魯守榮

(無(wú)錫城市學(xué)院， 無(wú)錫 214000)

汽車ECU通用開發(fā)模型設(shè)計(jì)

魯守榮

(無(wú)錫城市學(xué)院， 無(wú)錫 214000)

面對(duì)汽車ECU日益增長(zhǎng)的功能和非功能的需求，傳統(tǒng)的開發(fā)方法和模型架構(gòu)已無(wú)法滿足，為了開發(fā)出滿足功能需求的高質(zhì)量ECU，運(yùn)用基于模型開發(fā)方法和模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)思想，對(duì)汽車ECU通用開發(fā)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討．該模型由ECU計(jì)算獨(dú)立模型CIM(computer independent model)、ECU平臺(tái)獨(dú)立模型PIM(platform independent model) 和ECU平臺(tái)相關(guān)模型PSM(platform specific model) 構(gòu)成，各模型分別對(duì)應(yīng)于ECU功能需求模型、物理邏輯模型和硬件設(shè)計(jì)模型．此ECU通用模型易于擴(kuò)展、移植和重用，對(duì)降低成本、縮短開發(fā)周期以及提高ECU的安全性和實(shí)時(shí)性有著重要的作用．

基于模型設(shè)計(jì)(MBD)； 模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)(MDA)；汽車電子控制系統(tǒng)； ECU開發(fā)模型；組件

汽車工業(yè)中一個(gè)明顯的趨勢(shì)是車輛上的電子裝備越來(lái)越多，并且扮演著重要的角色．在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤、車身控制、車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)控制以及駕駛信息系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品在整車成本中所占比例普遍為25%～35%，在高檔豪華轎車上已占到50%～60%[1]．隨著汽車電子產(chǎn)品、微型控制器和電控單元數(shù)量以及功能需求的不斷增加，使得汽車電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜和困難，開發(fā)人員不僅要面臨著復(fù)雜的功能性(functional) 要求，如設(shè)計(jì)優(yōu)良的軟硬件功能，還要面臨著非功能性(non-functional)的挑戰(zhàn)，如可移植性、可重用性，降低成本和縮短開發(fā)周期、系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠等等．為了迎接挑戰(zhàn)，開發(fā)出高質(zhì)量的汽車電控系統(tǒng)，開發(fā)人員需要不斷改進(jìn)、優(yōu)化開發(fā)環(huán)境，將新技術(shù)、新方法以及開發(fā)汽車電子電器系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到整個(gè)的開發(fā)活動(dòng)中[2]．

基于模型開發(fā)方法和模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)思想設(shè)計(jì)一個(gè)通用的ECU開發(fā)模型，其目的是為了提高汽車ECU的功能安全、降低成本和縮短開發(fā)周期、滿足功能和非功能需求，從而進(jìn)一步推進(jìn)汽車ECU開發(fā)技術(shù)的發(fā)展．

文章結(jié)構(gòu)安排：第1節(jié)闡述了基于模型的開發(fā)方法和模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)思想，它是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ); 第2節(jié)進(jìn)行了ECU的通用模型設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了ECU的需求模型，平臺(tái)獨(dú)立模型和平臺(tái)相關(guān)模型; 最后，第4節(jié)總結(jié)ECU通用設(shè)計(jì)模型的特點(diǎn)和創(chuàng)新之處．

1 基于模型的設(shè)計(jì)方法和模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

基于模型的設(shè)計(jì)方法給汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)帶來(lái)了新的概念,為系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶之間的溝通提供了新的手段，同時(shí)也為系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程的管理提供了新的方法[3-5]．

1.1 基于模型的設(shè)計(jì)方法[6]

基于模型的設(shè)計(jì)方法(model-based design, MBD)是以模型為中心的設(shè)計(jì)方法，此方法抽象出系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，采用特定的建模語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，描述系統(tǒng)的解決方案，并采用形式化的工具對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性[6]．

