電子科學(xué)嵌入式培養(yǎng)_淺談嵌入式技術(shù)與整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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電子科學(xué)嵌入式培養(yǎng)_淺談嵌入式技術(shù)與整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),   

  

一、

隨著市場(chǎng)需求和電子技術(shù)的發(fā)展，整車電氣系統(tǒng)經(jīng)歷著電器化、電子化和網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)階段性發(fā)展。嵌入式技術(shù)執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計(jì)算機(jī)，而且運(yùn)行的是固化的軟件，用術(shù)語(yǔ)表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。盡管絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)是用戶針對(duì)特定任務(wù)而定制的，但它們一般都是由下面幾個(gè)模塊組成的： 一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者微控制器，字長(zhǎng)可能是可憐的4位或者8位、16位、32位甚至是64位。 用以保存固件的ROM（非揮發(fā)性只讀存儲(chǔ)器）。 用以存程序數(shù)據(jù)的RAM（揮發(fā)性的隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器）。 連接微控制器和開關(guān)、按鈕、傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、控制器、LED（發(fā)光二極管）和顯示器的I/O端口。 一個(gè)輕量級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)，一般是自行編寫的。 專門的單片微控制器是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的核心。通過把若干個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)組成部分集成到單個(gè)芯片上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者就可以得到小而便宜、可以操作較少外圍電子設(shè)備的計(jì)算機(jī)。 嵌入式系統(tǒng)的一般模型并不足以定義嵌入式系統(tǒng)本身。例如，某些嵌入式系統(tǒng)常常比標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)箱小不了多少。這類設(shè)備有： 信息查詢以及銷售點(diǎn)終端。 某些工業(yè)控制系統(tǒng)。游戲控制臺(tái)（例如基于x86和Windows的Xbox）。

二、概述

整車網(wǎng)絡(luò)是指將多個(gè)具有一定獨(dú)立工作能力的汽車電子系統(tǒng)通過總線實(shí)現(xiàn)資源共享和數(shù)據(jù)通信的分布式實(shí)時(shí)嵌入系統(tǒng)。由此定義可見，整車網(wǎng)絡(luò)以總線整合汽車電子系統(tǒng)的形式存在，但本質(zhì)仍然是由軟硬件構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。

  

整個(gè)開發(fā)過程可被分為系統(tǒng)開發(fā)和零部件實(shí)施兩個(gè)應(yīng)用層面，其中貫穿著算法設(shè)計(jì)、軟件工程等基礎(chǔ)技術(shù)。由于種種原因，自主汽車電子產(chǎn)業(yè)存在著重零部件輕系統(tǒng)、重應(yīng)用輕基礎(chǔ)的問題。需要指出的，基礎(chǔ)技術(shù)涉及的建模、仿真、軟件構(gòu)架等均來源于主流的嵌入式技術(shù)體系，并不固定從屬于系統(tǒng)開發(fā)或零部件實(shí)施的具體領(lǐng)域。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，應(yīng)用相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)，結(jié)合上游用戶需求與下游零部件實(shí)施約束，才能完成嵌入式系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

三、架構(gòu)開發(fā)

在軟件工程中，架構(gòu)設(shè)計(jì)的作用在于三方面：1、行業(yè)應(yīng)用架構(gòu)，行業(yè)架構(gòu)師往往是行業(yè)專家，了解行業(yè)應(yīng)用需求，其架構(gòu)行為主要是將需求進(jìn)行合理分析布局到應(yīng)用模型中去，偏向于應(yīng)用功能布局；2、應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)，技術(shù)架構(gòu)師往往是技術(shù)高手中的高手，掌握各類技術(shù)體系結(jié)構(gòu)、掌握應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，其架構(gòu)行為考慮軟件系統(tǒng)的高效性、復(fù)用性、安全性、可維護(hù)性、靈活性、跨平臺(tái)性等；3、規(guī)范架構(gòu)設(shè)計(jì)是通過多年磨礪或常年苦思頓悟后把某一類架構(gòu)抽象成一套架構(gòu)規(guī)范，當(dāng)然也有專門研究規(guī)范而培養(yǎng)的規(guī)范架構(gòu)設(shè)計(jì)者。

