虛擬平臺(tái)的汽車驅(qū)動(dòng)模擬

2004年6月A版

　　汽車的復(fù)雜電子系統(tǒng)安裝大量通過(guò)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的多功能ECU(電子控制單元)作內(nèi)部通信的控制軟件，許多汽車控制系統(tǒng)用ECU實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層通信的單項(xiàng)功能。時(shí)尚的高級(jí)轎車有多達(dá)90個(gè)ECU，全部連網(wǎng)需要的電線束重量會(huì)超過(guò)50公斤，為了減少電線重量，ECU應(yīng)該置放在靠近它的控制地點(diǎn)。

　　新特性需要更多靈活的帶有大型嵌入式軟部件的ECU。遙測(cè)和車內(nèi)娛樂(lè)需要無(wú)線連接、全球定位、數(shù)字無(wú)線電的互聯(lián)網(wǎng)接入的綜合，隨時(shí)可以進(jìn)行免提的語(yǔ)音控制。

定量評(píng)估

　　在定義軟硬件系統(tǒng)和準(zhǔn)備深入開發(fā)前，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)和ECU內(nèi)部的可能結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析和評(píng)估。

　　傳統(tǒng)的開發(fā)汽車嵌入式軟件方法是構(gòu)建重現(xiàn)全部或部分ECU以及它的外部電路的硬件板，通常稱為工廠模型。往往不太可能由一種設(shè)置執(zhí)行所有測(cè)量，故需要很多工作臺(tái)設(shè)置。

　　對(duì)功能最強(qiáng)的ECU的性能要求是不必再使用昂貴的試驗(yàn)板進(jìn)行測(cè)量，對(duì)ECU內(nèi)部作有限的測(cè)試即可避免硬件排錯(cuò)。因?yàn)橛布粫?huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤消息，簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤，例如沒有起始化的寄存器都要在花很長(zhǎng)時(shí)間后才能被發(fā)現(xiàn)。在一個(gè)硬件原型機(jī)上對(duì)軟件排錯(cuò)，即使有在線仿真器也是困難和很費(fèi)時(shí)的。
　　
　　嵌入式系統(tǒng)必須足夠快速去運(yùn)行大容量的軟件，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在內(nèi)。

測(cè)量方法的綜合

　　工作臺(tái)測(cè)試還有其它方法，基于主機(jī)的方法是“寫入一次/移動(dòng)兩次”，亦即軟件先在帶有模擬器的測(cè)試架構(gòu)的主機(jī)PC內(nèi)開發(fā)，然后移到ECU。這種方法在汽車環(huán)境內(nèi)可能失敗，因?yàn)槌霈F(xiàn)硬實(shí)時(shí)性對(duì)軟件的限制，而不能從PC的執(zhí)行去預(yù)測(cè)實(shí)際的性能。

　　ISS方法使用處理器的函數(shù)模型，模型通常由處理器供應(yīng)商提供。問(wèn)題出在有時(shí)候模型與處理器的周期—周期特性不匹配。速度又是另一問(wèn)題，因?yàn)镮SS太慢，典型值是100~500kIPS(0.1~0.5MIPS)，不能運(yùn)行實(shí)際應(yīng)用的大型軟件，而成為每日編輯—編譯—排錯(cuò)循環(huán)的一部分。

　　新的方法使軟件開發(fā)人員構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)的ECU模型，或者ECU的虛擬平臺(tái)(或者網(wǎng)絡(luò)化的ECU子系統(tǒng))，在最后綜合階段之前全部軟件在模型上開發(fā)，然后移植到真正的ECU硬件。

虛擬平臺(tái)

　　VaS Systems公司的VaST虛擬平臺(tái)技術(shù)可在市售PC上模擬200MIPS的嵌入式處理器。因?yàn)樘幚砥髂Ｐ偷闹芷凇芷谑蔷_的，工程師能夠測(cè)量與硬件全部的交互動(dòng)作，并對(duì)軟件和軟硬件接口進(jìn)行詳細(xì)的性能測(cè)量。

　　虛擬平臺(tái)對(duì)ECU內(nèi)部完全透明，比硬件基的排錯(cuò)環(huán)境好得多。以下是客戶的設(shè)計(jì)實(shí)例：

　　一個(gè)ECU平臺(tái)構(gòu)成汽車越野檢測(cè)器的核心，平臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的模擬信號(hào)作為輸入。如果車輛開始滾動(dòng)，則對(duì)信號(hào)作數(shù)學(xué)運(yùn)算求得車輛的角速度和位置。當(dāng)車輛滾動(dòng)太快時(shí)，氣囊立即啟動(dòng)，而車輛滾動(dòng)較慢時(shí)，氣囊的啟動(dòng)就推遲。

外設(shè)的作用

　　平臺(tái)由于有許多外設(shè)而變得復(fù)雜，外設(shè)包括時(shí)鐘發(fā)生器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和中斷控制器，還有上述的加速度計(jì)和氣囊釋放器接口。

　　處理器由“計(jì)算機(jī)正確運(yùn)行”看門狗定時(shí)器監(jiān)視，如果定時(shí)器暫停工作，表示處理器進(jìn)入不希望的循環(huán)時(shí)，它會(huì)斷然啟動(dòng)復(fù)位線?！暗蛪航埂蓖庠O(shè)監(jiān)視電源電壓，防止在電池?fù)p壞或引擎啟動(dòng)階段釋放氣囊。實(shí)時(shí)操作保證看門狗定時(shí)器永不停頓，使啟動(dòng)時(shí)動(dòng)作順序執(zhí)行。

　　使用虛擬平臺(tái)方法，工程師將RTOS和全部外設(shè)驅(qū)動(dòng)器綜合起來(lái)，然后測(cè)試氣囊釋放算法，與過(guò)去使用的工廠模型法相比，估計(jì)可節(jié)省六個(gè)月時(shí)間。

虛擬系統(tǒng)模擬

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)許多高級(jí)模擬，采用MATLAB、UML、SystemsC、高級(jí)C或C++模型的語(yǔ)言的數(shù)學(xué)或格式來(lái)表示抽象規(guī)范。只要基本特性正確，分析軟件可將功能分配到多個(gè)ECU內(nèi)，考察劃分到各ECU和互連網(wǎng)絡(luò)的性能需求。每個(gè)ECU可用處理器級(jí)、總線和外設(shè)來(lái)聯(lián)網(wǎng)，函數(shù)在硬件與軟件之間移動(dòng)。

　　定量分析允許系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同數(shù)目和種類ECU之間的不同分區(qū)性能的考察，評(píng)估折衷和決定最佳的執(zhí)行方案。

　　虛擬平臺(tái)具有硬件和軟件兩者的再用性，以便綜合已有的各種功能。■(李儀)