分布式汽車電氣/電子系統設計和實現架構

在過去的十幾年里，汽車的電氣和電子系統已經變得非常的復雜。今天汽車電子/電氣系統開發工程師廣泛使用基于模型的功能設計與仿真來迎接這一復雜性挑戰。新興標準(如AUTOSAR)定義了與低層軟件的標準化接口，最重要的是，它還為功能實現工程師引入了一個全新的抽象級。

這提高了軟件組件的可重用性，但不幸的是，關于如何將基于模型的功能設計的結果轉換成高度分布式環境中的可靠和高效系統實現方面的指導卻幾乎沒有。

此外，論述設計流程物理端的文章也非常少。本文概述了一種推薦的系統級設計方法學，包括架構設計、分布在多個ECU中的網絡和任務調度、線束設計和規格生成。

為什么需要AUTOSAR?

即使在同一家公司，“架構設計”對不同的人也有不同的含義，這取決于他們站在哪個角度上。物理架構處理系統的有形一面，如布線和連接器，邏輯架構定義無形系統的結構和分配，如軟件和通信協議。目前設計物理架構和邏輯架構的語言是獨立的，這導致相同一個詞的意思可以完全不同，設計團隊和流程也是獨立的，這也導致了一個非常復雜的設計流程(如圖1所示)。

圖1：物理和邏輯設計流程
這種復雜性導致了次優設計結果，整個系統的正確功能是如此的難于實現, 以致于幾乎沒有時間去尋求一種替代方法，它可導致更堅固的、可擴展性更好的和更具成本效益的解決方案。為了實現這樣一種解決方案，設計師需要新的方法，它可以將物理和邏輯設計流程緊密相連，并仍然允許不同的設計團隊做他們的工作。

新興的AUTOSAR標準為系統級汽車電子/電氣設計方法學提供了一個技術上和經濟上都可行的選擇，盡管它主要針對軟件層面，即邏輯系統的設計。不過，大量廣泛的AUTOSAR元模型及其豐富的接口定義允許系統級電子/電氣架構師以標準的格式表達他的設計思想。從經濟上看，AUTOSAR標準打開了一個巨大的、統一的市場，它使得可以創建合適的設計工具。

本文描述了基于AUTOSAR的由點工具組成的系統級設計方法。這導致整個流程在所有有意義的地方使用標準，但又不局限于標準，或要求用戶采用這些標準。

AUTOSAR工作原理

AUTOSAR標準是汽車制造商、供應商和工具供應商一起發起的，旨在規范汽車電子控制單元(ECU)的開放式軟件架構。

AUTOSAR標準指定了一個分層軟件架構，它明確定義了應用軟件組件(SWC)之間的接口、用戶可見汽車功能和基礎設施組件的實現。它對基礎設施組件進行了嚴格的規定，以允許不同供應商開發的組件能一起工作。

用戶可見的汽車功能通過互連的應用軟件組件來實現。SWC是可以映射到ECU的最小單元。為了使SWC與特定的硬件無關，定義了虛擬功能總線(VFB)概念，此處SWC就使用VFB與它們的環境進行通信。

這一概念支持SWC重新定位到不同的ECU，從而增強了應用軟件的可重用性。

一個AUTOSAR系統基本上由以下三個XML文件定義：SWC描述、ECU資源描述和系統配置描述。這些文件描述了一個邏輯架構的所有方面： SWC、功能網絡、拓撲和功能到ECU的映射。雖然這些文件的語法和語義由AUTOSAR標準定義，但它們的創建方法學則留給了工具供應商。

用戶案例分析

下面兩個代表性用戶案例可以讓你更深入地了解到總體物理和邏輯設計任務的復雜性。

在圖2顯示的設計流程中，你可看到邏輯設計過程是如何驅動物理設計過程的。這一設計流程的第一步是汽車邏輯功能的定義和實現。大多數OEM將一部汽車的電氣系統分解成約100-200個功能。用戶創建能表達各種汽車功能的單元級SWC，或從像Matlab/Simulink這樣的模型設計工具中調用這類SWC。