汽車嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計與實現(xiàn)

前言

　　自20世紀(jì)70年代以來，電子技術(shù)和車輛技術(shù)就密切地結(jié)合起來了，從發(fā)動機控制逐步深入到底盤控制、車身舒適性與安全控制，又?jǐn)U展至信息通信與車載多媒體，現(xiàn)已成為推動車輛技術(shù)進步的基本技術(shù)手段。在車輛電子控制應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)是控制系統(tǒng)實現(xiàn)的最基本形式。在20世紀(jì)80年代，現(xiàn)場總線通信技術(shù)被引入到車輛的電子控制中，出現(xiàn)了以CAN總線為代表的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而使各個功能單一的、獨立的汽車電子系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)控制成為可能。基于總線通信的、以微控制器為基本節(jié)點的分布式控制系統(tǒng)將車載嵌入式控制應(yīng)用推向更高的階段，導(dǎo)致系統(tǒng)控制器多層次化結(jié)構(gòu)；使系統(tǒng)對少數(shù)個別量的操作變?yōu)閷θ毫康牟僮鳎划a(chǎn)生了控制器之間復(fù)雜的互操作。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)重點也從對單個控制器的實現(xiàn)演變成對一個分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)，其實現(xiàn)的復(fù)雜性顯著提高?！　」δ芏鄻拥母咝阅艿能囉梦⒖刂茊卧∕CU）芯片，多任務(wù)、小內(nèi)核可裁減的實時操作系統(tǒng)，以及高可靠性和高實時性總線通信（CAN、Flex Ray）和低成本LIN總線通信是汽車分布式嵌入系統(tǒng)電子控制單元（ECU）實現(xiàn)的基本技術(shù)支撐，同時也體現(xiàn)了汽車嵌入式系統(tǒng)的基本技術(shù)特征?！　∑嚽度胧较到y(tǒng)與一般工業(yè)嵌入式系統(tǒng)和消費類產(chǎn)品嵌入式系統(tǒng)的最大不同在于汽車應(yīng)用中被控制對象的特殊性。這種特殊性主要歸結(jié)為車用被控對象的復(fù)雜性和對控制問題的數(shù)學(xué)描述（建模）。車用被控制對象及其控制執(zhí)行器件常常是耦合了物理學(xué)、機械學(xué)、電工學(xué)、動力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、甚至電化學(xué)問題的綜合體。對它們的理解所需要的知識結(jié)構(gòu)從學(xué)科跨度來講，大大突破了電子與控制專業(yè)的局限。同時也對建摸理論的發(fā)展，以及建模仿真工具的進步提出更高的要求。這也正是汽車嵌入式系統(tǒng)或者汽車電控系統(tǒng)核心技術(shù)所在和難點所在?！　∶鎸ζ囯娮酉到y(tǒng)日益增加的復(fù)雜性，為了進一步縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，人們已開始考慮以成本、質(zhì)量、可重用性、可移植性這樣一些非功能性需求驅(qū)動的軟件開發(fā)架構(gòu)體系的建立，如AUTOSAR就是這樣一個主要針對分布式嵌入系統(tǒng)軟件開發(fā)的汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)該架構(gòu)的規(guī)范可實現(xiàn)基本系統(tǒng)功能（基本軟件）標(biāo)準(zhǔn)化和功能接口標(biāo)準(zhǔn)化?！　』谝粋€統(tǒng)一的由標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊組成的開發(fā)設(shè)計平臺，可以避免由異構(gòu)子系統(tǒng)集成而產(chǎn)生的問題，使各電子系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的集成、；匹配更加容易，避免大量基本功能軟件的重復(fù)開發(fā)造成的資金和資源的浪費，使汽車制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商可以專注于開發(fā)具有各自特色的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，同時也使得同步開發(fā)、縮短開發(fā)周期和實現(xiàn)差異化競爭成為可能。

內(nèi)容概要

本書從汽車嵌入式系統(tǒng)的基本組成原理出發(fā)，結(jié)合汽車嵌入式系統(tǒng)所需具備的功能以及特點，分別從硬件、軟件、車載網(wǎng)絡(luò)通信以及車載嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計方法幾個方面介紹嵌入式系統(tǒng)在汽車上的開發(fā)與應(yīng)用。詳細(xì)介紹了車載嵌入式系統(tǒng)的基本概念、硬件、通信網(wǎng)絡(luò)，以及汽車嵌入式系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上對汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法、體系和流程進行詳細(xì)說明，最后給出基于V模式的現(xiàn)代汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。    本書適合作為汽車電子相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可作為從事汽車電子嵌入式技術(shù)的研究開發(fā)人員的參考書。

