汽车嵌入式系统手册

突出显示了汽车世界在需求、技术和商业模式方面的鲜明特征，并在以下领域呈现了先进的方法论和技术解决方案:
•车载架构；
•多方面开发流程(子系统集成、产品线管理，等)；
•软件工程方法；
•嵌入式通信；
•安全性和可靠性评价：确认、验证和测试。

《汽车嵌入式系统手册》对现有和未来的汽车电子系统进行了全面概述。突出了汽车领域的需求，以及科技和商业模式的显著特点，包括车载信息系统架构、多方开发过程（子系统集成，生产线管理等）、软件工程方法、嵌入式通信、安全性和可靠性评估（审定，核查和测试）等内容这本书的作者有的是工业领先的专家，有的是处于汽车领域前沿的行业研究机构人员。对汽车电子通信领域的研究人员和技术人员有很好的参考价值。

译者序I
前言III

部分 汽车嵌入式系统架构
1 汽车功能域及其要求 1
1.1概述                                                 
1.2功能域                                               
1.2.1动力总成域                                       
1.2.2底盘域                                           
1.2.3车身域                                           
1.2.4多媒体、远程信息处理与人机界面                   
1.2.5主动/被动安全                                    
1.2.6诊断                                            
  1.3标准化的部件、模型及流程                            
1.3.1车载网络和协议                                 
 1.3.2操作系统                                        
1.3.3中间件                                          
1.3.4汽车应用中的架构描述语言                        
  1.4车载嵌入式系统的关键安全认证问题                    
  1.5结论                                                
参考文献 

2  AUTOSAR（汽车开放式系统架构）标准的应用  
  2.1动机                                               
2.1.1以前软件结构的缺点  
2.1.2设置AUTOSAR  
2.1.3AUTOSAR的主要目标                               
2.1.4AUTOSAR中的工作方法                             
2.2 AUTOSAR的支柱：AUTOSAR架构                         
2.2.1AUTOSAR概念                                    
2.2.2分层的软件架构                                 
2.3AUTOSAR标准化的主要领域：BSW和RTE                  
2.3.1BSW                                    
2.3.2 BSW的一致性的类                               
2.3.3 RTE                                            
2.4 AUTOSAR标准化的主要领域：方法和模板                
2.4.1 方法的主要目标                                 
  2.4.2 方法描述                                       
  2.4.3 AUTOSAR模型、模板及交换格式                    
2.4.4 系统配置                                       
  2.4.5 ECU配置                                       
  2.4.6 实施现有开发流程与调节工具                     
2.5 实践中的AUTOSAR：一致性测试                       
2.6 实践中的AUTOSAR：移植到AUTOSAR ECU之上             
2.7 实践中的AUTOSAR：OEM-供应商协作的应用              
2.8实践中的AUTOSAR：AUTOSAR与ECU兼容性的演示            
 2.8.1 演示仪描述                                      
 2.8.2 演示仪展示的概念                                
2.9 商业考虑                                    
2.10 展望                                      
参考文献                                        

3  智能车辆技术
3.1 概述：道路运输及其发展                            
   3.1.1如此美妙的产品                                   
   3.1.2安全问题                                         
   3.1.3交通拥堵问题                                     
3.1.4能源和排放                                       
   3.1.5小结及本章介绍的内容                             
  3.2 新技术                                           
   3.2.1传感器技术                                       
3.2.2传感器融合                                       
   3.2.3无线网络技术                                   
   3.2.4智能控制应用                                     
   3.2.5驾驶助力                                   
  3.3 可靠性问题                                        
   3.3.1介绍                                            
   3.3.2故障安全的汽车运输系统                           
   3.3.3智能汽车诊断                                     
 3.4 完全自动的车：梦想还是现实？                        
   3.4.1自动化道路车辆                                   
   3.4.2自动化道路网络                                   
   3.4.3自动化道路管理                                   
   3.4.4路径部署                                         
   参考文献                                              