基于MBD開發(fā)系統(tǒng)的流程同樣分為需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試4個(gè)階段．在需求分析階段，MBD使需求分析的過(guò)程與系統(tǒng)建模過(guò)程一致，從用戶的需求用例開始，逐步展開分析與建模，并采用圖形化的描述語(yǔ)言與用戶溝通，從而能避免需求分析過(guò)程中溝通不暢和分析不徹底的問題．在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，MBD的基礎(chǔ)是對(duì)象模型，每個(gè)對(duì)象模型都由數(shù)據(jù)和組件構(gòu)成．在代碼方面，MBD是由工具自動(dòng)完成的，由此提高了開發(fā)效率，減少人工錯(cuò)誤，保障代碼的效率和穩(wěn)定性．當(dāng)然，目前支持MBD的工具將模型轉(zhuǎn)換成的是框架代碼而非全部代碼，盡管如此，還是直接或間接地提高了開發(fā)效率，降低了設(shè)計(jì)成本．在MBD開發(fā)的過(guò)程中，通過(guò)創(chuàng)建的模型增加了對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理解，從而能提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，此外，系統(tǒng)方案的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)又能降低人為帶來(lái)的一些錯(cuò)誤，再者，通過(guò)基于模型的系統(tǒng)分析、測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，則進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量．

1.2 模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

模型驅(qū)動(dòng)體系架構(gòu)(model driven architecture, MDA)是對(duì)象管理組織(object management group, OMG)發(fā)布的系統(tǒng)開發(fā)框架, 目的是將系統(tǒng)功能和應(yīng)用邏輯模型與底層平臺(tái)技術(shù)分離開來(lái)[5，7]． MDA 的體系中包含4 類模型：計(jì)算獨(dú)立模型(CIM)對(duì)應(yīng)功能需求模型(function model)，平臺(tái)獨(dú)立模型(platform independent model, PIM)是具有高抽象層次、獨(dú)立任何實(shí)現(xiàn)技術(shù)的模型，對(duì)應(yīng)于物理邏輯模型，是系統(tǒng)功能邏輯分析模型．平臺(tái)相關(guān)模型(platform specific model, PSM) 是為某種特定實(shí)現(xiàn)技術(shù)量身定做，PSM與應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān), 對(duì)應(yīng)于硬件設(shè)計(jì)模型，是設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)模型，以及CODE 對(duì)應(yīng)代碼實(shí)現(xiàn)模型[8-9]．

MDA 的核心思想是抽象出與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)、完整描述系統(tǒng)的平臺(tái)獨(dú)立模型PIM，針對(duì)不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)制定變換定義；通過(guò)制定映射規(guī)則，利用轉(zhuǎn)換工具將PIM 轉(zhuǎn)換成與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的PSM；最后，再通過(guò)工具將PSM 自動(dòng)轉(zhuǎn)換成CODE[10-11]．MDA方法和實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示．

圖1 MDA方法

如圖1所示， 將復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能可以分解為一系列單一功能的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可以用簡(jiǎn)單的功能模型(function model)來(lái)描述系統(tǒng)的功能，這些功能模型和T1是建立平臺(tái)獨(dú)立模型(platform independent model,PIM)的基礎(chǔ)，T1轉(zhuǎn)換集成了系統(tǒng)的功能需求．PIM是具有高抽象層次、獨(dú)立任何實(shí)現(xiàn)技術(shù)的模型，它描述了系統(tǒng)的邏輯關(guān)系．PSM是為某種特定實(shí)現(xiàn)技術(shù)量身定做，與實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)．T2,T3……Tn轉(zhuǎn)換集成了PIM到不同實(shí)現(xiàn)平臺(tái)PSM轉(zhuǎn)換的信息，一個(gè)PIM能夠被轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)PSM．