書籍目錄

第1章  汽車嵌入式系統(tǒng)概述  1.1  汽車電子及汽車嵌入式系統(tǒng)概述  1.2  汽車嵌入式系統(tǒng)的硬件組成  1.3  車載嵌入式系統(tǒng)的軟件組成  1.4  基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式嵌入式系統(tǒng)  1.5  嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基本方法與流程  1.6  汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具  1.7  本章小結(jié)  參考文獻第2章  汽車嵌入式系統(tǒng)的硬件  2.1  嵌入式處理器    2.1.1  嵌入式處理器介紹    2.1.2  嵌入式處理器的總線結(jié)構(gòu)    2.1.3  嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)    2.1.4  嵌入式處理器的選擇  2.2  嵌入式系統(tǒng)的電源    2.2.1  電源變換技術(shù)概述    2.2.2  線性電源變換    2.2.3  開關(guān)電源變換    2.2.4  汽車電源系統(tǒng)的特點  2.3  數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換    2.3.1  概述    2.3.2  模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器    2.3.3  數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器    2.3.4信號調(diào)理  2.4  嵌入式系統(tǒng)的其他硬件    2.4.1  PWM模塊    2.4.2  運算放大器    2.4.3  通信模塊  2.5  嵌入式系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計    2.5.1  嵌入式系統(tǒng)抗干擾及電磁兼容性的定義    2.5.2  電磁干擾原理以及接地技術(shù)    2.5.3  汽車嵌入式系統(tǒng)硬件PCB的電磁兼容性設(shè)計    2.5.4  汽車電磁兼容測試原理及標(biāo)準(zhǔn)  2.6  嵌入式系統(tǒng)常用硬件開發(fā)工具簡介  2.7  本章小結(jié)  參考文獻第3章  汽車嵌入式系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)  3.1  汽車電子通信問題的提出  3.2  車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程  3.3  基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)  3.4  車載網(wǎng)絡(luò)的基本概念  3.5  車載網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)概述    3.5.1  有線傳輸介質(zhì)    3.5.2  無線傳輸介質(zhì)    3.5.3  傳輸介質(zhì)的EMC特性    3.5.4  各傳輸介質(zhì)性能比較分析    3.5.5  傳輸線的阻抗匹配  3.6  汽車網(wǎng)絡(luò)主流協(xié)議及其分類  3.7  車用主流協(xié)議及對比分析    3.7.1  A類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能及特點    3.7.2  B類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能及特點    3.7.3  C類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能及特點    3.7.4  D類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能及特點  3.8  典型的應(yīng)用層協(xié)議    3.8.1  SAE J1939簡介    3.8.2  SAE J1939協(xié)議    3.8.3  SAE J1939應(yīng)用舉例  3.9  本章小結(jié)  參考文獻第4章  汽車嵌入式系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)  4.1  基本概念    4.1.1  嵌入式系統(tǒng)的軟件    4.1.2  嵌入式系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)    4.1.3  嵌入式系統(tǒng)軟件的功能及其特點  4.2  傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)方法及其特點    4.2.1  嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的原則    4.2.2  嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程    4.2.3  嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計要點  4.3  嵌入式操作系統(tǒng)    4.3.1  嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念    4.3.2  嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展歷程    4.3.3  嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核分類及基本結(jié)構(gòu)    4.3.4  嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的基本功能模塊    4.3.5  嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下的任務(wù)    4.3.6  嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方式    4.3.7  嵌入式操作系統(tǒng)下的任務(wù)間通信    4.3.8  嵌入式操作系統(tǒng)實時性要求  4.4  嵌入式實時操作系統(tǒng)    4.4.1  實時系統(tǒng)    4.4.2  嵌入式實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核    4.4.3  幾種典型嵌入式實時操作系統(tǒng)  4.5  汽車電子的開放系統(tǒng)及接口標(biāo)準(zhǔn)——OSEK簡介    4.5.1  OSEK的任務(wù)管理    4.5.2  OSEK的一致類    4.5.3  中斷處理    4.5.4  事件機制    4.5.5  資源管理    4.5.6  警報器管理    4.5.7  OSEK COM和OSEK NM    4.5.8  OSEK OIL    4.5.9  OSEK ORTI    4.5.10  基于OSEK實時操作系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)  4.6  本章小結(jié)  參考文獻第5章  汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法、體系和流程  5.1  汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)趨勢  5.2  基于模型的開發(fā)方法    5.2.1  基于模型的開發(fā)方法體系的定義    5.2.2  MBD方法的優(yōu)勢    5.2.3  MBD的技術(shù)體系    5.2.4  MBD在汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀    5.2.5  MBD小結(jié)  5.3  AUTOSAR體系簡介    5.3.1  傳統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的缺點    5.3.2  AUTOSAR的產(chǎn)生及發(fā)展    5.3.3  AUTOSAR的功能及作用領(lǐng)域    5.3.4  AUTOSAR的核心思想    5.3.5  AUTOSAR相關(guān)技術(shù)    5.3.6  AUTOSAR的優(yōu)缺點    5.3.7  AUTOSAR的前景  5.4  汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程    5.4.1  傳統(tǒng)開發(fā)流程    5.4.2  V模式開發(fā)流程  5.5  汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法論  5.6  本章小結(jié)  參考文獻第6章  基于V模式的現(xiàn)代汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程  6.1  V模式的一般流程  6.2  模型搭建與算法仿真    6.2.1  功能設(shè)計(建模)    6.2.2  快速控制原型(算法仿真)    6.2.3  旁路技術(shù)  6.3  自動代碼生成  6.4  硬件在環(huán)測試    6.4.1  單個ECU的功能測試    6.4.2  測試ECU網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點分布式功能    6.4.3  HIL測試技術(shù)的展望  6.5  在線標(biāo)定    6.5.1  在線標(biāo)定技術(shù)概述    6.5.2  典型的在線標(biāo)定協(xié)議——CCP及其標(biāo)定過程    6.5.3  標(biāo)定工具簡介  6.6  本章小結(jié)參考文獻后記與致謝