第二部分 嵌入式系统通信
4  嵌入式汽车协议综述                               
4.1 汽车通信系统：特点和约束条件                        
   4.1.1从点到点通信到多路通信                           
   4.1.2汽车的域及其演变                                 
   4.1.3对于不同需求的不同网络                          
   4.1.4事件触发与时间触发                               
 4.2 车载嵌入式网络                                      
   4.2.1优先总线                                         
   4.2.2TT网络                                          
   4.2.3低成本汽车网络                                  
4.2.4多媒体网络                                       
  4.3中间件层                                            
   4.3.1中间件的原理                                     
4.3.2优于AUTOSAR的汽车MW                              
   4.3.3AUTOSAR                                          
  4.4 汽车通信系统的开放性问题                           
   4.4.1优化的网络架构                                   
   4.4.2系统工程                                         
   参考文献                                              

5  FlexRay协议                                           
  5.1 概述                                               
5.1.1事件驱动通信与时间驱动通信                       
   5.1.2 FlexRay的目标                                   
   5.1.3 FlexRay的历史                                   
  5.2 FlexRay通信                                        
   5.2.1 帧格式                                          
   5.2.2 通信周期                                        
   5.2.3 静态段                                          
   5.2.4 动态段                                          
  5.3 FlexRay协议                                       
   5.3.1 协议架构                                      
   5.3.2 Wakeup（唤醒）和Starup（启动）协议            
5.3.3唤醒                                           
   5.3.4时钟同步                                       
   5.3.5容错机制                                       
  5.4 FlexRay应用                                      
   5.4.1 FlexRay实施                                   
5.4.2 FlexRay工具支持                               
  5.5总结                                              
   5.5.1 研发的影响                                    
   5.5.2FlexRay验证                                   
   参考文献                                            

6  可靠的汽车CAN网络
 6.1概论                                             
6.1.1汽车网络的主要要求                            
6.1.2网络技术                                      
6.1.3 CAN的特点和局限性                            
   6.2 数据一致性问题                                  
6.2.1CAN网络中瞬时通道故障的管理                   
6.2.2数据一致性的故障                              
6.2.3数据不一致的概率场景                          
6.2.4在CAN网络上真正实现数据一致性的解决方案      
6.3CANcentrate和ReCANcentrate: CAN网络的星型拓扑结构
 6.3.1基本原理                                     
6.3.2CANcentrate和ReCANcentrate基础             
 6.3.3其他考虑                                     
6.4CANELy                                        
 6.4.1时钟同步                                     
 6.4.2数据一致性                                   
 6.4.3错误控制                                     
 6.4.4容错支撑                                     
 6.4.5CANELy的局限性                               
6.5 FTT-CAN: CAN网络上弹性时间触发通信            
6.5.1 FTT系统架构                                  
6.5.2 双相基本周期                                
 6.5.3 SRDB                                         
6.5.4 EC内的主要时间参数                           
 6.5.5容错特征                                     
 6.5.6访问通信服务                                 
6.6FlexCAN: 一种确定的、弹性的和可靠的车载网络架构    
6.6.1控制系统事务
6.6.2FlexCAN架构    
6.6.3 FlexCAN如何解决CAN 的局限性              
6.6.4FlexCAN应用及小结                         
6.7解决CAN网络可靠性的其他方法                     
 6.7.1 TTCAN                                       
 6.7.2使用CAN网络的容错时间触发通信                
6.7.3 TCAN                                        
6.7.4ServerCAN                                  
6.7.5 CAN网络上容错时钟同步                       
6.8 结论                                           
  参考文献                                         

第三部分 嵌入式系统软件及其发展过程
7  汽车电子产品生产线
7.1简介                                             
7.2汽车产品线特性                                   
  7.2.1软件产品线基本概念                           
  7.2.2有关产品线工程的汽车电子的特性与需求         
 7.3基本术语                                        
  7.3.1软件产品线                                   
  7.3.2变异性                                       
  7.3.3特征建模-作为可变性建模的一种形式            
  7.3.4讨论：汽车域的特征建模                       
7.4汽车产品线可变性的全球协作                     
7.4.1小到中型的产品线的协作                        
7.4.2高度复杂的产品线协作                          
7.5部件级别的变异性                                 
 7.5.1基本方法                                      
 7.5.2与局部部件变异性有关的困难                    
 7.5.3表示ECU要求规定中的变异性                    
 7.5.4表现的评估                                    
 7.5.5对公共基础的映射表现                          
 参考文献                                           

