具體描述
作 者:(法)尼古拉斯·納威特(Nicolas Navet),(法)弗朗西斯·西濛-萊昂(Francoise Simonot-Lion) 著;李惠彬 等 譯 定 價:168 齣 版 社:機械工業齣版社 齣版日期:2016年01月01日 頁 數:404 裝 幀:精裝 ISBN:9787111522515 ●原著前言
●譯者序
●部分汽車嵌入式係統架構
●第1章汽車功能域及其要求
●1.1概述
●1.2功能域
●1.2.1動力總成域
●1_2.2底盤域
●1.2.3車身域
●1.2.4多媒體、遠程信息處理與人機界麵
●1.2.5主動/被動安全
●1.2.6診斷
●1.3標準化的部件、模型及流程
●1.3.1車載網絡和協議
●1.3.2操作係統
●1.3.3中間件
●1.3.4汽車應用中的架構描述語言
●1.4車載嵌入式係統的關鍵安全認證問題
●1.5結論
●參考文獻
●部分目錄
內容簡介
本書對現有和未來的汽車電子係統進行瞭全麵概述。突齣瞭汽車領域的需求,以及科技和商業模式的顯著特點,包括車載信息係統架構、多方開發過程(子係統集成,生産綫管理等)、軟件工程方法、嵌入式通信、安全性和可靠性評估(審定,核查和測試)等內容這本書的作者有的是工業靠前的專傢,有的是處於汽車領域前沿的行業研究機構人員。對汽車電子通信領域的研究人員和技術人員有很好的參考價值。 原著前言
《汽車嵌入式係統手冊》一書旨在提供一個全麵的、對現有和未來汽車電子係統的概述。本書突齣顯示瞭汽車世界在需求、技術和商業模式方麵的鮮明特徵,並在以下領域呈現瞭*進的方法論和技術解決方案:
?車載架構;
?多方麵開發流程(子係統集成、産品綫管理,等);
?軟件工程方法;
?嵌入式通信;
?安全性和可靠性評價:確認、驗證和測試。
這本書主要針對汽車工程專業人士,本書一般可以作為超齣他們專業知識領域技術問題的參考書,及處於實踐或研究階段工程師的參考書。另一方麵,本書也針對來自學術界的研究型科學傢、博士生和碩士研究生,因為本書為他(她)們提供瞭一個全麵瞭解該領域及該領域麵臨的主要的科學挑戰。
在過去的10年裏,嵌入到汽車中、基於計算機的功能數量呈指數倍數增加。開發流程、技術和工具已經改變,以適應變革。一係列的電子功能-如導航、等
汽車嵌入式係統手冊 前言 在當今汽車工業飛速發展的浪潮中,嵌入式係統已然成為汽車智能化、電動化、網聯化的核心驅動力。從早期簡單的車載娛樂係統,到如今集成先進駕駛輔助係統(ADAS)、自動駕駛、車聯網(V2X)以及高效動力總成控製的復雜電子電氣架構,嵌入式係統扮演著越來越關鍵的角色。它們是汽車“大腦”和“神經係統”的重要組成部分,直接關乎車輛的安全性、舒適性、性能和用戶體驗。 本書的誕生,正是源於對汽車嵌入式係統領域日益增長的需求以及當前市場中相關知識體係的梳理與整閤。我們希望為廣大汽車工程師、電子工程師、軟件開發者、技術愛好者以及相關領域的學生提供一本全麵、深入、實用的參考資料。本書旨在係統性地介紹汽車嵌入式係統的原理、架構、設計、開發、測試及未來發展趨勢,幫助讀者建立起對這一復雜而迷人的技術領域的深刻理解。 汽車嵌入式係統集成瞭硬件和軟件的復雜交互,涉及到微控製器(MCU)、傳感器、執行器、通信總綫、操作係統(OS)、中間件以及各類應用軟件。理解這些元素的協同工作原理,是掌握汽車嵌入式係統設計的基石。本書將從基礎概念入手,逐步深入到具體的應用場景和前沿技術,力求為讀者構建起一個清晰、完整的知識圖譜。 本書的編寫團隊匯聚瞭在汽車電子領域擁有豐富實踐經驗的專傢。我們緻力於將理論知識與實際工程應用相結閤,通過大量的案例分析和深入淺齣的講解,幫助讀者理解如何在實際項目中應用相關的技術和方法。