汽车电子与软件架构概述我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师（Wechat：gongkenan2013）。 老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：“  本文大体如下：1、背景信息2、通信网络3、硬件架构4、软件架构 一、背景信息电子电气架构(Electrical/Electronic Architecture，EEA)是电子电气系统的总体布置方案，它把汽车里的各类传感器、中央处理器、ECU、线束拓扑、信息娱乐系统以及底盘系统等的电子电气分配系统和整车软硬件进行系统化、规范设计，实现整车的功能配置，以及运算、动力和能量的分配.电子电气架构（EEA）是汽车中电子和电气系统的总体布局方案，它涉及传感器、中央处理器、ECU（电子控制单元）、线束拓扑、信息娱乐系统、底盘系统等电子电气分配系统和整车软硬件的系统化、规范化设计。以下是电子电气架构的一些关键组成部分： -> 传感器和执行器：这些是车辆感知环境和执行操作的基础元件，如速度传感器、温度传感器、制动执行器等;-> 电子控制单元（ECU）：它们是车辆中用于控制各种功能的专用计算机，如发动机管理、防抱死制动系统（ABS）等。-> 线束拓扑：指的是电线和电缆的布局，这对于确保电信号正确传输至关重要。-> 信息娱乐系统：包括车载多媒体、导航系统等，这些系统需要与车辆的其他部分进行数据交换。-> 动力和能量分配：涉及到电池管理系统、电机控制等，特别是在电动汽车中尤为重要。-> 软硬件整合：软件和硬件的协同工作是实现车辆功能的基础，这包括操作系统、应用程序以及与之配套的硬件平台。-> 中央电器盒的设计：这是车辆电子系统的核心部分，负责电源分配和信号处理。-> 连接器设计：确保各个电子组件之间能够可靠地连接和通信。-> 客户功能需求：电子电气架构需要满足用户对车辆性能、安全、舒适性等方面的需求。-> 电子电气架构的发展对于提升汽车的性能、安全性和用户体验起着至关重要的作用。它不仅需要考虑到当前的技术和应用，还要有足够的前瞻性以适应未来技术的发展。基于目前软件定义汽车的发展趋势，软件在汽车上发挥了越来越重要的作用，而电气则与电子和软件系统耦合较弱。因此，本书将在电子电气架构的概念中，重点强调电子与软件架构(Electronic/Software Architecture，ESA)的基本概念和体系。电子与软件架构的核心是建立异构、分布式电子系统的规范化框架，统一面向物理系统的实时控制和面向车路一体全生命周期的数字信息处理，其规范化的核心是定义功能和接口，为有机融合底层硬件、通信协议、操作系统、用户软件和开发工县奠定基础。汽车电子与软件架构包括电子系统的拓扑架构、软件架构、硬件架构、通信架构等如图所示: 二、通信网络汽车电子网络拓扑与通信架构设计需要收集产品需求，针对不同的功能需求、数据交互量级规划不同网段,进行不同网段的网络系统设计并分配网络负载,选择合适的网络通信协议等其中通信协议需要定义如何跨边界交换数据，包括硬件边界和软件边界其主要内容包括:1)逻辑功能:逻辑功能定义了如何将整体功能以软件或硬件的方式实现,逻辑功能中的元素可以映射到应用层以及底层软件或硬件架构中，并还需定义接口和连接，根据功能的实现方式，在汽车电子中功能架构主要分为分布式和集中式，2)网络拓扑:定义不同节点之间的连接方式、信息传递方式等,是通信技术在汽车电子约束下的典型应用,目前主要有总线型和交换型。分布式汽车电子拓扑架构一般采用总线型通信协议，如CAN总线:集中式汽车电子拓扑架构中更加倾向采用交换型网络，如以太网。在设计汽车电子网络拓扑与通信架构时，需要收集的产品需求涉及多个方面，包括但不限于：-> 功能需求：明确车辆各个系统和组件的功能需求，如动力控制、车身控制、信息娱乐系统等。-> 数据交互量级：评估不同系统间的数据交互量级，以确定数据传输的带宽需求。-> 安全性要求：考虑车辆安全性能的需求，如防止未授权访问和确保数据的完整性。-> 实时性要求：对于需要快速响应的系统，如自动驾驶系统，需要特别关注其实时性要求。-> 可扩展性：设计时应考虑未来可能增加的新功能或系统，确保架构具有良好的可扩展性。-> 能效要求：考虑系统的能效，特别是在电动汽车中，能效对续航里程有直接影响。-> 环境适应性：汽车电子设备需要适应恶劣的环境条件，如温度变化、振动等。-> 法规遵从性：符合汽车行业的相关法规和标准，如ISO、SAE等。基于这些需求，设计过程通常包括以下几个步骤： -> 规划不同网段：根据功能需求和数据交互量级，将网络划分为不同的网段，如动力总线、车身总线、舒适总线等。-> 网络系统设计：为每个网段设计网络系统，包括选择合适的网络拓扑结构，如星形、环形或总线形。-> 分配网络负载：合理分配网络负载，确保数据传输的高效性和可靠性。-> 选择通信协议：选择合适的网络通信协议，如CAN、LIN、MOST或以太网，以及定义跨边界交换数据的规则，包括硬件边界和软件边界。-> 测试与验证：设计完成后，进行仿真和实车测试，验证通信架构的性能是否符合设计要求。三、硬件架构汽车电子的硬件部分有ECU、电子电路、线束等。