試CAN網絡的標準工具。11/26/202370汽車電子開發和測試綜合工具平臺儀外表板原型和嵌入式圖形代碼生成使用AltiaDesign，產品工程師可以很快很容易的設計用戶的界面，整個過程不必編寫代碼也不必制造設備，就可以構造儀外表板的虛擬原型。如果儀表產品的界面是用LCD實現，用戶可以很簡單的用AltiaDesign工具創立他們的圖形界面，然后運行AltiaDeepScreen軟件，就可以根據硬件系統自動的生成完整的嵌入式圖形代碼。此外，Altia和Matlab有完整的接口，既支持原型階段的聯合仿真，又支持代碼生成時的集成。11/26/202371汽車電子開發的硬件平臺11/26/202372汽車電子開發的硬件平臺微控制器8/16位MCU產品主要用于車身電子、ABS、儀表和平安氣囊等方面。目前中國用戶采用32位MCU進行開發的還不多，主要集中在一些科研工程上。摩托羅拉32位MCU采用了兩種不同內核的開展策略，一種基于PowerPC內核，稱作MPC，這類產品主要用在發動機管理、動力總成和駕駛員信息系統(DIS)；另一類采用ARM7和ARM9內核，稱作MAC，主要用于平安氣囊、車身電子和ABS等。11/26/202373汽車電子開發的硬件平臺11/26/202374汽車電子開發的硬件平臺國內外MPC555應用開發板情況比較11/26/202375汽車電子開發的硬件平臺總線在汽車電子系統中，主要存在著幾種網絡協議，包括CAN、LIN、Flexray和Byteflight、DB2和MOST，另外還有藍牙。LIN主要應用低速〔<20Kb/s〕的車身控制環境；低速CAN多用于事件驅動的控制環境(125Kb/s)，高速CAN〔>500Kb/s〕，Flexray和Byteflight主要應用于時間驅動的同步高速控制環境，而D2B和MOST主要應用于汽車娛樂〔圖象和語音〕的傳輸和控制。11/26/202376汽車電子開發的硬件平臺就車身控制而言，主要的應用