模型聯(lián)系如圖2所示，PIM到PSM，再?gòu)腜SM到代碼可以由工具和定義一系列規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)．PIM、PSM和code模型代表了對(duì)系統(tǒng)不同層次的抽象．從不同的視角來(lái)看待系統(tǒng)，能夠使得開發(fā)人員更加清晰地了解系統(tǒng)的整個(gè)架構(gòu)，而不會(huì)被具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)所干擾，同時(shí)對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，也減少了開發(fā)人員的工作量．使得設(shè)計(jì)者可以將更多的精力集中到分析、設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證上，通過(guò)借助自動(dòng)化工具，可盡量將系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段縮短且減少人為的錯(cuò)誤．為提高系統(tǒng)開發(fā)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性、協(xié)同工作能力和可維護(hù)性，以及文檔編制的便利性提供了解決的路徑．

圖2 模型間聯(lián)系

2 汽車ECU模型架構(gòu)設(shè)計(jì)[12]

遵循MBD和MDA的思想，對(duì)ECU組件設(shè)計(jì)的架構(gòu)如圖3所示， ECU的CIM模型對(duì)應(yīng)ECU功能需求描述，其中包括功能和非功能的需求．CIM 模型的建立需要領(lǐng)域?qū)＜摇⒖蛻魧＜业热藛T的參與，并借助于開發(fā)工具(DOORS、UML)進(jìn)行系統(tǒng)功能和非功能需求描述，并制定定量或定性的評(píng)判準(zhǔn)則．ECU的PIM對(duì)應(yīng)物理邏輯功能模型，由靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為組成，靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)包括： ①基本組件和復(fù)合組件；②組件的端口(port)和接口(interface)；③基本連接器和復(fù)合連接器；④約束條件和協(xié)議．系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為包括：①組件狀態(tài)；② 時(shí)序序列；③人機(jī)交互狀態(tài)．ECU 的PSM對(duì)應(yīng)于平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)模型．

每個(gè)組件的功能是由相關(guān)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)組件實(shí)體都代表一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)或進(jìn)程，它與一般的操作系統(tǒng)具有類似的調(diào)度和運(yùn)行環(huán)境，組件間的通訊、調(diào)用是通過(guò)端口和接口實(shí)現(xiàn)的．由于每個(gè)組件可以承擔(dān)多個(gè)角色，完成多個(gè)任務(wù)，因此，可以為一個(gè)組件定義多個(gè)接口，每個(gè)接口對(duì)應(yīng)不同的接口函數(shù)集合．連接器在組件間起連接作用，它決定組件交互的規(guī)則，并定義所需的輔助機(jī)制，也可將連接器視作特定組件實(shí)體必須遵守的規(guī)則．

圖3 基于MDA的ECU架構(gòu)

2.1 ECU架構(gòu)的PIM模型

ECU架構(gòu)的邏輯功能模型設(shè)計(jì)是定義系統(tǒng)功能的邏輯實(shí)現(xiàn)方法, 針對(duì)ECU的特性要求，定義ECU組件的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)為:

ECU-component=

{P; Irequired; Iprovided; C; O; M }

with finite sets of

ports P,

required interfaces Irequired,

provided interfaces Iprovided,

contracts C assigned to interfaces,

operations O, and

mechanisms M attached to contracts.

ECU組件邏輯模型結(jié)構(gòu)如圖4所示.其中，ECU composit component 是完成一個(gè)ECU功能所需要的所有子功能的集合．在架構(gòu)上根據(jù)需要組裝上所需功能的組件．basic components是不可再分割的子功能，該組件通過(guò)定義操作、接口實(shí)現(xiàn)其功能． ECU non-function requirement 是要求ECU應(yīng)該履行的一些非功能需求，如實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、功能安全性等．contract用來(lái)定義一些條件、約束、協(xié)議等用來(lái)支持real-time mechanisms的功能實(shí)現(xiàn)．real-time mechanisms是非功能需求的實(shí)現(xiàn)機(jī)制．

圖4 ECU組件邏輯模型(PIM)

