【AUTOSAR】01-汽车电子控制系统介绍_阿托萨电车系统

汽车电子技术已成为汽车各方面功能拓展、性能提升的重要技术支撑。随着汽车新能源化和智能化的推进，汽车电子技术的功能需求不断增加，控制软件也越来越复杂。为了提升软件复用度，提高软件开发质量与效率，降低开发风险与成本，由全球汽车制造商、零部件供应商以及其他半导体和软件系统公司联合建立了汽车开放系统架构（AUTomotive Open System ARchitecture，AUTOSAR），并联合推出了一个开放的、标准化的汽车嵌入式系统软件架构——AUTOSAR规范。

作为AUTOSAR系列文章的引子，我们先从汽车电子控制系统开始。

1 电子技术在汽车上的应用

目前，汽车电子技术主要应用于动力传动总成电子系统、底盘电子系统、车身电子系统、汽车通信与娱乐电子系统等。

1.1 动力传动总成电子系统

动力传动总成电子系统主要是保证汽车动力系统在不同工况下均能在最佳状态下运行，从而降低能耗、简化驾驶员的操作，以此来提高汽车的动力性、经济型、舒适性。

1.1.1 传统汽车

传统汽车的动力传动总成电子控制系统主要包括：

• 发动机管理系统（Engine Management System，EMS）
• 自动变速器控制系统（Automatic Transmission Control System）

1.1.2 新能源汽车

新能源汽车的动力传动总成电子控制系统主要包括：

• 整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）
• 混合动力控制单元（Hybrid Control Unit，HCU）
• 驱动电动机控制单元（Motor Control Unit，MCU）
• 电池管理系统（Battery Management System，BMS）
• 燃料电池发动机控制系统（Fuel Cell Engine Control System，FCECS）

1.2 底盘电子系统

汽车底盘由四大系统组成：

• 传动系统
• 行驶系统
• 转向系统
• 制动系统

汽车底盘的控制正在快速向电子化、智能化和网络化方向发展，从而出现了许多底盘电子控制系统。常用者如下：

• 牵引力控制系统（Traction Control System，TCS）
• 电子稳定控制系统（Electronic Stability Control，ESC）
• 电控悬架系统（Electronic Control Suspension System，ECS）
• 定速巡航系统（Cruise Control System，CCS）
• 自适应巡航控制系统（Adaptive Cruise Control，ACC）
• 电动助力转向系统（Electric Power Steering，EPS）
• 防抱死制动控制系统（Anti-lock Braking System，ABS）
• 电子制动力分配系统（Electronic Brakeforce Distribution，EBD）
• 电子控制制动辅助系统（Electronic Brake Assist，EBA）
• 自动紧急制动系统（Autonomous Emergency Braking，AEB）
• 车道偏离预警系统（Lane Departure Warning，LDW）
• 车道保持辅助系统（Lane Keeping Assist，LKA）

1.3 车身电子系统

车身电子控制系统主要用于增强汽车的安全性与舒适性。常用如下：

• 自动采暖通风和空调系统（Heating，Ventilation and Air-Conditioning System，HVAC）
• 胎压检测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）
• 安全气囊系统（Supplemental Restraint System，SRS）
• 座椅位置调节系统（Seat Adjustment Position Memory System， SAMS）
• 雷达车距报警系统（Radar Proximity Warning System， RPWS）
• 倒车报警系统（Reverse Vehicle Alarm System，RVAS）
• 前部碰撞预警系统（Forward Collision Warning System， FCWS）
• 盲点监测系统（Blind Spot Detection，BSD）
• 停车辅助系统（Parking Assist System，PAS）
• 中央门锁控制系统（Central Locking Control System，CLCS）
• 防盗报警系统（Guard Against Theft and Alarm System， GATA）
• 自适应前照灯系统（Adaptive Front-lighting System，AFS）
• 夜视辅助系统（Night View Assist，NVA）
• 疲劳驾驶预警系统（Driver Fatigue Monitor System，DFMS）