8  汽车电子中软件的复用
8.1软件的复用：汽车OEM所面临的挑战                  
8.2汽车领域中软件复用的必要条件                 
8.3支持汽车上应用软件的复用                       
8.4应用实例                                      
8.5结论                                             
 参考文献                                           
9  汽车嵌入式系统架构描述语言（ADL）                    
9.1介绍                                            
9.2工程信息的挑战                                  
9.3 实践状态                                    
9.4 ADL解决方案                                  
9.5现存的ADL方法 
9.6结论                                             
参考文献                                           

10  基于模型的汽车嵌入式系统的开发                      
10.1简介和本章概要                                  
10.2汽车嵌入式系统推动MBD                           
10.3 背景、关注和要求                               
10.4 MBD技术                                      
10.5 MBD艺术与实践简介                             
10.6 在工业领域采用MBD的准则                      
10.7结论                                           
参考文献                                          

第四部分  验证，测试和定时分析
11  汽车控制软件测试  
11.1引言                                             
11.2 测试活动和测试技术     
11.3开发过程中的测试  
11.4 测试计划    
11.5 总结  
参考文献                                            

12  基于FlexRay应用模块的测试和监控 
12.1 基于FlexRay应用模块介绍                       
12.2 测试与监控目标                        
12.3监控与测试方法  
12.4 测试方法讨论       
12.5 结论       
 参考文献                                

13  基于CAN网络的汽车通信系统的时序分析 
13.1 简介                                   
13.2 CAN            
13.3 CAN调度           
13.4 调度模型           
13.5 响应时间分析           
13.6 时序分析综合误差影响  
13.7 整体分析  
13.8 中间件和帧封装        
13.9 总结 
 参考文献                                

14  主要性能提升方式：使用偏移方式调度CAN信息        
14.1 概述                                       
14.2 偏移分配算法                                
14.3 实验设置           
14.4 WCRT上使用偏移的优势    
14.5 偏移可允许更高的网络负荷      
14.6 结论         
参考文献

15  汽车域的形式化方法：TTA（定时触发架构）概况        
15.1简介                                            
15.2感兴趣的话题                                    
15.3 建模方面               
15.4 验证技术           
15.5 前景          
 参考文献                

原著前言
《汽车嵌入式系统手册》一书旨在提供一个全面的、对现有和未来汽车电子系统的概述。本书突出显示了汽车世界在需求、技术和商业模式方面的鲜明特征，并在以下领域呈现了先进的方法论和技术解决方案:
•车载架构；
•多方面开发流程(子系统集成、产品线管理，等)；
•软件工程方法；
•嵌入式通信；
•安全性和可靠性评价：确认、验证和测试。
这本书主要针对汽车工程专业人士，本书一般可以作为超出他们专业知识领域技术问题的参考书，及处于实践或研究阶段工程师的参考书。另一方面，本书也针对来自学术界的研究型科学家、博士生和硕士研究生，因为本书为他（她）们提供了一个全面了解该领域及该领域面临的主要的科学挑战。
在过去的10年里，嵌入到汽车中、基于计算机的功能数量呈指数倍数增加。开发流程、技术和工具已经改变，以适应变革。一系列的电子功能-如导航、自适应控制、交通信息、牵引控制、稳定控制和主动安全系统已经在今天的车辆上实现。这些新功能并不是独立的，言下之意它们需要信息交换-且有时有严格的时间限制、有时要用到其他功能。例如，通过发动机控制器或者通过车轮转速传感器估计的车辆速度需要知道，这是为了调整方向、控制悬架，或简单地选择正确的雨刷速度。嵌入式体系结构的复杂性正在不断增加。今天，多达2500个信号(即如车速这样的基本信息)通过多达70个电子控制单元(ECU)或通过5种不同类型的网络来交换。