  

架構(gòu)開發(fā)容易與總線開發(fā)混淆。雖然同屬系統(tǒng)層面開發(fā)，前者基于而高于后者。在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，總線僅是最主要的信息交互方式，其特點(diǎn)必須在設(shè)計(jì)過程中合理運(yùn)用。

3.1工程需求捕捉（圖2）

從用戶角度，工程需求不同于常見的市場(chǎng)需求：后者主要從市場(chǎng)用戶出發(fā)，關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的外在使用價(jià)值而不是具體的構(gòu)架、技術(shù)和零部件；除此之外，整車壽命周期內(nèi)還有開發(fā)工程師、制造工程師、售后工程師等內(nèi)部用戶的需求。上述諸多用戶的需求同時(shí)也包含約束，例如法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、成本、質(zhì)量、工程策略等等。從時(shí)間角度上。上述需求在項(xiàng)目周期中不同程度地動(dòng)態(tài)變化。

工程功能（圖3）作為工程需求的基本載體，貫穿著整個(gè)開發(fā)過程。由于不同整車的需求差異，對(duì)工程功能的具體劃分不盡相同。一般而言，工程功能被分為用戶工程功能和非用戶工程功能：前者會(huì)被用戶直接感受到，例如燈光；后者不會(huì)被用戶直接感受到，一般是前者的支撐，例如總線喚醒，通常也被稱為系統(tǒng)功能。對(duì)于每個(gè)工程功能的需求，也分為功能性需求和非功能性需求：前者主要定義不同狀態(tài)下輸入輸出等外在行為邏輯，通常是可復(fù)用在不同車型上。

  

對(duì)需求的捕捉中，需求的驗(yàn)證是重要環(huán)節(jié)之一。上述需求數(shù)量浩大甚至相互矛盾，產(chǎn)生的需求風(fēng)險(xiǎn)將嚴(yán)重影響下游的開發(fā)。建立系統(tǒng)層面的功能性需求模型，不僅可以解決需求沖突問題，也是對(duì)下游功能分配的必要約束。

3.2功能分配（圖4）

對(duì)于嵌入式軟硬件實(shí)現(xiàn)的工程功能，往往需要分布到多個(gè)零部件實(shí)現(xiàn)以滿足工程需求，因此合理的功能分配設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。從實(shí)現(xiàn)角度而言，需要從邏輯、物理和機(jī)械布置層面進(jìn)行平衡。嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

  

邏輯層面的分配，需要在保證關(guān)鍵資源、延遲、供電狀態(tài)、安全等非功能性需求前提下進(jìn)行。例如：某功能的子功能被分配到某控制器，除了需要傳感器／執(zhí)行器等硬件外，控制器能否提供足夠的存儲(chǔ)空間、運(yùn)算能力、供電狀態(tài)也同樣重要；子功能之間可通過總線、硬線進(jìn)行交連，但是連接方式必須確保功能本身的實(shí)時(shí)性、可靠性。

3.3架構(gòu)整合

功能分配僅針對(duì)單個(gè)工程功能，而功能與功能、系統(tǒng)與零部件存在的關(guān)聯(lián)和由此產(chǎn)生的沖突。因此，系統(tǒng)層面上針對(duì)功能、零部件的平衡是架構(gòu)整合的基本內(nèi)容。同時(shí)。合格的架構(gòu)不僅必須滿足成本要求，還需要與開發(fā)人力、可靠性、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和可配置性進(jìn)行折中。

