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嵌入式系統是泛計算領域的重要組成部分,是嵌入到對象宿主體系中完成某種特定功能的專用計算機系統。嵌入式系統有體積小、低功耗、集成度高、子系統間能通信融合的優點。隨著汽車技術的發展以及微處理器技術的不斷進步,在汽車電子技術中得到了廣泛應用。目前,從車身控制、底盤控制、發動機管理、主被動安全系統到車載娛樂、信息系統都離不開嵌入式技術的支持。 1 汽車嵌入式系統發展歷程 嵌入式系統誕生于微型機時代,經歷了漫長的獨立發展的單片機道路。嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。與嵌入式微處理器的發展類似,汽車嵌入式系統也可以分為三個發展階段: 第一階段:SCM(Single Chip Microcomputer)系統。以4位和低檔8位微處理器為核心,將CPU和外圍電路集成到一個芯片上,配置了外部 并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統。硬件結構和功能相對單一、處理效率低、存儲容量小、軟件結構也比較簡單,不需要嵌入操作系統。這種底層的汽車SCM系統主要用于任務相對簡單、數據處理量小和實時性要求不高的控制場合,如雨刷、車燈系統、儀表盤以及電動門窗等。 第二階段:MCU(Micro Controller Unit)系統。以高檔的8位和16位處理器為核心,集成了較多外部接口功能單元,如A/D轉換、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等,配置了芯片間的串行總線;軟件結構比較復雜,程序數據量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統能夠完成簡單的實時任務,目前在汽車電控系統中得到了最廣泛的應用,如ABS系統、智能安全氣囊、主動懸架以及發動機管理系統等。 第三階段:SoC(System of Chips)系統。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心,在對海量離散時間信號要求快速處理的場合使用DSP作為協處理器。為滿足汽車系統不斷擴展的嵌入式應用需求,不斷提高處理速度,增加存儲容量與集成度。在嵌入式操作系統的支持下具有實時多任務處理能力,同時與網絡的耦合更為緊密。汽車SoC系統是嵌入式技術在汽車電子上的高端應用,滿足了現代汽車電控系統功能不斷擴展、邏輯漸趨復雜、子系統間通信頻率不斷提高的要求,代表著汽車電子技術的發展趨勢。汽車嵌入式SoC系統主要應用在混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導航、車輛狀態記錄與監控等領域。 2 汽車嵌入式SoC系統 2.1 技術特點 汽車嵌入式SoC系統是嵌入式系統向實時多任務管理、網絡耦合與通信的高端應用過渡的產物,大大提高了汽車電子系統的實時性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統的共有特性之外,它還具有以下幾個優點: (1)對實時多任務處理有很強的支持能力,中斷響應時間1～2μs; (2)具有很強的存儲區保護功能; (3)在嵌入式實時操作系統的支持下能合理進行任務調度,充分利用系統資源; (4)硬件結構和軟件功能都有很強的擴展能力,系統集成度大大提高,降低了成本; (5)超低功耗,汽車靜態功耗為毫瓦級; (6)系統硬件抗干擾能力增強,適應高溫、潮濕、振動和電磁輻射等各種工作環境; (7)實時操作系統支持軟件多線程結構,增強了系統的軟件抗干擾性; (8)提供強大的網絡通信功能,具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口,支持相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件,提供容錯數據傳輸能力和更大通信帶寬。 2.2 系統結構 汽車嵌入式SoC系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理器和外圍設備,軟件包括應用軟件和操作系統。軟件通過數據結構、算法和通訊協議實現汽車電子控制策略,硬件則為軟件提供了運行平臺,執行具體控制。 汽車嵌入式SoC硬件系統集成度越來越高,一般為模塊化結構,如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過IP總線擴展實時時鐘模塊、SRAM(靜態隨機存儲器)及大容量FLASH,配置CAN總線與USB通信模塊,無縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉換接口與統一的高速緩沖存儲器,支持RISC技術、多級流水線技術與在片調試技術。系統的實時處理能力、可靠性和網絡通信能力大大增強。 現代汽車電子系統從單一控制逐漸發展到多變量多任務協調控制,軟件越來越龐大,越來越復雜,使得汽車嵌入式系統需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車嵌入式SoC系統軟件的典型結構。它采用基于標準化接口和通訊協議的模塊化軟件設計,系統內部通訊由交互層直接完成,保障應用程序間的信息傳送。網絡層擁有數據流處理能力,是不同系統層面間信息交換的中間接口,能最大程度地整合系統資源。嵌入式實時操作系統摒棄了傳統操作系統的前后臺模式,使用總線驅動層和硬件抽象層管理I/O端口,合理分配CPU資源,采用基于優先級的事件管理策略,通過API(應用程序接口)調用應用程序,根據郵箱、消息隊列和信號量機制綜合管理中斷、系統行為和任務。 