我們相信,通過閱讀本書,讀者能夠有效地提升自己在汽車嵌入式係統設計與開發方麵的專業技能,更好地應對當前和未來的挑戰。 第一章 汽車嵌入式係統的基礎概念與演進 本章將為讀者奠定堅實的理論基礎,深入剖析汽車嵌入式係統的核心概念及其發展曆程。 1.1 什麼是嵌入式係統? 定義與特徵:理解嵌入式係統在特定應用中作為核心功能單元的角色,強調其“嵌入性”和“專用性”。 與通用計算機係統的區彆:對比嵌入式係統在資源、實時性、可靠性、功耗等方麵的特殊要求。 嵌入式係統的基本組成:詳細介紹微處理器(CPU)、內存(RAM、ROM)、輸入/輸齣(I/O)接口、時鍾、電源管理等關鍵硬件組件。 1.2 汽車嵌入式係統的定義與範疇 汽車電子控製單元(ECU)的概述:介紹ECU在汽車中的功能多樣性,從發動機管理到車身控製,再到信息娛樂。 嵌入式係統在汽車中的作用:闡述其在提升安全性(ABS, ESP, Airbag)、舒適性(HVAC, 座椅調節)、性能(發動機控製, 變速器控製)、燃油經濟性(動力總成優化)和用戶體驗(信息娛樂, 導航)方麵的重要性。 汽車嵌入式係統的分類:按照功能劃分(如動力總成ECU、底盤ECU、車身ECU、信息娛樂ECU、ADAS ECU等),並簡要介紹各類彆ECU的核心功能。 1.3 汽車嵌入式係統的發展曆程與趨勢 早期汽車電子的萌芽:迴顧上世紀電子技術在汽車上的初步應用,如電子燃油噴射、點火控製等。 ECU數量的爆炸式增長:分析隨著汽車智能化、舒適化需求的提升,ECU數量和復雜度的不斷增加。 總綫技術在汽車中的應用:介紹CAN、LIN、FlexRay、Ethernet等汽車通信總綫的興起和演進,它們如何解決ECU互聯互通的問題。 從分散式到集中式架構的演變:探討汽車電子電氣架構(EEA)從早期分散式ECU設計嚮域控製器(Domain Controller)和中央計算平颱(Central Computing Platform)演變的趨勢。 未來發展趨勢展望:預測汽車嵌入式係統在自動駕駛、電動汽車、車聯網、人工智能等領域的角色和發展方嚮。 第二章 汽車嵌入式係統的硬件設計 本章將聚焦汽車嵌入式係統的硬件層麵,深入探討其關鍵組件和設計原則。 2.1 微控製器(MCU)與微處理器(MPU) MCU的架構與特性:詳細介紹ARM Cortex-M係列、RISC-V等在汽車領域常見的MCU架構,關注其處理能力、功耗、實時性、集成度(ADC, DAC, Timer, PWM等)。 MPU的應用場景:闡述MPU(如ARM Cortex-A係列)在高性能計算需求場景中的作用,例如在中央計算平颱和信息娛樂係統中的應用。 選擇MCU/MPU的關鍵因素:分析根據應用需求(性能、功耗、成本、可靠性、安全性)、實時操作係統(RTOS)兼容性、外設接口等進行選型的考量。 2.2 存儲器技術 RAM(隨機存取存儲器):介紹SRAM、DRAM及其在嵌入式係統中的作用(存儲變量、堆棧、代碼)。 ROM/Flash(隻讀存儲器/閃存):講解NOR Flash、NAND Flash在存儲固件、配置文件、日誌數據等方麵的應用,重點關注其擦寫壽命、速度和接口。 EEPROM(電可擦除可編程隻讀存儲器):介紹其在存儲非易失性配置數據、校準參數等方麵的特點。 汽車級存儲器的要求:強調在溫度、振動、壽命、可靠性方麵的特殊標準。 2.3 輸入/輸齣(I/O)接口與傳感器 通用I/O接口:GPIO(通用輸入輸齣)的應用,實現對外部設備的控製和狀態讀取。 通信接口: 串行通信:UART/USART(通用同步/異步收發傳輸器)、SPI(串行外設接口)、I2C(集成電路互聯)等在ECU之間或與外設通信中的應用。 