作為分布式嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)（圖5）存在著更分布還是更集中的爭(zhēng)議。在更分布式的系統(tǒng)中，諸多功能盡可能按功能分布在不同的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的可配置性好、可靠性高但物料成本較高；在更集中的系統(tǒng)中，諸多功能盡可能按區(qū)域分布在同一的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的物料成本較低但可配置性差、可靠性低。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于不同整車系統(tǒng)、不同功能領(lǐng)域的需求差異，更分布和更集中架構(gòu)往往是折中的。

  

四、總線開發(fā)

總線是指連接控制器的數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)，通常一條或多條總線和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成整車網(wǎng)絡(luò)。常見的總線如CAN、LIN，以及MOST、FlexRay。

總線可被視為滿足分布式功能需要的用于數(shù)據(jù)交換的非用戶工程功能，依托節(jié)點(diǎn)的嵌入式軟硬件分布式實(shí)現(xiàn)的。因此，運(yùn)用總線時(shí)必須考慮其資源占用、時(shí)延、可靠性、線束布局等需求；反之，這些也是總線技術(shù)升級(jí)換代的驅(qū)動(dòng)力�？偩�（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束， 按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計(jì)算機(jī)是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個(gè)功能部件的。

4.1物理層（圖6）

物理層指構(gòu)成總線硬件的線束、接插件及板級(jí)收發(fā)電路。作為硬件部分，主要的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)偏差認(rèn)可和一致性保證。前者主要是存在于沿用其他總線設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，硬件的設(shè)計(jì)偏差認(rèn)可與否很大程度上影響了方案最終確定；后者是指批量情況下全壽命周期的性能一致性保證，為避免散差、老化造成的質(zhì)量問題。

  

4.2通信層（圖7）

通信層介于物理層和應(yīng)用軟件之間，是通信協(xié)議的主體，主要包含通信策略和信號(hào)配置。

通信策略定義了通信機(jī)制的傳輸模型和時(shí)延模型，本質(zhì)上服務(wù)于功能內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換需求，并屬于后者的抽象。例如人機(jī)類功能一般屬于開環(huán)控制類，事件觸發(fā)的傳輸模式即可滿足數(shù)據(jù)交換需要，總體時(shí)延要求在200毫秒以上。通信策略不僅可以直接作為通信層軟件開發(fā)需求，也是通過總線進(jìn)行功能分配的重要參考依據(jù)。

  

信號(hào)配置是與架構(gòu)設(shè)計(jì)直接相關(guān)，也是總線設(shè)計(jì)中最直觀的部分。信號(hào)配置本質(zhì)上是把信號(hào)根據(jù)協(xié)議特性和架構(gòu)需求進(jìn)行組幀的過程。從邏輯角度，信號(hào)配置必須滿足架構(gòu)中的流向關(guān)系、幀裝載字長(zhǎng)和帶寬等限制；從時(shí)序角度，分配后信號(hào)的傳輸時(shí)延應(yīng)確保滿足功能的總體時(shí)延分配。

4.3網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理主要完成啟動(dòng)／停止、休眠／喚醒、錯(cuò)誤處理和版本控制等功能。網(wǎng)絡(luò)管理通常包含節(jié)點(diǎn)管理和系統(tǒng)管理（狹義網(wǎng)絡(luò)管理），前者限于節(jié)點(diǎn)本地的通訊管理，后者協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的系統(tǒng)級(jí)行為。