2.2 ECU架構(gòu)的 PSM模型

圖5 給出了ECU 的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型，在ECU控制系統(tǒng)中，傳感器、處理器、執(zhí)行器是系統(tǒng)的基本硬件組件．硬件連接器從處理器到其它的組件傳送的物理信息與軟件相關(guān)． 汽車ECU硬件組件是物理硬件元素，elementary HW component 代表不包含嵌套的基本單元，可用于直接執(zhí)行．compound HW component代表有層次和嵌套結(jié)構(gòu)的復(fù)合組件，用于輔助執(zhí)行．passive HW component代表一個(gè)數(shù)據(jù)源，例如，有存儲(chǔ)器RAM， 傳感器或者是執(zhí)行器．存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)保留數(shù)據(jù)，其指標(biāo)有存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間、存儲(chǔ)周期和存儲(chǔ)器帶寬等都將在其屬性中定義說(shuō)明． 傳感器可看做一個(gè)資源，可以周期性地從它的環(huán)境采集數(shù)據(jù)，它可被看做是個(gè)只讀存儲(chǔ)器．a(chǎn)ctive HW component 是一個(gè)處理元件，能夠從passive HW component讀或?qū)懶畔?，例如CPU，它將按照控制時(shí)序執(zhí)行．

圖5 ECU平臺(tái)相關(guān)模型(PSM)

圖6是ECU的PIM在PSM上的運(yùn)行，功能組件(function component)代表具有功能行為的一組應(yīng)用程序，該組程序可描述ECU控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性．平臺(tái)組件(platform component)代表各類資源的集合，功能組件在該平臺(tái)組件上運(yùn)行．

圖6 ECU組件PIM在PSM上的運(yùn)行

3 結(jié)束語(yǔ)

將MDA 的思想與MBD的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到ECU模型的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了ECU的通用模型架構(gòu)，ECU平臺(tái)獨(dú)立模型PIM、ECU平臺(tái)相關(guān)模型PSM．該模型架構(gòu)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：(1)在系統(tǒng)開發(fā)的初級(jí)階段就加入系統(tǒng)的非功能性需求，體現(xiàn)在ECU組件的PIM的設(shè)計(jì)中; (2)提高了ECU組件的復(fù)用性和可移植性，由于ECU 架構(gòu)的PIM 是與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的模型，在遇到類似的系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，可以直接使用這些模型; (3)方便裁剪和擴(kuò)展，隨著系統(tǒng)的使用，用戶可能會(huì)提出新的需求或?qū)υ行枨筮M(jìn)行變更以及對(duì)使用的ECU 應(yīng)用程序進(jìn)行改動(dòng)，開發(fā)人員只需針對(duì)改動(dòng)的部分，重新定義或更改轉(zhuǎn)換規(guī)則，構(gòu)成新的PSM 即可，而不需要對(duì)整個(gè)ECU架構(gòu)進(jìn)行修改．

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[12]Lu Shou-Rong.Engineering of Safety-related and Embedded Real-time Systems[D].Waabs:GCA-Verlag,2009.

A General Development Model Design of Automobile ECU

LU Shou-rong

(Dept. of Electronic and Information Engineering, Wuxi City College of Vocational Technology，21400 Wuxi, China)

Confronted with growing functional and non-functional requirements of automotive ECU, the traditional software development methods and the models have been unable to meet the requirements. In order to develop high quality ECU products which meet the requirements, a general development model of automobile ECUs is designed based on model-based design (MBD) and the model-driven architecture approach(MAD). This general ECU model is consists of ECU Computer Independent Model, ECU platform independent model and ECU Platform Specific model, each of them are connected with ECU functional requirements, ECU logical model and ECU hardware model, respectively. This ECU general model is easy to extend, transplant and reuse, it has very important to reduce the cost, shorten the development cycle and improve the safety and real-time properties.

model based design (MBD); model driven architecture (MDA); automotive electronic system; ECU developing model; component

1009-4687(2015)04-0006-05

2015-9-17

魯守榮(1963-),教授/博士,研究方向?yàn)榘踩P(guān)鍵嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)、汽車電控系統(tǒng).

TP221

A