汽車總綫接口:CAN(控製器局域網絡)、LIN(局域互聯網絡)、FlexRay(容錯魯棒高速通信)、Automotive Ethernet(車規以太網)等在ECU之間進行數據交換的關鍵接口。 模數轉換器(ADC)與數模轉換器(DAC):介紹其在處理模擬信號(如傳感器讀數、PWM信號輸齣)中的作用。 常用的汽車傳感器: 環境傳感器:溫度傳感器、濕度傳感器。 位置傳感器:角度傳感器(如霍爾傳感器)、速度傳感器(如編碼器)。 狀態傳感器:壓力傳感器、液位傳感器。 安全與駕駛輔助傳感器:雷達、激光雷達(LiDAR)、攝像頭、超聲波傳感器(用於ADAS和自動駕駛)。 2.4 執行器與電源管理 執行器:電機驅動(如步進電機、直流電機)、繼電器、LED驅動、功率晶體管等,用於控製車輛的物理動作。 電源管理單元(PMU):介紹其在穩壓、降壓、充電管理、低功耗模式管理中的作用,確保ECU穩定可靠運行。 汽車級電源解決方案:考慮寬電壓輸入、電磁兼容性(EMC)、熱管理等。 2.5 硬件安全與可靠性 看門狗(Watchdog Timer):在係統異常時觸發復位,確保程序正常運行。 內存保護單元(MPU)/內存管理單元(MMU):防止非法內存訪問,提高係統穩定性。 硬件加密模塊:用於安全啓動、數據加密和身份驗證。 容錯設計:冗餘設計、錯誤檢測與糾正(EDAC)等。 車規級認證標準(如AEC-Q係列):介紹汽車電子元器件需要滿足的嚴格要求。 第三章 汽車嵌入式係統的軟件設計 本章將深入探討汽車嵌入式係統的軟件架構、開發流程及關鍵技術。 3.1 嵌入式軟件架構 底層驅動程序(Low-Level Drivers):直接與硬件交互的軟件層,用於初始化和控製硬件外設。 硬件抽象層(HAL):提供統一的硬件接口,屏蔽底層硬件差異,提高軟件的可移植性。 實時操作係統(RTOS): RTOS的功能與特點:任務調度、任務間通信(IPC)、同步機製、中斷處理、內存管理。 常見的汽車級RTOS:OSEK/VDX、AUTOSAR OS、FreeRTOS、VxWorks等,分析它們的優劣和適用場景。 RTOS在汽車係統中的重要性:確保係統實時響應和多任務並行處理。 中間件(Middleware): 通信中間件:基於CAN, FlexRay, Ethernet等總綫的通信協議棧(如AUTOSAR COM模塊)。 服務中間件:提供更高級彆的服務,如診斷、參數配置、診斷通信(UDS)、OTA(Over-the-Air)更新等。 應用層軟件:實現具體功能的應用程序,如發動機控製算法、ADAS功能邏輯、信息娛樂應用等。 3.2 AUTOSAR(汽車開放係統架構) AUTOSAR的起源與目標:理解其旨在解決汽車軟件開發復雜性、提高軟件復用性、降低開發成本的初衷。 AUTOSAR的標準化架構: 分層模型:分層介紹Microcontroller Abstraction Layer (MCAL), ECU Abstraction Layer (EAL), Services Layer (SL), Runtime Environment (RTE), Application Layer (App)。 關鍵模塊:COM, DCM, DEM, NM, OS, MEM, NVM等。 AUTOSAR的優勢與挑戰:討論其帶來的標準化、模塊化、可重用性等好處,以及學習麯綫、工具鏈復雜性等挑戰。 AUTOSAR在現代汽車開發中的地位:強調其作為行業標準的廣泛應用。 3.3 嵌入式軟件開發流程 需求分析與規格定義:詳細描述功能性需求、非功能性需求(性能、可靠性、安全性)。 軟件設計:架構設計、模塊設計、接口設計。 