2022/12/131現(xiàn)代汽車電子技術(shù)信號與信息處理研究所丁山第7章汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程車載嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)總是把汽車嵌入式系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)，如ECU(硬件和軟件)、傳感器和執(zhí)行器(硬件)，然后對各子系統(tǒng)進行測試和確認，進而集成一個完整的電子系統(tǒng)。7.1汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程7.1.1傳統(tǒng)的開發(fā)流程

普通采用的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程大多是自發(fā)的，不成系統(tǒng)的。直到臺架實驗，控制器才真正與被控對象結(jié)合；單元調(diào)試階段，軟、硬件的錯誤往往交織在一起；由于軟件采用手工編制的方式，錯誤的排除比較困難；系統(tǒng)仿真階段和實施階段脫離；程序的可讀性、可繼承性、可移植性不夠好。該流程的主要缺點

傳統(tǒng)的ECU開發(fā)過程有以下缺陷；系統(tǒng)設(shè)計的錯誤不易發(fā)現(xiàn)；軟件與硬件協(xié)同調(diào)試困難；排除錯誤花費時間較長；模型實時性差；C程序移植性差。7.1.2V模式開發(fā)流程可視化的V模式中，過程步驟和產(chǎn)品如圖5-30所示，該過程覆蓋了從設(shè)計階段的需求分析、功能設(shè)計與實現(xiàn)到組件、集成的測試再到最后的所有工作。V模式各個模塊的作用；(1).功能設(shè)計(ControlDesign)統(tǒng)一的模型，減少錯誤可能和縮短開發(fā)周期；對系統(tǒng)模型進行快速而可靠驗證；減少開發(fā)成本；對系統(tǒng)測試，發(fā)動機、動力系統(tǒng)的模型能夠在后續(xù)開發(fā)中重復(fù)使用。V模式開發(fā)過程是如圖5-31所示。開發(fā)過程為硬件和軟件同時進行，最后聯(lián)合調(diào)試，如圖5-32所示。(2)功能原型(FunctionPrototyping)對控制原型快速可靠地實時測試以及最優(yōu)化；原型過程中集成了各種汽車總線；完全利用原型替代控制器；自動執(zhí)行驗證Matlab/Simulink中的模型。(3)自動代碼生成(AutomaticProductionCodeGeneration)減少編程時間和手寫代碼錯誤；模型與C代碼相互協(xié)調(diào)；統(tǒng)一的編碼格式；極少的錯誤率。(4)ECU仿真測試(ECUTestingwithSimulator)硬件循環(huán)仿真測試；更少的原型和測試裝置、更低的測試成本；系統(tǒng)全面快速的測試；可靠性高、風(fēng)險低。(5)虛擬標(biāo)定(ECUCalibrationwiththeCalibrationsystem)簡單直觀的操作；利用CAN進行標(biāo)定和參數(shù)檢測。傳統(tǒng)開發(fā)流程和V模式開發(fā)流程的特點比較見表5-1.7.2汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法論汽車ECU開發(fā)過程的基本特征；汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)強調(diào)的是系統(tǒng)級的解決方案；由于系統(tǒng)級的功能往往是在分布式實現(xiàn)；開發(fā)流程較長，因此強調(diào)團隊協(xié)同開發(fā)。系統(tǒng)級別的開發(fā)，強調(diào)和對象的結(jié)合，帶來的技術(shù)實現(xiàn)方法有：基于對象建模；基于模型驅(qū)動的控制軟件開發(fā)；快速控制原型(RCP)硬件在環(huán)(HIL)的仿真。系統(tǒng)功能的分布式實現(xiàn)帶來的技術(shù)實現(xiàn)方法有：總線技術(shù)的發(fā)展；基于總線通信和網(wǎng)絡(luò)管理的嵌入式操作系統(tǒng)的引入；AUTOSAR的提出。

基于團隊協(xié)作開發(fā)帶來的技術(shù)實現(xiàn)方法有：基于模型的系統(tǒng)開發(fā)；代碼自動生成；在線標(biāo)定；在線和離線診斷。汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法論上特點主要體現(xiàn)在以下三個方面：①技術(shù)規(guī)范體系和標(biāo)準的逐步確定。②開發(fā)流程的逐步統(tǒng)一。③開發(fā)理念工具化。

7.3V模式的一般流程V模式一般流程有以下幾部分組成：(1)第一階段：功能需求定義和控制方案設(shè)計.現(xiàn)代方法中采用模型方式，如信號流圖的方式(Simulink模型)(2)第二階段：快速控制原型(RapidControlPrototyping,RCP)，快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型、并且包括實際系統(tǒng)中可能包括的各種I/O、軟件及硬件中斷等實時特性。(3)生產(chǎn)產(chǎn)品代碼。將模型轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品代碼是開發(fā)過程中最關(guān)鍵的一步。(4)第四階段：硬件在環(huán)仿真(Hardware-in-the-Loop,HIL)(5)第五階段：系統(tǒng)集成測試/標(biāo)定

以Matlab結(jié)合dSpaceTargetlink工具箱為例來說明上述的具體開發(fā)步驟：

步驟1：用線性或非線性方程建立控制對象的理論模型；

步驟2：用Matlab工具箱設(shè)計一原始控制方案。這些工具包括ControlSystemToolbox、NonlinearControlToolbox,RobustControlToolbox,OpimizationToolbox.