汽车工业的主要挑战之一就是想出方法和工具，加快来自各种供应商的不同电子子系统集成到汽车的全球电子架构。在过去10年里，几个行业项目已经在这个方向上进行(AEE∗、EAST、AUTOSAR OSEK / VDX，等等)，且已经取得重要成果 (例如，标准组件-如操作系统、网络和中间件、“很好实践”，等等)。下一步是构建一个接受开放的软件体系架构以及相关的开发流程和工具，它们应该允许容易整合不同的汽车制造商和第三方供应商提供的功能和ECU。这是AUTOSAR项目正在进行的工作。
因为嵌入在汽车上的所有功能没有相同的性能或安全，因此不同子系统期待不同的服务质量。在通常情况下，一个车载嵌入式系统分为几个功能域，它们对应于不同的特性和约束。它们中有两个特别与车辆行为的实时控制和安全有关:“动力总成”(即控制发动机和变速箱)和“底盘”（即控制悬架、转向和制动)域。对于这些安全至关重要的域，技术解决方案必须确保该系统是可靠的(即能够提供值得信任的服务)，且同时具有成本效益。
这些技术问题非常具有挑战性，特别是由于引入了线控功能-它利用电子系统取代机械或液压系统，比如制动或转向。设计范式(时间触发、“构建的安全”)、通信网络(FlexRay、TTP / C)和中间件层(AUTOSAR COM)目前正在积极发展，目的是为了解决对可靠性的需求。
汽车工业中的主要成员可以分为:
•汽车制造商；
•汽车第三方供应商；
•工具和嵌入式软件供应商。
它们之间的关系是非常复杂的。例如，提供关键技术的供应商有时处在一个非常强势的位置，他们可能把技术方法强加给汽车制造商。由于汽车制造商和供应商之间的竞争非常激烈，所以保守公司的技术机密是至关重要的。这已经在技术领域产生了巨大的影响。例如，可能需要进行的系统的验证(即验证系统满足其约束)所使用的技术，不需要设计基本原理和实施细节的全部知识。
缩短上市时间将给汽车制造商添加附加压力，这是因为汽车制造商必须能够提出自己的创新-这通常依赖于电子系统在一个时间框架内，允许这些创新真正视为创新。涉及的成员努力减少开发时间，而与此同时系统的整体复杂性增加-这要求更多的时间。这就解释了为什么尽管存在经济竞争，但他们仍然同意一起工作，来定义标准组件和参考架构，从而将有助于降低总的研发时间。
本书包括了15章内容，他们主要由来自工业与学术界直接参与工程和研究活动的权威专家撰写。在汽车领域处于前沿的工业或工业研究机构也为本书作出了许多贡献，他们是：西门子(德国)、ETAS(德国)、沃尔沃(瑞典)、Elektrobit(芬兰)、Carmeq(德国)、MathWorks有限公司(美国)、奥迪(德国)。通过一些世界著名机构展示了来自学术界和研究机构的贡献，这些机构有：柏林技术大学(德国)、LORIA-南茜大学(法国)、INRIA(法国)、南特中央理工大学(法国)、KTH(瑞典)、梅拉达伦大学(瑞典)、凯特林大学(美国)、阿威罗大学(葡萄牙)和乌尔姆大学(德国)。
本书编排内容介绍如下：
（1）汽车架构
这部分内容对汽车嵌入式系统、它们的设计约束、新兴的、事实上的标准-AUTOSAR进行了全面介绍。第1章-“车辆功能域和它们的需求”，介绍了嵌入在汽车上的主要功能，及如何将这些功能分为功能域(底盘、动力总成、车身、多媒体、安全和人机接口)。一些介绍性文字描述开发过程的特点，以及需要考虑的安全、舒适、性能和成本上的要求。
在第2章-“AUTOSAR标准的应用”中，作者解决了车载嵌入式电子架构的标准化问题。他们分析了汽车行业的软件现状，提出了在AUTOSAR联盟中标准化规范的详细说明。对AUTOSAR必须特别注意，因为它正在成为一个标准，每个人都必须理解和对付它。