編碼實現:選擇閤適的編程語言(C/C++為主),遵循編碼規範。 單元測試:對獨立的軟件模塊進行測試。 集成測試:將模塊組閤起來進行測試,驗證模塊間的接口和交互。 係統測試:在目標硬件上對整個係統進行測試,驗證其是否滿足所有需求。 調試與優化:發現並修復軟件缺陷,優化代碼性能和資源利用率。 軟件版本管理與發布:確保軟件開發的生命周期管理。 3.4 嵌入式軟件開發工具鏈 集成開發環境(IDE):如Keil MDK, IAR Embedded Workbench, Eclipse CDT for Embedded C/C++等,提供代碼編輯、編譯、鏈接、調試功能。 編譯器與鏈接器:將源代碼轉換為可執行文件。 調試器(Debugger):用於單步執行、斷點設置、變量查看等。 仿真器(Emulator)與模擬器(Simulator):用於在沒有目標硬件的情況下進行開發和初步測試。 靜態代碼分析工具:檢查代碼風格、潛在錯誤、安全漏洞。 版本控製係統:Git, SVN等,管理代碼變更。 模型驅動開發(MDD)工具:如MATLAB/Simulink,用於係統建模、仿真和代碼自動生成。 3.5 軟件安全(Safety)與信息安全(Security) 功能安全(Functional Safety): ISO 26262 標準:介紹其在汽車電子功能安全方麵的要求,包括ASIL(汽車安全完整性等級)的定義和應用。 安全概念(Safety Concept)與安全分析(Safety Analysis):如FTA(故障樹分析)、FMEA(失效模式與影響分析)。 安全機製:冗餘、監控、故障檢測與響應。 信息安全(Cybersecurity): 汽車麵臨的安全威脅:如ECU被非法訪問、數據泄露、功能被篡改。 安全設計原則:最小權限、縱深防禦、安全通信。 安全措施:加密(TLS/SSL)、認證、訪問控製、入侵檢測與防護。 AUTOSAR SecOC(Secure Onboard Communication):在通信層提供安全保障。 第四章 汽車通信協議與網絡 本章將深入探討汽車內部以及汽車與外部進行通信所依賴的關鍵技術。 4.1 CAN(控製器局域網絡)總綫 CAN協議的原理與架構:介紹其多主、廣播、事件驅動的通信方式。 CAN幀格式:標識符(ID)、數據段、CRC校驗等。 CAN仲裁機製:如何解決多節點同時發送消息時的衝突。 CAN在汽車中的應用:廣泛用於發動機、變速器、製動係統、車身控製等ECU之間的數據交換。 CAN FD(Flexible Data-Rate):CAN協議的增強版本,提供更高的帶寬和效率。 4.2 LIN(局域互聯網絡)總綫 LIN協議的原理與特點:主從式通信、低成本、低功耗。 LIN幀格式:主幀、從幀。 LIN在汽車中的應用:用於車窗升降、座椅調節、車燈控製等功能需求不高、成本敏感的場閤。 4.3 FlexRay總綫 FlexRay協議的原理與特點:確定性、時間觸發(TDMA)、雙通道冗餘。 FlexRay幀結構:靜態段、動態段。 FlexRay在汽車中的應用:用於對實時性、可靠性要求極高的係統,如轉嚮、製動、懸架控製。 4.4 Automotive Ethernet(車規以太網) 以太網在汽車中的演進:從娛樂係統到高性能計算平颱。 車規以太網的標準與挑戰:如AVB(Audio Video Bridging)、TSN(Time-Sensitive Networking)等,以及對EMC、可靠性的要求。 車規以太網在ADAS、自動駕駛、中央網關中的應用:提供高帶寬、低延遲的通信能力。 Point-to-Point以太網與交換式以太網。 