步驟3：用Simulink對控制方案設(shè)計進行離線仿真初步確認設(shè)計結(jié)果。

步驟4：在simulink中，從RTI中對I/O參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置實時I/O如圖6-2所示。步驟5：自動完成目標(biāo)DSP系統(tǒng)的實時C代碼生成、編譯、鏈接和下載。如圖6-3所示。

步驟6：用ControlDesk試驗工具軟件包與實時控制器進行交互操作。如圖6-4所示。

步驟7：利用Mlib/Mtrace從實時閉環(huán)控制系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)回傳給建模，實現(xiàn)參數(shù)的自動優(yōu)化過程。上述三個步驟如圖6-1所示。

步驟8：返回步驟1.通過實時測試，獲得反饋信息。以上Matlab結(jié)合dSpaceTargetlink展示典型汽車ECU開發(fā)流程。

7.2模型搭建與算法仿真7.2.1功能設(shè)計(建模)

功能設(shè)計，即系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和技術(shù)結(jié)構(gòu)的確定。用戶需求分析是指在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，對于需求和限制條件的一種結(jié)構(gòu)化的處理方法。目的是從系統(tǒng)用戶的角度準確地描述系統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述的是抽象的結(jié)果，即系統(tǒng)和功能的抽象邏輯模型。邏輯系統(tǒng)要求可從兩方面進行描述：描述應(yīng)該具有的系統(tǒng)特性；描述不應(yīng)該具有的系統(tǒng)特性。邏輯系統(tǒng)要求可分為功能性和非功能性系統(tǒng)要求；

邏輯系統(tǒng)要求是用參與開發(fā)過程的工程學(xué)科的語言來表達的。圖形化標(biāo)志，適合于基于模型的邏輯系統(tǒng)的描述。比如結(jié)構(gòu)框圖和狀態(tài)自動機。為了實現(xiàn)功能控制要求抽象化描述，就是建立一個數(shù)學(xué)模型。圖6-6所示的各個具體的功能模型可以由結(jié)構(gòu)圖來表示。方框表示轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可分為開環(huán)/閉環(huán)控制器模型、執(zhí)行器模型、被控對象模型、設(shè)定點發(fā)生器和傳感器模型、駕駛員、運行環(huán)境。

閉環(huán)控制任務(wù)就是通過檢測控制變量X，然后被控變量X與參考變量W相比較。根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整變量X使其接近參考變量W，閉環(huán)控制的目的是是控制變量X的值接近參考變量W，盡管存在由于干擾變量Z所導(dǎo)致的干擾情況。

相應(yīng)的開環(huán)控制任務(wù)是一個系統(tǒng)的一個或多個輸入變量影響某個輸出變量使其符合系統(tǒng)設(shè)計的特征的過程。

基于模型化的功能設(shè)計有助于了解系統(tǒng)的功能，從而盡可能完整且無矛盾地描述系統(tǒng)功能，并且在仿真模擬測試、功能校正和優(yōu)化中體現(xiàn)更大的靈活性和便利性。

技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須考慮各種制約因素，如技術(shù)的和經(jīng)濟的制約，組織結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的約束。

圖6-8給出了一個典型的開環(huán)、閉環(huán)汽車控制系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)確定開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，必須明確設(shè)定點發(fā)生器、傳感器、執(zhí)行器、ECU網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法，并在具體的技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯體系功能。

隨著技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部確定，接下來就是組件和子系統(tǒng)的實現(xiàn)，主要分為硬件組件的設(shè)計實現(xiàn)和軟件組件的設(shè)計實現(xiàn)。軟件開發(fā)是從軟件需求分析開始，首先進行軟件體系結(jié)構(gòu)的分析和確定。

7.2.2快速控制原型(算法仿真)快速控制原型，即控制系統(tǒng)的快速功能測試原型，是通過一定的技術(shù)手段，在短時間內(nèi)開發(fā)與控制器產(chǎn)品功能一致的測試用功能原型裝置，通過它的實物實驗來檢測和修改設(shè)計。采用先進的控制系統(tǒng)建模工具進行建模，并生成代碼，用其他控制器(PC,compactPC,單片機)臨時代替將要開發(fā)的實際控制器，快速對控制算法進行驗證和測試，在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。如圖6-9所示。開發(fā)流程：建立離線仿真模型，進行離線仿真；其次，在離線仿真通過后加上I/O接口，修改為實時仿真模型；再次，為目標(biāo)ECU生成目標(biāo)代碼，并轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼。最后，下載到實時內(nèi)核進行實時仿真。如圖6-10所示。

以Matlab為例，與實物的I/O接口是通過Simulink中的Real-TimeWindowsTarget模塊庫提供I/O接口模塊實現(xiàn)的。7.2.3旁路技術(shù)