硬件架构是根据整车要实现的功能按照一定的划分规则，比如按空间布局规划出相应的控制部件，同时考虑部件之间的连接关系和依赖关系。硬件架构主要包括以下几种:1)芯片内核架构:一般是指处理器(芯片)的核架构，如ARM 的Cotex-A 系列等硬件组件架构。2)ECU 电子架构:通过电路图描述 ECU 的内部结构，如电源、接地、微控制器、总线接口、存储器等3)电气与线束架构:定义物理组件的电气特性及方式，含硬件架构中所有线路的连接，如导线、接线盒、插接器等，并需要描述车辆中所有安装空间和安装位置等。汽车电子的硬件部分包括ECU（电子控制单元）、电子电路、线束等关键组件。以下是汽车电子硬件架构设计的几个关键点： -> 分布式向集中式发展：传统汽车电子电气架构通常采用分布式控制，即每个功能模块有自己的控制器。现代汽车硬件架构趋向于域控制或中央集中式方向发展，这意味着多个功能可能会被一个集中的控制器所管理。-> 软硬件解耦：软件架构从与硬件高度耦合向分层解耦方向发展，使得软件能够更加灵活地更新和升级，而不受硬件限制。-> 通信架构升级：通信架构由传统的LIN/CAN总线向以太网方向发展，以支持更高的数据传输速率和更复杂的通信需求。-> 拓扑结构设计：整车电子电器组件以及线束的拓扑结构需要根据客户功能需求和汽车功能来设计，包括传感器、ECU和执行器的选择与布局。-> 单功能单控制器到集成化：传统设计中，每个功能通常由一个单独的控制器来实现，而现代汽车电子电气架构则趋向于功能集成，即将多个功能集成到一个控制器中，以提高系统的效率和降低成本。-> 未来趋势：随着智能汽车的发展，电子电气架构的算力会逐渐集中化，最终可能发展到云端计算阶段，这将极大地提高汽车的智能化水平和数据处理能力。四、软件架构在汽车电子领域，软件的开发成本已经超出了硬件，“软件定义汽车”这一说法充分体现了软件的重要性，而软件开发及其维护的需求发展促进了其架构的进步。软件架构目前主要有以下内容:1)基础软件架构:包括硬件抽象及操作系统等，传统汽车电子的基础软件形成了以 AUTOSAR 为代表的行业规范，目前正在向 Adaptive AUTOSAR 发展。2)中间件架构:广义而言是基础软件和应用软件的中间层，实现应用软件和基础软件的解耦，并支持软件之间通过网络互操作，目前在汽车电子中的中间件主要是通信中间件。3)应用软件架构:描述如何将软件模板化及软件之间的依赖关系,目前汽车电子引进的SOA 架构是一种面向服务的模板软件架构。随着汽车技术的发展，特别是智能网联汽车的兴起，“软件定义汽车”这一概念越来越受到重视。在现代汽车中，软件不仅负责控制引擎、变速箱等传统功能，还涉及多媒体娱乐、导航、自动驾驶、车联网通信等多个领域。软件在汽车价值和功能中的比重显著增加，导致其开发成本逐渐超过硬件。以下是软件开发在汽车领域变得至关重要的几个原因：-> 功能复杂性：现代汽车包含数百个电子控制单元（ECU），每个都需要运行专门的软件来执行各种任务。随着功能的增加，软件的复杂性也随之提高。-> 个性化体验：消费者期望汽车能够提供个性化的体验，包括定制的用户界面、个性化的驾驶模式等，这些都需要软件来实现。-> 快速迭代：与硬件相比，软件可以更快地更新和迭代。这使得汽车制造商能够通过软件更新快速响应市场变化和客户需求，甚至在车辆售出后还能增加新功能。-> 安全性和合规性：随着安全法规的日益严格，软件在确保汽车安全性方面起着至关重要的作用。例如，ISO 26262是汽车领域的安全相关电子电气系统的标准，它对软件开发流程提出了严格的要求。-> 集成与互操作性：汽车不再是孤立的系统，而是需要与外部设备（如智能手机）、基础设施（如充电站）和其他车辆（如在车联网中）进行通信和协同工作。这需要高度复杂的软件来支持。-> 商业模式创新：软件为新的商业模式和服务提供了平台，例如基于订阅的服务、车辆数据分析等。为了应对这些挑战，汽车软件开发架构也在不断进步，包括： -> 模块化设计：采用模块化的设计方法，使得软件组件可以在不同的车型和平台上重用。-> 分层架构：将软件架构分为不同的层次，如应用层、中间件层、硬件抽象层等，以提高系统的灵活性和可维护性。-> 自动化测试：引入自动化测试框架，以确保软件质量和可靠性。-> 持续集成和持续部署（CI/CD）：采用敏捷开发方法和DevOps实践，以加快软件开发和部署的速度。因此，随着汽车变得越来越依赖于软件来提供创新的功能和服务，软件开发在汽车行业的重要性将持续上升。汽车制造商和供应商需要不断投资于软件开发能力的提升，以保持竞争力。 搁笔分享完毕！愿你我相信时间的力量做一个长期主义者！
车载诊断协议DoIP系列 —— 地址解析协议(ARP)&邻居发现协议(NDP) 车载诊断协议DoIP系列 —— DoIP会话模式（安全与非安全） 车载诊断协议DoIP系列 —— DoIP应用（Application）需求 车载诊断协议DoIP系列 —— DoIP APP车辆识别和声明请求报文 车载测试Vector工具——基于DoIP的ECU/车辆的连接故障排除 电子电器架构刷写方案——General Flash Bootloader 诊断测试工具CANoe.DiVa从入门到精通系列——开门见山 车载诊断协议-ISO 14229 / 13400 /15765 |
|
|