4.5 其他汽車通信協議 MOST(Media Oriented Systems Transport):主要用於車載信息娛樂係統,傳輸音視頻數據。 LVDS(Low-Voltage Differential Signaling):用於顯示器和攝像頭等高速數據傳輸。 UART/SPI/I2C:在ECU內部或與特定傳感器/執行器之間進行通信。 4.6 車載網絡的安全通信(SecOC) SecOC的原理與目標:為車載通信提供消息認證和完整性保護。 SecOC的實現機製:使用MAC(Message Authentication Code)對報文進行校驗。 SecOC與AUTOSAR的集成。 第五章 汽車嵌入式係統的測試與驗證 本章將詳細介紹汽車嵌入式係統在開發過程中進行的各類測試活動。 5.1 測試方法與策略 開發階段測試:單元測試、集成測試、係統測試。 驗證階段測試:模型在環(MIL)、軟件在環(SIL)、處理器在環(HIL)、車輛在環(VIL)。 産品驗證與確認測試。 5.2 單元測試(Unit Testing) 目的:驗證單個軟件模塊的正確性。 常用工具與框架:如CUnit、Google Test等。 測試用例設計:白盒測試、黑盒測試。 5.3 集成測試(Integration Testing) 目的:驗證模塊之間的接口和交互是否正確。 測試策略:自頂嚮下、自底嚮上、三明治式。 5.4 係統測試(System Testing) 目的:驗證整個嵌入式係統在目標硬件上是否滿足所有功能和非功能需求。 測試環境:搭建真實的硬件平颱,模擬實際工作環境。 5.5 模型在環(MIL)測試 目的:在純模型層麵進行仿真測試,早期發現設計缺陷。 工具:MATLAB/Simulink等。 5.6 軟件在環(SIL)測試 目的:在編譯後的軟件代碼層麵進行仿真測試,驗證軟件邏輯。 將生成的代碼在PC機上模擬運行。 5.7 處理器在環(HIL)測試 目的:將真實的ECU硬件連接到PC機上,通過模擬器模擬車輛環境,進行高度仿真的測試。 HIL測試颱架的組成:目標ECU、模擬器、I/O接口、上位機。 HIL測試的優勢:高效、安全、可重復性強,適用於各種極端工況的模擬。 5.8 車輛在環(VIL)測試 目的:將車輛的動力係統、底盤等關鍵部分置於受控環境中,通過模擬器模擬外部環境和道路狀況,進行整車層麵的測試。 VIL測試的意義:驗證ECU在整車集成後的實際錶現。 5.9 診斷與故障注入測試 診斷測試:利用UDS(Unified Diagnostic Services)等標準協議,對ECU進行故障診斷、數據讀取、參數配置等。 故障注入測試:模擬各種硬件或軟件故障,驗證ECU的故障檢測和安全響應能力。 5.10 EMC/EMI測試 電磁兼容性(EMC)與電磁乾擾(EMI):確保ECU在電磁環境下正常工作,且不對其他設備産生乾擾。 進行抗擾度測試和輻射騷擾測試。 第六章 汽車嵌入式係統的應用領域與前沿技術 本章將聚焦汽車嵌入式係統在不同領域的具體應用,並展望未來的發展方嚮。 6.1 高級駕駛輔助係統(ADAS) ADAS的功能組成:自適應巡航控製(ACC)、車道保持輔助(LKA)、自動緊急製動(AEB)、盲點監測(BSM)、泊車輔助等。 ADAS中嵌入式係統的作用:傳感器數據融閤、目標檢測與識彆、決策規劃、車輛控製。 關鍵技術:圖像處理、機器學習、傳感器融閤算法。 6.2 自動駕駛係統 自動駕駛的等級劃分(L0-L5)。 自動駕駛係統架構:感知、規劃、控製。 嵌入式係統在自動駕駛中的挑戰:強大的計算能力、高可靠性、實時性、安全性。 高性能計算平颱:如NVIDIA Drive, Qualcomm Snapdragon Ride等。 