通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實際設(shè)備相連，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動機構(gòu)時系統(tǒng)的性能特征。而且。利用旁路(Bypass)技術(shù)（見圖6-11）將原型電控單元或控制器集成到開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品控制器的順利轉(zhuǎn)換。

旁路技術(shù)是指原有的ECU依然起著主要作用，如原有的ECU必須提供經(jīng)過有效性驗證的系統(tǒng)的基本函數(shù)，運行所有的傳感器和執(zhí)行器，以及支持到實驗系統(tǒng)的旁路接口。

已有函數(shù)依然在ECU中計算，但按照以下方式進行修正：

輸入信號由原有ECU通過旁路接口進行傳遞，并由ECU通過一個控制流接口觸發(fā)旁路函數(shù)的計算。當(dāng)原有的ECU接收到旁路輸出信號和檢測其擬真性后決定是否采用新輸出值或轉(zhuǎn)接到內(nèi)部替代值。

常用的兩種旁路技術(shù)工具：ETAS公司的INTECRIO（如圖6-12所示）和dSpace公司的MicroAutoBox（如圖6-13所示）。7.3自動代碼生成

典型的自動代碼生成工具包括MatlabRTW,dSpace公司的TargetLink、ASCET工具包等。TargetLink是一款產(chǎn)品級代碼生成軟件?？梢灾苯訌腗atlab/Simulink/Stateflow框圖生成代碼，可靠性高，易讀性好，可產(chǎn)生定點運算代碼，適合多種處理器和編譯器。TargetLink軟件從Simulink控制模型生成C代碼，首先將Simulink/Stateflow模型轉(zhuǎn)化成TargetLink模型，可以根據(jù)實際需求進行變量定標(biāo)、算法優(yōu)化、設(shè)置代碼生成選項等工作，基于TargetLink模型進行各種仿真測試分析，最終生成C代碼。

其生成C代碼具有以下特點：

高效率的C代碼生成；支持子函數(shù)不同計算頻率的系統(tǒng)和OSEK兼容控制系統(tǒng)代碼生成；Stateflow生成代碼自動與Simulink模型生成代碼整合；可選擇不同的編譯器實現(xiàn)最理想的轉(zhuǎn)化效率；可以生成比標(biāo)準C更有利的特定的帶有匯編程序的代碼。

另外，TargetLink能夠針對特定的微控制器使用其獨特的指令集進行優(yōu)化，從而幾乎完全省去繁重的手工編碼。TargetLink的應(yīng)用開發(fā)流程如圖6-14所示。

一般而言，生成的代碼總是定點計算類型。為了能讓控制器始終進行定點運算，必須對控制模型中所有變量進行大小和精度范圍的設(shè)置，即定標(biāo)。

每個變量都必須根據(jù)其可能的大小來分配取值范圍和數(shù)據(jù)長度。變量x和它的整數(shù)表達式x’之間關(guān)系為：x=LSBx’+offset;

其中，LSB指對應(yīng)x’的最低有效位(leastsignificantBit)，offset是指給定的偏移量。TargetLink軟件也提供了自動定標(biāo)的功能。Targetlink在仿真同時自動搜索所有變量的最大值和最小值，確定參數(shù)運算的范圍，自動定標(biāo)工具以此設(shè)定變量的LSB和offset值。7.4硬件在環(huán)測試硬件在環(huán)測試是指采用真實的控制器，被控對象或者系統(tǒng)運行環(huán)境部分采用實際的物體，部分采用實時數(shù)字模型來模擬，進行整個系統(tǒng)的仿真測試。

通常情況下，只有被測試ECU是實物，其余部分盡可能運用高保真的數(shù)學(xué)模型進行仿真。

由于總線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)分布式控制功能。而各個ECU之間的交互作用增加，同時，網(wǎng)絡(luò)支持多種總線系統(tǒng)，這些都又可能成為潛在的錯誤來源。7.4.1單個ECU的功能測試

一個ECU開發(fā)完成后，必須對其功能進行全面的測試。特別是故障情況和極限條件下測試就顯得尤為重要。

在HIL測試環(huán)境的搭建中，使用dSpace實時控制仿真平臺(Simulator設(shè)備)作為實時環(huán)境的硬件載體，在Matlab/Simulink中建立變速箱模型、液力變距器模型、發(fā)動機模型、整車底盤模型與路面模型等被控對象模型。在通過Matlab產(chǎn)品家族中的自動代碼生成工具(RTW)將上述模型轉(zhuǎn)化為實時代碼下載至Simulator設(shè)備中的處理器板卡后，即完成HIL測試環(huán)境的搭建。首先，TCU(TransmissionControlUnit)通過Simulator中專用I/O板卡獲得車輛模型發(fā)出的狀態(tài)信號（如圖6-16所示）。TCU基于這些信號發(fā)出對變速箱模型的控制信號。同樣，通過Simulator中專用I/O板卡完成對這些控制信號的采集后，車輛模型將根據(jù)控制信號進行狀態(tài)