基于量子框架的開放式汽車電控系統(tǒng)體系架構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車電子化為汽車生產(chǎn)企業(yè)帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，汽車電子在整車中所占的比例越來越高。汽車電子控制系統(tǒng)研究廠商眾多，系統(tǒng)中用到的處理器也是千差萬別，運(yùn)行環(huán)境更是各有千秋，因此在開發(fā)汽車電控系統(tǒng)過程中的一個(gè)主要難題就是嵌入式軟件的復(fù)用。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)本身資源有限，對實(shí)時(shí)性的要求較高，汽車電子控制系統(tǒng)的控制邏輯規(guī)定了電控單元(Electronic Control Unit，簡稱ECU)完成特定功能所必須的步驟和事件的

2、序列。為了提高自己產(chǎn)品的競爭力，各汽車生產(chǎn)廠商又在不停地對電控系統(tǒng)更新?lián)Q代，這使得電控系統(tǒng)的控制越來越復(fù)雜。當(dāng)向控制系統(tǒng)中添加新的部件、增加新的控制算法或替換已有的子系統(tǒng)時(shí)，其控制邏輯必然發(fā)生改變。因此，針對不同產(chǎn)品的開發(fā)過程不同，每次開發(fā)過程又有不少重復(fù)性的工作，控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性、移植性都很差。為了解決這些問題，目前汽車電控系統(tǒng)正由封閉式結(jié)構(gòu)走向開放式結(jié)構(gòu)，這一研究工作在國際上正處于起步階段。 本文以中國重型汽車集團(tuán)新一代HO

3、WO重型卡車的機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)為研究對象，開展了開放式汽車電控系統(tǒng)研究，旨在為國內(nèi)開放式汽車電控系統(tǒng)的研究提供一種快速高效的設(shè)計(jì)方法，主要的研究工作如下： 本文探討了現(xiàn)有的開放式體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對OSEK/VDX和AUTOSAR兩種典型的應(yīng)用于汽車電控系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)從基本結(jié)構(gòu)、模塊功能、運(yùn)行機(jī)制、實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面進(jìn)行了分析，然后分析了有限狀態(tài)機(jī)與量子框架的關(guān)系，討論了量子框架的活動(dòng)對象、狀態(tài)調(diào)度、通信方法等內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，并

4、在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的開放式汽車電控系統(tǒng)體系架構(gòu)——OSAQ(Open System Architecture Based on Quantum framework)，該架構(gòu)不依賴于汽車ECU的硬件和操作系統(tǒng)的類型，真正地實(shí)現(xiàn)了汽車電控系統(tǒng)在軟件和硬件層次上的開放，并比較了OSEK/VDX、AUTOSAR和OSAQ之間的差別，給出了構(gòu)建開放式汽車電控系統(tǒng)的一種思路。 基于量子框架的軟件總線是OSAQ體系結(jié)構(gòu)中的信息交互媒介，

5、所有活動(dòng)對象間的消息傳遞都是通過量子框架來實(shí)現(xiàn)的，因此必須配置系統(tǒng)軟件層中的每個(gè)活動(dòng)對象使其具有標(biāo)準(zhǔn)的外部通信接口，這是實(shí)現(xiàn)功能模塊代碼重用的基礎(chǔ)。另外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)的不同，需要對運(yùn)行環(huán)境層的軟件總線接口進(jìn)行配置。針對不同的ECU硬件又需要進(jìn)行操作系統(tǒng)的代碼移植，即要編寫不同的硬件抽象層文件。操作系統(tǒng)的代碼移植、系統(tǒng)軟件層的接口配置和運(yùn)行環(huán)境層接口配置是量子框架軟件總線實(shí)現(xiàn)既定功能的關(guān)鍵技術(shù)。本文對量子框架在典型的硬件平

6、臺(tái)上實(shí)現(xiàn)從硬件平臺(tái)選擇和軟件平臺(tái)選擇、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植等方面進(jìn)行了分析，然后在此基礎(chǔ)上分別分析了軟件總線在運(yùn)行環(huán)境層和系統(tǒng)軟件層的配置方法，通過對軟件總線的配置可以大大增強(qiáng)汽車電控系統(tǒng)軟件模塊的可重用性和系統(tǒng)開放性。當(dāng)?shù)讓佑布蛳到y(tǒng)功能發(fā)生變化時(shí)，可以通過分別配置量子框架軟件總線的運(yùn)行環(huán)境層和系統(tǒng)軟件層接口來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的行為重構(gòu)和功能擴(kuò)展。 代碼自動(dòng)生成技術(shù)就是幫助程序員完成系統(tǒng)底層的、重復(fù)性代碼的自動(dòng)生成，減少軟件開發(fā)中枯燥且重

7、復(fù)的編碼工作，使得程序員將更多的時(shí)間花在系統(tǒng)架構(gòu)研究、軟件工程等方面，從而提高軟件系統(tǒng)健壯性、可擴(kuò)展性、以及可維護(hù)性。本文對QF代碼自動(dòng)生成平臺(tái)的開發(fā)進(jìn)行了需求分析，研究了基于量子框架的嵌入式代碼生成方法，通過設(shè)計(jì)基于量子框架的XSLT模板，將得到的XML文件直接轉(zhuǎn)換為QF活動(dòng)對象的代碼框架，開發(fā)了QF代碼自動(dòng)生成平臺(tái)QFCodeGenerator。在QF代碼自動(dòng)生成平臺(tái)中通過相關(guān)配置，就能夠自動(dòng)生成符合QF標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式代碼。

8、在對開放式汽車電控系統(tǒng)體系架構(gòu)OSAQ進(jìn)行深入研究研究的基礎(chǔ)上，完成了HOWO重型卡車的機(jī)械系統(tǒng)改造及控制系統(tǒng)開發(fā)，建立了基于量子框架開放式重型卡車AMT原型系統(tǒng)。研究了重型卡車AMT系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分析了AMT系統(tǒng)的工作過程并建立了AMT系統(tǒng)各個(gè)功能模塊活動(dòng)對象的基于量子框架的狀態(tài)機(jī)模型，然后以前后臺(tái)和操作系統(tǒng)兩種系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式分別研究了設(shè)計(jì)開放式汽車電控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了OSAQ體系架構(gòu)的開放性及