傳感器技術:激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、超聲波傳感器。 高精度地圖與定位。 6.3 電動汽車(EV)與混閤動力汽車(HEV) 動力總成控製單元(PTCU):電池管理係統(BMS)、電機控製器(MCU)、充電管理係統(CMU)。 BMS的關鍵功能:電池狀態監測(SOC, SOH)、熱管理、安全保護、均衡充電。 電機控製器:實現電機的精確控製,提高效率。 充電樁與車輛的通信接口。 6.4 車聯網(V2X) V2X通信的定義:Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Infrastructure (V2I), Vehicle-to-Pedestrian (V2P), Vehicle-to-Network (V2N)。 V2X通信技術:DSRC(專用短程通信)、C-V2X(蜂窩車聯網)。 嵌入式係統在V2X中的作用:消息的發送與接收、數據處理、安全認證。 V2X應用場景:交通安全預警、擁堵疏導、自動駕駛協同。 6.5 信息娛樂係統(IVI) IVI的功能:導航、多媒體播放、智能手機互聯(Apple CarPlay, Android Auto)、語音控製。 IVI的硬件架構:高性能SoC、大屏幕顯示、音頻處理。 軟件技術:Linux、Android、QNX等操作係統。 人機交互(HMI)設計。 6.6 域控製器(Domain Controller)與中央計算平颱 域控製器的概念:將同一功能域(如座艙域、駕駛域)的多個ECU功能集成到一個高性能計算平颱。 中央計算平颱的概念:進一步將多個域控製器功能集成到更強大的中央計算單元。 EEA演進帶來的優勢:減少ECU數量、簡化布綫、提高整體性能、支持軟件定義汽車。 麵臨的挑戰:散熱、功耗、信息安全、開發工具鏈。 6.7 軟件定義汽車(Software-Defined Vehicle) 軟件在汽車中的核心地位:強調軟件功能的可更新、可配置、可升級。 OTA(Over-the-Air)更新:實現遠程軟件升級和功能迭代。 對嵌入式係統的要求:模塊化設計、清晰的接口、安全可靠的更新機製。 6.8 人工智能(AI)與機器學習(ML)在汽車嵌入式係統中的應用 AI/ML在ADAS和自動駕駛中的應用:目標識彆、行為預測、路徑規劃。 AI/ML在用戶體驗中的應用:語音助手、個性化推薦。 AI/ML硬件加速:如NPU(Neural Processing Unit)。 AI模型的部署與優化:嵌入式AI框架(如TensorFlow Lite, PyTorch Mobile)。 結語 汽車嵌入式係統是現代汽車發展的基石,其復雜性與重要性與日俱增。本書的編寫旨在為讀者提供一個全麵、深入的視角,幫助大傢理解這一技術領域的精髓。從基礎概念到前沿技術,從硬件設計到軟件開發,再到嚴格的測試驗證,我們力求涵蓋汽車嵌入式係統的各個重要方麵。 隨著科技的不斷進步,汽車嵌入式係統正朝著更智能、更安全、更互聯的方嚮發展。自動駕駛、電動化、車聯網等技術的融閤,將深刻改變汽車的形態和使用方式。理解並掌握汽車嵌入式係統的核心技術,對於在這個日新月異的行業中取得成功至關重要。 我們希望本書能夠成為您在汽車嵌入式係統領域探索與實踐的得力助手,激發您對這一領域的學習興趣,並為您的職業發展提供有力的支持。 緻謝 (此處可以根據實際情況添加緻謝名單,感謝所有為本書貢獻智慧和力量的個人和組織。) 附錄 (此處可以根據實際情況添加,例如:常用縮略語列錶、參考文獻、相關標準列錶等。)