1.4 汽车通信与娱乐电子系统

汽车通信与娱乐电子系统主要用于提升驾乘人员的舒适性。常用如下：

• 北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS
• 全球定位系统（Global Positioning System，GPS）
• 汽车音响（Amplifier）
• 收音机（Radio）
• 车载电话（Car Telephone，CT）
• 抬头显示（Head Up Display，HUD）
• 人机界面（Man Machine Interface，MMI）

图1 汽车电子技术逻辑图

2 汽车电子控制系统的基本构成

汽车电子控制系统主要由传感器（Sensor）、电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）和执行器（Actuator）组成，对被控对象（Controlled Object）进行控制。

图2 汽车电子控制系统的基本构成

2.1 传感器（Sensor）

传感器是信号输入装置，作为汽车电子控制系统的信息源。

传感器用于检测和采集各种信息，如温度、压力、转速等，并将这些非电量信号转换成电信号，传给电子控制单元。

2.2 电子控制单元（ECU）

ECU也可称为汽车嵌入式系统（Automotive Embedded System，AES），是汽车电子控制系统的核心。ECU对传感器信号进行处理，通过控制算法向执行器发出控制指令。

电子控制单元通常由硬件、软件两部分组成：

• 硬件
  • 微控制器（Microcontroller，MCU）及外围电路
• 软件
  • 硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）
  • 嵌入式操作系统
  • 底层软件层
  • 应用软件层

2.3 执行器

执行器为执行某种控制功能的装置，用于接收来自ECU的控制指令，并对控制对象实施相应操作。

图3 汽车电子控制系统逻辑图

3 车用控制器软件标准

3.1 OSEK/VDX标准

汽车控制的特点是高精度、高实时性、高可靠性。因此，实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）逐渐在ECU中使用。但不同实时操作系统的API不同，导致应用程序的移植性较差。

为了解决这个问题，德国汽车工业界于1993年提出了汽车电子开放式系统及其接口标准（OSEK）。1994年，将法国工业使用的汽车分布式执行标准（Vehicle Distributed eXecutive，VDX）也纳入该体系，并在 1995年的研讨会上得到共识，从而产生了OSEK/VDX标准。

OSEK/VDX标准包括以下七个部分：

• OSEK/VDX操作系统规范（OSEK Operating System，OSEK OS）
• OSEK/VDX通信规范（OSEK Communication，OSEK COM）
• OSEK/VDX网络管理规范（OSEK Network Management， OSEK NM）
• OSEK/VDX实现语言规范（OSEK Implementation Language， OSEK IL）
• OSEK/ORTI运行时接口规范（OSEK Run Time Interface）。
• OSEK-Time时间触发操作系统规范（OSEK Time- Triggered Operating System）
• OSEK FTCom容错通信规范（OSEK Fault- Tolerant Communication）

OSEK/VDX标准在一定程度上使得应用层软件和底层软件分离，提升了应用软件的可移植性。此外，使用符合OSEK/VDX标准的嵌入式操作系统可以提高代码复用率，提升开发效率，降低开发成本。但由于不同整车企业和零部件供应商缺乏兼容性工具，使得开发者需要花费大量时间在基础软件的实现和优化上，对于新的需求，还需要花费大量的精力调整软件的接口。总之，OSEK/VDX标准没能解决跨平台化高效地进行嵌入式系统软件的移植。

3.2 EAST-EEA

随着汽车分布式嵌入式系统软件复杂度的快速增长，汽车工业界的设计方式从以硬件设计和组件驱动为主向以需求设计和功能驱动为主转变。

在该进程中，较有代表性的是EAST-EEA项目。EAST-EEA是ITEA（International Test and Evaluation Association）资助的面向汽车领域嵌入式系统架构的研究项目，其目标是通过建立面向汽车工业的通用嵌入式系统架构，实现接口的标准化并提升复杂系统开发的质量与效率。最终，EAST-EEA项目定义了一个分层的软件架构，并提出了一个“中间件”的层次来提供支持嵌入式系统模块在不同平台之间移植的接口和服务。并且，EAST-EEA项目还定义了公共的架构描述语言（Architecture Description Language，ADL）。EAST-EEA项目的研究成果可谓是AUTOSAR规范的雏形。