章節(jié)摘錄

　?。?）未來汽車的電源的特點　　現(xiàn)代汽車已大量應(yīng)用電子摔制系統(tǒng)和元器件提高汽車的總體性能。例如，全自動窄調(diào)、電動可調(diào)座椅、防抱死制動裝置（ABS）、防滑驅(qū)動裝置（ASR）、緊急制動輔助裝置、安個氣囊系統(tǒng)、安傘帶系統(tǒng)、主動液壓懸架系統(tǒng)、智能車門車窗開關(guān)系統(tǒng)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。如果這些功能用機械來控制，會帶來眾多的不便，而且有些根本無法實現(xiàn)?！　∮捎谠絹碓蕉嗟墓δ苄枰褂秒妱涌刂疲瑒荼厥闺妱訖C的使用數(shù)量及相應(yīng)電動機消耗的電功率增加，以上功能在傳統(tǒng)的12v汽車供電標(biāo)準(zhǔn)下難以實施。由于上述原因，必須使用高電壓供電系統(tǒng)。據(jù)P=UI可知，在輸出功率不變的情況下，若電壓提高一倍，則電流可相應(yīng)下降一半，這表明高電壓提供了減少導(dǎo)線與部件體積、重新設(shè)計電器系統(tǒng)的可能。因此，存保證安全的前提下，新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡可能高，然而歐洲安全法規(guī)指出，當(dāng)供電電壓大于60V時，由于導(dǎo)線和接頭的絕緣材料需大幅度增加，因此會使材料質(zhì)量增加，其成本會增加，這樣存其他方面所獲得的益處大打折扣，因此美國與歐洲的汽車制造商和零部件供應(yīng)商就下一代汽車供電電壓標(biāo)準(zhǔn)在1998年共同達成了36／42新標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。這就足將發(fā)電機輸出電壓14V提高3倍，在相同的功率下，電流會減小到原來的1／3，這樣電氣部件可以更合理地運用存汽車上，而且42V供電系統(tǒng)可對集成一體化起動／發(fā)電機（Integrated Starter-Generator，ISG）、電動離合器、電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線束、開關(guān)和連接器等技術(shù)創(chuàng)新起到推動作用?！　‰妷焊淖儗诱麄€汽車電氣系統(tǒng)的技術(shù)改造，例如現(xiàn)在的蓄電池均為12V，實施升壓后則要相應(yīng)研制生產(chǎn)新型蓄電池。此外，汽車上的發(fā)電機、起動機、雨刮電機、微型電機、燈泡、儀表、繼電器等器件都需改進?！　　?/pre>




編輯推薦
　　全面介紹了汽車嵌入式系統(tǒng)的基本概念和基礎(chǔ)知識，針對汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)方法、軟件架構(gòu)和開發(fā)流程進行了專門的論述，可作為汽車電子專業(yè)的教材及汽車電子工程師的參考書。





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