作為解決方案，可以直接引入包含網(wǎng)絡(luò)管理算法的嵌入式軟件，進(jìn)一步定義網(wǎng)絡(luò)管理策略的時(shí)間參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)管理底層策略與應(yīng)用層的接口和應(yīng)用層對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理的具體需求。網(wǎng)絡(luò)管理包括對(duì)硬件、軟件和人力的使用、綜合與協(xié)調(diào)，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)試、配置、分析、評(píng)價(jià)和控制，這樣就能以合理的價(jià)格滿足網(wǎng)絡(luò)的一些需求，如實(shí)時(shí)運(yùn)行性能、服務(wù)質(zhì)量等。網(wǎng)絡(luò)管理常簡(jiǎn)稱為網(wǎng)管。網(wǎng)絡(luò)管理，是指網(wǎng)絡(luò)管理員通過網(wǎng)絡(luò)管理程序?qū)�網(wǎng)絡(luò)上的資源進(jìn)行集中化管理的操作，包括配置管理、性能和記賬管理、問題管理、操作管理和變化管理等。一臺(tái)設(shè)備所支持的管理程度反映了該設(shè)備的可管理性及可操作性。而交換機(jī)的管理功能是指交換機(jī)如何控制用戶訪問交換機(jī)，以及用戶對(duì)交換機(jī)的可視程度如何。通常，交換機(jī)廠商都提供管理軟件或滿足第三方管理軟件遠(yuǎn)程管理交換機(jī)。一般的交換機(jī)滿足SNMP MIB I / MIB II統(tǒng)計(jì)管理功能。而復(fù)雜一些的交換機(jī)會(huì)增加通過內(nèi)置RMON組（mini-RMON）來支持RMON主動(dòng)監(jiān)視功能。有的交換機(jī)還允許外接RMON探監(jiān)視可選端口的網(wǎng)絡(luò)狀況。

  

4.4網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同總線的不同類型的數(shù)據(jù)交換，不僅包括常見的信號(hào)數(shù)據(jù)，還包含喚醒／休眠、啟動(dòng)／停止等管理指令。網(wǎng)關(guān)（Gateway）又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)在傳輸層上以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，僅用于兩個(gè)高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連。網(wǎng)關(guān)既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。 網(wǎng)關(guān)是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備。在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語(yǔ)言，甚至體系結(jié)構(gòu)完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡(jiǎn)單地傳達(dá)信息不同，網(wǎng)關(guān)對(duì)收到的信息要重新打包，以適應(yīng)目的系統(tǒng)的需求。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)也可以提供過濾和安全功能。大多數(shù)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在OSI 7層協(xié)議的頂層--應(yīng)用層。

網(wǎng)關(guān)的功能性需求來源于架構(gòu)設(shè)計(jì)，越復(fù)雜越分布，系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)復(fù)雜度越大。從實(shí)現(xiàn)角度，網(wǎng)關(guān)功能增加了系統(tǒng)的可配置性但降低了可靠性，需要在架構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理平衡。

  

五、診斷開發(fā)

診斷系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控功能運(yùn)行，并通過總線接口與外部用戶設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，滿足法規(guī)、開發(fā)、制造、售后甚至信息服務(wù)的需求。從法規(guī)角度，通常排放相關(guān)的診斷內(nèi)容是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)化的。

5.1功能自診斷（圖9）

任何嵌入式方式實(shí)現(xiàn)均存在軟硬件失效的可能，因此實(shí)時(shí)在線的功能自診斷是必要的保障手段。功能診斷包括面向應(yīng)用功能的自診斷和面向系統(tǒng)功能的自診斷，后者通常是指操作系統(tǒng)、總線等基礎(chǔ)或者內(nèi)核部分。功能自診斷通常針對(duì)對(duì)物理輸入輸出和邏輯輸入輸出，前者通過相關(guān)電路特性判斷是否存在物理失效，后者對(duì)邏輯信號(hào)的數(shù)值、變化特性進(jìn)行可信度判斷。

5.2診斷管理

診斷管理的主要內(nèi)容是故障管理。系統(tǒng)運(yùn)行期間，功能自診斷因?yàn)殡S機(jī)失效會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的故障指示，不加處理容易造成虛警；對(duì)于正常的故障診斷，故障信息存儲(chǔ)也容易受到非易失性存儲(chǔ)資源的限制。故障管理將處理本地所有功能自診斷的故障指示，根據(jù)故障特性進(jìn)行“識(shí)別-確認(rèn)-退出”的過程管理；存在多個(gè)故障時(shí)進(jìn)行類似堆棧的處理，保證高優(yōu)先級(jí)故障信息的存儲(chǔ)；根據(jù)診斷協(xié)議的指令輸出或清空故障信息。