接着在第3章-“智能车辆技术”中，提出的关键技术也已经被开发出来，它们用以满足今天的、明天的汽车的挑战-来自安全、更好地利用能源、更好地利用空间（尤其是在城市中）。这些技术，如先进的传感器(雷达、立体视觉等)、无线网络或智能辅助驾驶，将提升部分或全部自动车辆的概念，它们将重塑交通景观和上班一族在二十一世纪的旅行经验。
（2）嵌入式通信
越来越复杂的电子架构嵌入在车辆中和传感器和执行器位置约束，使得汽车行业采用分布式方法实现功能集。在这种背景下，网络和协议是*重要的。它们在集成功能、减少布线的成本和复杂性、装备容错工具方面，提供关键的支持。其性能和可靠性的影响是至关重要的，因为大量的数据是通过网络提供给嵌入式功能。这部分包括第4、第5和第6章内容-专门研究网络和协议。
第4章-“嵌入式汽车协议综述”，概述了用于汽车系统的主要协议；它介绍了CAN、J1850、FlexRay、TTCAN的特点和功能方案，并介绍了传感器/执行器网络（LIN、TTP / A）和多媒体网络（MOST、IDB1394）的基本概念。本章总结了对通常由中间件层提供的通信相关的服务识别以及AUTOSAR对策建议的概述。
CAN是目前在车辆上实施*广泛的网络。然而，尽管CAN拥有一定的效率和性能，但它并不拥有关键安全性应用程序所需的特征。第6章-“可靠的汽车CAN网络”的目的是指出它的局限性（它减少了可靠性），并提出技术解决方案来克服或减少这些局限性。特别的是,作者介绍了基于CAN的技术、协议和架构，它们可以在某些方面提高原始协议的可靠性，而同时仍然维持高水平的灵活性，即（Re）CANcentrate、CANELy、FTT-CAN和FlexCAN。
随着技术的发展，越来越多的功能对数据带宽方面有的强烈需求。此外，安全要求越来越变得严格。在2000年，为了解决这两个限制，汽车工业开始开发一种新的协议-FlexRay。第5章-“FlexRay协议”，解释了FlexRay的基本原理，并对它的特点和功能方案给出了一个全面的概述。*后，以评估FlexRay对开发过程的影响对该章进行了总结。
（3）嵌入式软件与研发流程
嵌入式电子系统的设计流程依赖于在一个特定的并行工程的方法下汽车制造商与供应商之间的紧密合作。通常情况下，汽车制造商提供子系统的规范给供应商-他们然后负责这些子系统的设计与实现-包括软件和硬件组件，并可能包括机械或液压部分。结果提供给制造商，他们依次将它们集成到汽车上，并对它们进行测试。然后是“校准”阶段，它包括调谐控制和参数调节，以满足控制系统所需的性能。在集成阶段检测到任何错误会导致在规范或设计步骤代价高昂的修正。因此，为了提高开发过程的效率，新的设计方法正在崛起，特别的是，一个虚拟平台的概念目前在汽车电子系统设计中获得认可。
虚拟平台的概念需要适合开发过程每一步设计和验证活动的建模技术。在这种背景下,基于模型的开发(MBD)已经被汽车制造商和供应商进行了广泛的研究。汽车工业如何适应这种方法已在第10章-“基于模型的汽车嵌入式系统研发”中讨论。这一章确定了基于模型的开发带来的好处，探索了实践状态，并探究汽车工业的主要挑战。
汽车系统的一个主要问题是减少上市时间，复用组件或子系统是实现这一目标的途径之一。在第8章-“汽车电子中软件的复用”中，作者概述了在汽车行业复用软件时所面临的挑战，介绍了制造商和供应商在复用问题上的不同观点，并介绍了多合作伙伴开发方法的影响。