圖1汽車嵌入式SoC系統結構 2.3 常用的SoC系統平臺 為適應汽車電子系統的發展潮流,各國的半導體和軟件制造商紛紛推出相應的嵌入式SoC產品。 著名的SoC硬件平臺包括:Intel公司的StrongArm核心處理器,擁有32位RISC數據總線、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集,支持在片調試、三級流水線技術和LCD控制;Motorola公司的Dragonball核心處理器,它是32位RISC處理器,擁有16.85MHz時鐘頻率和2.7MIPS的處理速度,無縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出,支持16位端口DRAM;NEC公司的VR核心處理器,它是64位RISC芯片,擁有300MHz時鐘和603MIPS的處理速度,集成統一的L2高速緩沖存儲器、DRAM控制器、PCI-X網橋和10/100MAC設備。著名的SoC軟件平臺即實時操作系統包括  NX公司的QNX、Wind River公司的VxWorks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實時、微核、基于優先級、消息傳遞、搶占式多任務、多用戶分布式網絡操作系統,擁有模塊化結構,內核運行高速穩定,通信能力和擴展裁剪能力很強。 在上述平臺中,StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統在汽車SoC系統中有著良好的應用前景。 圖2 ABS/ASR/ACC集成化系統結構 3 SoC系統的典型應用 汽車嵌入式SoC系統充分適應了汽車的工作環境和技術要求,在汽車電子技術上廣泛應用。其中北京理工大學正在研究的汽車ABS/ASR/ACC集成化控制系統具有代表性。 ABS/ASR/ACC集成化系統是綜合了制動防抱死功能(ABS)、驅動防滑功能(ASR)和自適應巡航功能(ACC)的汽車新型主動安全系統,系統結構如圖2所示。其在硬件上充分利用各個子系統的現有元件,輪速傳感器、發動機轉速傳感器、節氣門位置傳感器、加速踏板傳感器和探測雷達組成傳感器網絡,共用控制器和執行元件。在軟件上應用信息融合、集中控制技術,通過對制動力矩和發動機輸出功率的綜合調節實現汽車制動防抱死、驅動防滑和自適應巡航功能。控制過程充分考慮三個邏輯模塊上的相互關系,實現信息融合共享,例如ABS與ASR的車輪滑動率計算可以統一,ACC探測雷達獲取的車速信息可以用來修正ABS參考車速。 系統選用32位SoC硬件平臺如Dragon ball核心的MC68EZ328取代原來的16位ABS控制器,提高了硬件處理速度與抗干擾能力,端口資源也更豐富。車載雷達選用法國AutoCruise公司生產的AC10型77GHz毫米波車載雷達,雷達信號的處理采用DSP處理器,并通過CAN總線與ABS/ASR/ACC集成系統控制器進行通信。CAN總線傳輸具有數據差動收發、容錯和非破壞性仲裁的能力,傳輸速率高達1 Mbps。采用CAN通信提高了控制系統的實時性,并為系統功能擴展和整車傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓撲結構如圖3所示。 圖3 CAN通信拓撲結構 汽車ABS/ASR/ACC系統軟件集成化的難點是:在保證控制實時性的前提下如何進行中斷管理和協調各項任務的優先級,因此在該系統中引入嵌入式實時操作系統十分必要。實時操作系統能合理分配軟、硬件資源,實時進行多任務并行處理,為系統進行HAC(坡起輔助系統)與EBD(電子制動力分配系統)等功能擴展提供了條件,同時支持多線程的軟件結構,增強了軟件抗干擾性。操作系統選用VxWorks,任務調度采用基于優先級的搶占式策略。ABS/ASR/ACC集成系統中的任務優先級分配策略如表1所示。基于操作系統和任務優先級設定,具體的ABS、ASR和ACC控制功能由API調用應用程序實現。集成系統軟件結構如圖4所示。 圖4 ABS/ASR/ACC集成系統軟件結構 汽車ABS/ASR/ACC集成化系統采用新一代嵌入式技術,提高了系統的實時性、可靠性、可維護性和可擴展性。 4 SoC系統的發展趨勢 汽車嵌入式SoC系統具有卓越的性能,其優越性逐漸被汽車界所認可。今后汽車嵌入式SoC系統將呈現出以下幾個發展趨勢: (1)汽車嵌入式SoC系統將會向FPGA/CPLD(在線可編程門陣列)方向發展,系統由分布式可編程互連邏輯單元構成,單元之間可以交換信息,大量運算由硬件直接完成,體系結構更加靈活,集成度更高; (2)在系統開發上遵循通用的汽車電子系統開放平臺和統一的標準。為了提高軟硬件通用性,加快開發速度,降低成本,SoC系統迫切需要構建統一的標準與開發平臺,歐洲頒布的基于OSEK/VDX標準的MODISTARC規范將是汽車嵌入式系統開發平臺的發展趨勢; (3)隨著汽車局域網技術和智能交通技術的發展,嵌入式SoC系統將會形成以C級或D級網絡為基礎的整車分布式控制系統和以無線通信為基礎的遠程高頻網絡通信系統; (4)嵌入式SoC系統的應用范圍將逐步從高檔車和進口車擴展到低檔車和國產車。 汽車嵌入式系統近年來發展非常迅速,隨著后PC時代的來臨,基于網絡通信和實時多任務并行處理的嵌入式高端應用將會越來越廣泛。汽車嵌入式SoC系統在硬件上采用32位或64位高性能處理器,在軟件上嵌入了實時操作系統,具有功能多樣、集成度高、通信網絡化、開發快捷及成本低廉的特點,在汽車電子控制和車載網絡通信系統方面有著廣泛的應用,是未來汽車電子的最佳解決方案。 |
