汽车嵌入式系统开发方法_体系架构和流程

置，它 们 包 括 汽 车 信 息 系 统 （行 车 电 脑）、导 航 系 统、 ２．１ ＡＥＳ开发的困难及特点
汽车音响及电视娱乐系统、车载通信 系 统、上 网 设 备
汽车中被控制对象及其控制执行器件常常是耦
等 ，第 ２ 类 电 子 系 统 的 关 键 词 是 “信 息 ”．
合了物理学、机 械 学、电 工 学、动 力 学、流 体 力 学、热
的使 用 方 式，对 于 汽 车 嵌 入 式 系 统 还 提 出 了 诸 如 可
靠性、灵活性 等 多 方 面 的 要 求，因 此，汽 车 嵌 入 式 系
统与传统嵌入式系统的开发有着明显的区别．
结合被控对象的特点和嵌入式系统的分布式实
现，汽车嵌入网 络
汽车嵌入式系统开发方法、体系架构和流程
魏 学 哲１，２，戴 海 峰１，２，孙 泽 昌１，２
（１．同济大学 新能源汽车工程中心，上海 ２０１８０４；２．同济大学 汽车学院，上海 ２０１８０４）
摘要：介绍了汽车嵌 入 式 系 统 的 内 涵，回 顾 了 汽 车 嵌 入 式 系 统的技术发 展 历 史，分 析 了 未 来 汽 车 嵌 入 式 系 统 发 展 的 特
子燃油喷射 系 统、制 动 防 抱 死 控 制、加 速 防 滑 控 制、 号进行响应，从而形成一个复杂的反应式控制系统．
牵引力控制系统等．可以认为，第 １ 类 电 子 系 统 的 关
键词是“控制”．另一类是车载汽车电子装置，车载汽 ２ ＡＥＳ开发的特点及发展趋势
车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装
外围电路及相关软件构成的 ＥＣＵ，即汽车嵌 入 式 系 ３ ＡＥＳ开发的技术体系与方法
统（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ＡＥＳ）．嵌 入 式 系
统是 由 硬 件 和 软 件 ２ 个 部 分 组 成，硬 件 通 常 包 含 嵌
对于汽车嵌 入 式 系 统 而 言，开 发 技 术 体 系 应 包
１ 汽车电子系统与嵌入式系统的内涵
按照对汽车 行 驶 性 能 作 用 的 影 响，可 以 把 汽 车 电子产品归纳为２类［１］：一 类 是 汽 车 电 子 控 制 装 置，
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－０４ 基 金 项 目 ：国 家 “八 六 三 ”高 技 术 研 究 发 展 计 划 （２０１１ＡＡ１１Ａ２６５）；上 海 市 重 点 学 科 建 设 资 助 项 目 （Ｂ０３） 第 一 作 者 ：魏 学 哲 （１９７０— ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，工 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 新 能 源 汽 车 车 载 电 源 系 统 ．
第 ４０ 卷 第 ７ 期 ２０１２ 年 ７ 月
同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２０１２
文 章 编 号 ：０２５３－３７４Ｘ（２０１２）０７－１０６４－０７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１２．０７．０１８
和工程师而言，对开发方法、体系架构 和 开 发 流 程 的 理解至关重要．
本文分 别 从 基 于 模 型 的 开 发 方 法、ＡＵＴＯＳＡＲ （ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｏｐｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）的 体 系 架 构 和 Ｖ 模式的开发流程 ３ 个 方 面 展 开 讨 论，介 绍 了 现 代汽车嵌入式系统开发的最新技术体系．
ｂ汽车电子信息系统 图 １ 汽 车 电 子 系 统 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ
由图１可见，汽车电子的核心是 由 微 控 制 器、其
给出 了 各 开 发 趋 势 发 展 过 程 中 相 关 的 技 术、体 系 和 标 准，图 中 ＲＴＷ 为 实 时 工 具 箱 （ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｗｏｒｋｓｈｏｐ）；ＥＭＣ 为 电 磁 兼 容 性 （ｅｌｅｃｔｒｏ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ； ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ（ＭＢＤ）；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｏｐｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ （ＡＵＴＯＳＡＲ）；Ｖ ｍｏｄｅ；ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ
ＡＵＴＯＳＡＲ（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｏｐｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）的 体 系 架
入式微处理器、存储器和外围接口电 路，软 件 主 要 由 括开发方法、系统架构和开发流程３个最基本方面．
引导程序、驱动程序、操作系统和应用 程 序 等 部 分 组
（１）开发方法．重点是开发嵌入式 系 统 所 采 用 的
成．整个系统通常被 嵌 入 在 被 控 对 象 内 部，并 通 过 １ 抽象 化 的 符 号 体 系 及 操 作 方 法．用 什 么 样 的 符 号 体
使软硬件并行开发成为可能．⑤ 系统 架 构 标 准 化，提
高汽 车 电 子 软 件 的 复 用 性 和 可 移 植 性．⑥ 基 于 验 证
和可靠性保障，不仅可以防止错误传 递，而 且 可 以 保
证系统设计的正确性．
上述的汽车嵌入式系统开发趋势已日趋明显，
在 其 中 相 关 的 技 术 、体 系 、标 准 也 相 应 被 提 出 来 ，图 ２
Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ， Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｆｌｏｗ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ
器之间复杂的互操作．同时，嵌入式系 统 的 开 发 重 点 也从对单个控制器的实现演变成了对一个分布式网 络系 统 的 实 现，其 实 现 的 复 杂 性 显 著 提 高．上 市 时
对于第１类 系 统，电 子 与 机 械 系 统 的 关 系 如 图 １ａ，其中，电子 系 统 又 分 为 传 感 器、执 行 器 和 嵌 入 式 控制器．而 对 于 第 ２ 类 系 统，其 结 构 如 图 １ｂ．图 中 ＥＣＵ 为电子控制单元（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）．
力学 甚 至 电 化 学 问 题 的 综 合 体．对 它 们 的 理 解 所 需 要的知识结构从学科跨度来讲要大大突破电子与控 制专 业 的 局 限．同 时 也 对 建 模 理 论 的 发 展 以 及 建 模 仿真工具的进步提出了更高的要求．另 外，由 于 特 殊
化 、高 可 靠 性 、强 灵 活 性 及 多 种 非 功 能 约 束 ．
２．２ 未来 ＡＥＳ开发具备的基本特点
为了高效设 计 出 可 靠 的 汽 车 嵌 入 式 系 统，许 多
开发 思 想 相 继 提 出，汽 车 嵌 入 式 系 统 的 开 发 出 现 了
以下的发展 趋 势［３－５］：① 算 法 与 实 现 相 分 离，提 高 控
Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｘｚｈ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
第７期
魏 学 哲 ，等 ：汽 车 嵌 入 式 系 统 开 发 方 法 、体 系 架 构 和 流 程
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即所谓“机电 结 合 ”的 汽 车 电 子 装 置，典 型 系 统 如 电 个或 者 多 个 网 络 连 接 起 来，对 来 自 外 部 和 内 部 的 信
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同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
ａ汽车电子控制系统
制算 法 的 专 业 性 和 软 件 实 现 的 高 效 性．② 系 统 设 计 模型化，便于开发团队交流、优化 设 计、管 理 代 码、系
统测试以及管理文档．③系统实现自 动 化，提 高 软 件
开发的效率，降低汽车电子软件开发 的 成 本．④ 应 用
与平台相独立，以支持系统软件与硬 件 平 台 相 分 离，
构以及基于 Ｖ 模式的开发流程３个方面介绍了该技术体系． 这三者分别从对象的描述、对象 的 层 次 结 构 和 开 发 的 时 间 顺 序３个不同的方面对嵌入式系统的开发方法做了定义和约 束 ，从 而 保 证 了 这 个 开 发 体 系 的 可 靠 性 和 完 整 性 ．
关 键 词： 汽 车 嵌 入 式 系 统； 基 于 模 型 的 开 发 方 法；
ＡＵＴＯＳＡＲ（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｏｐｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）；Ｖ 模 式；
方法论
中 图 分 类 号 ：Ｕ４６３．６
文 献 标 识 码 ：Ａ
自 ２０ 世 纪 ７０ 年 代 以 来，电 子 技 术 和 车 辆 技 术 就密切地结合起来，在车辆电子控制 应 用 中，嵌 入 式 系统是控制 系 统 实 现 的 最 基 本 形 式．从 ２０ 世 纪 ８０ 年代 开 始，现 场 总 线 通 信 技 术 被 引 入 到 车 辆 的 电 子 控制中，基于总线通信的、以微控制器 为 基 本 节 点 的 分布式控制系统将车载嵌入式控制应用推向了更高 的阶段，导致了系统控制器多层次化 结 构，使 系 统 对 少数个别量的操作变为对群量的操作并产生了控制
ＷＥＩ Ｘｕｅｚｈｅ１，２，ＤＡＩ Ｈａｉｆｅｎｇ１，２，ＳＵＮ Ｚｅｃｈａｎｇ１，２
（１．Ｃｌｅａｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
间短、单体成 本 敏 感、长 时 间 使 用、应 用 环 境 复 杂 是 汽车 嵌 入 式 系 统 区 别 于 一 般 应 用 的 重 要 特 征．由 此 也带 来 了 开 发 方 法、体 系 架 构 和 开 发 流 程 的 复 杂 性 与特殊性．因此，对于汽车嵌入式系统 开 发 的 组 织 者
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｄｒａｗｎ ｔｈａｔ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｌｉｅｓ ｏｎ ａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （ＭＢＤ）， ｔｈｅ ＡＵＴＯＳＡＲ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｖ ｍｏｄｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ＭＢＤ ｄｅｆｉｎｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ， ｔｈｅ ＡＵＴＯＳＡＲ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄ Ｖ ｍｏｄｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｇｕｉｄｅｓ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔｅｐｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