5.3診斷通信

區(qū)別于總線的在線通信，診斷通信被稱為離線通信，蓋因其非常在線特點(diǎn)。其服務(wù)層為診斷功能提供國(guó)際通用和自定義兩種診斷服務(wù)支持。診斷服務(wù)層為上層屏蔽具體通信特征，使其只考慮功能應(yīng)用方面。每條診斷服務(wù)作為控制器功能的觸發(fā)條件或入口點(diǎn)。診斷服務(wù)層提供診斷服務(wù)（service）的軟件實(shí)施效率是保證控制器能夠及時(shí)響應(yīng)外部診斷診斷請(qǐng)求的重要因素之一。其會(huì)話層控制器與診斷工具之間的通信使能，打開或斷開雙方的通信。當(dāng)診斷工具與控制器間的應(yīng)用服務(wù)無法維持時(shí)關(guān)閉這些服務(wù)。將所有服務(wù)功能分布到合適session中，滿足診斷功能分級(jí)是該設(shè)計(jì)目的。其傳輸層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)塊數(shù)據(jù)的傳遞功能，為大數(shù)據(jù)量的傳遞提供通信通道。此外還需定義傳輸層與上、下層之間的軟件接口，優(yōu)化匹配參數(shù)

5.4 配置系統(tǒng)（圖10）

基于市場(chǎng)、工程等多方面需要，整車網(wǎng)絡(luò)存在大量的通過診斷進(jìn)行的信息配置。在項(xiàng)目的不同階段，對(duì)上述配置進(jìn)行正確無誤的快速處理是配置系統(tǒng)的主要功能。

  

六、集成測(cè)試（圖11）

不同于零部件實(shí)施的測(cè)試，集成測(cè)試關(guān)注的是系統(tǒng)層面的測(cè)試驗(yàn)證。

  

6.1基礎(chǔ)測(cè)試

基礎(chǔ)測(cè)試針對(duì)系統(tǒng)中總線、診斷等系統(tǒng)功能：控制器是否能夠及時(shí)地通過總線將采集到的傳感器信號(hào)傳遞給其他控制器，是否能夠及時(shí)響應(yīng)其他控制器通過總線傳遞的指令并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的功能是否正確（滿足設(shè)計(jì)要求）；所有控制器是否能按規(guī)定進(jìn)入／退出睡眠模式（網(wǎng)絡(luò)管理策略是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范）；控制器網(wǎng)絡(luò)的電流消耗是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)；總線負(fù)載是否符合設(shè)計(jì)要求；在線診斷功能是否符合設(shè)計(jì)要求。

6.2功能測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求等設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)和測(cè)試環(huán)境特點(diǎn)生成測(cè)試規(guī)范。測(cè)試規(guī)范詳細(xì)定義了測(cè)試要求和步驟，包括點(diǎn)火開關(guān)狀態(tài)、功能實(shí)現(xiàn)的條件、功能結(jié)果、具體描述及注意事項(xiàng)等。

根據(jù)上述測(cè)試規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)的功能測(cè)試，以確認(rèn)集成效果是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。測(cè)試解決方案建立在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上，通過開放式接口提供完整的模型設(shè)計(jì)、測(cè)試設(shè)計(jì)、診斷和標(biāo)定設(shè)計(jì)，虛擬試驗(yàn)環(huán)境、實(shí)時(shí)仿真模型、試驗(yàn)和試驗(yàn)參數(shù)可在不同設(shè)計(jì)階段和項(xiàng)目中得以復(fù)用。

七、總結(jié)

本文對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和系統(tǒng)開發(fā)工作進(jìn)行了詳細(xì)描述，結(jié)合嵌入式理論介紹了基于功能面向需求的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及總線、診斷、集成測(cè)試的工作重點(diǎn)。