在参与研发的不同合作伙伴之间共享相同的建模语言是简化合作开发过程的一种有效手段。（建立）这样一种语言的主要目的是：一方面根据不同的观点支持描述研发不同阶段（需求规范、功能规范、设计、实施和调谐，等等)的系统；另一方面，以确保这些不同观点之间的一致性。另一个重要方面是能够把嵌入式系统的结构映射成组件（硬件组件、功能组件、软件组件）架构。由架构描述语言(ADL带来的思想和原则是完全适合这些目标。什么是ADL？为什么需要ADL？现有的ADL及其相关的主要内容是什么？现在汽车行业中正在进行的主要工程是什么？这些问题的答案都可以在第9章“汽车架构描述语言”中找到。
产品线的引进和管理在汽车行业中具有重要意义。这些产品线与机械系统的变化、某些客户视觉变化联系起来，并在新车上提供。第7章-“汽车电子产品线”的目的是呈现整个开发过程中系统规划和持续管理的差异性。本章为研发的不同阶段提供了如何建立可变性模型的一些技术，以及可追溯性准则。
（4）验证、测试和时间分析
汽车上的一些功能从安全的角度来说是至关重要的，例如底盘或动力总成域的某些功能。因此，确认和验证是*重要的。
测试可能是汽车行业*常用的验证技术。第11章-“测试汽车控制软件”介绍了一般测试方法。特别的是，该章描述了与测试活动有关的当前实践和几种方法，如分类树方法、测试场景选择方法和黑盒/白盒测试流程。正如早已提及的，通信网络和协议是一个嵌入式系统的可靠性和性能的关键因素。因此，通信架构的特定属性必须验证。第12章-“基于FlexRay应用程序的测试和监控”讨论了测试技术应用到FlexRay协议中。作者总结了在汽车应用程序的开发过程中验证步骤的约束，并解释了为什么故障注入和监测技术可以用于测试FlexRay。
由于CAN是嵌入在汽车上*受欢迎的网络，因此其评价是（大家）长时间的研究主题。第13章-“基于CAN网络的汽车通信系统的时序分析”总结了过去15年在CAN时序分析领域取得的主要成就。特别的是，它解释了如何计算帧在到达接收端之前所经历的时间延迟界限 （即帧的响应时间）。本章还将包括考虑出现的传输错误-例如由于电磁干扰。由于CAN的介质访问控制协议是基于帧的优先级，因此CAN拥有良好的实时特性。然而，正变得越来越有问题的一个缺点是其有限的带宽。由汽车制造商正在研究的一个解决方案，就是使用偏移来调度信息-它将导致信息帧的去同步化。正如第14章-“使用偏移在控制器局域网络上调度信息:一个主要性能提升”所示，这种“交通塑造”在*差工况响应时间方面的策略是非常有益的。实验结果表明：合理的偏移可以进一步延长CAN的寿命，并可以推迟引入FlexRay和额外的CAN。
第15章“汽车域中的形式化方法：TTA案例”介绍了在时间-触发架构（TTA）方面进行的形式化验证研究，以及更具体的涉及时间触发协议（TTP / C）的工作，该协议是TTA底层通信网络的核心。这些形式化验证工作都集中在分布式系统的关键算法：时钟同步、组成员算法或启动算法，并在可靠性保证方面带来了出色表现。据我们所知，TTA不再被汽车考虑或在汽车上实施。尽管如此，使用TTA形式化验证的多年经验对于比如FlexRay这样的其他汽车通信协议，肯定被证明是非常宝贵的-尤其是在认证程序将对汽车系统强制执行的视角来看。现在对航空电子系统是强制执行TTA的。
我们衷心感谢所有作者在致力展示本书内容所付出的时间和精力。我们也非常感谢工业信息技术系列丛书编辑-理查德拉夫斯基博士的不断的支持和鼓励。*后，我们要感谢CRC出版社同意出版本书，并感谢他们在编辑过程中的帮助。
我们希望你-本书读者，能为自己的研究或应用找到一个有趣的灵感源泉，并希望本书将作为汽车嵌入式系统一个可靠的、完整的、齐全的信息来源。
主编
Nicolas Navet
Francoise Simonot-Lion