嵌入式与汽车工业

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1、0、引言近几年，嵌入式系统产品日臻完善，并在全世界各行业得到广泛应用。嵌入 式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发 展的新的国民经济增长点。中国的汽车工业作为国家的支柱产业发展前景非常广阔，2009年汽车产量达 到1,273.7万辆，2010、2011年将持续保持增长，预计增长率在19%至20%之间。 2009年中国已经成为世界第一汽车生产大国，同时中国汽车消费量占全球总消 费量比例已达12%，在2015年左右国内汽车销售也有望超过美国，成为第一大 汽车消费市场。到2020年，中国本土汽车产量将达到2000万辆左右，其中两成 产品将进入国际市场。中国汽车工业的飞

2、速发展对嵌入式系统的应用与发展具有良好的推动作用， 同时也带来了新的机遇和挑战。1、汽车嵌入式系统发展历程众所周知嵌入式系统有体积小、低功耗、集成度高、子系统间能通信融合的 优点，这就决定了它非常适合应用于汽车工业领域，另外随着汽车技术的发展以 及微处理器技术的不断进步，就使得嵌入式系统在汽车电子技术中得到了广泛应 用。目前，从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、 信息系统都离不开嵌入式技术的支持。嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路。嵌入 式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似,汽车嵌入式系 统也可以分为三个发展阶段：第一阶段:

3、SCM(Single Chip Microcomputer)系统：以4位和低档8位微处理器为核心，将CPU和外围电路集成到一个芯片上，配 置了外部并行总线、串行通讯接口、SFR模块和布尔指令系统。硬件结构和功能 相对单一、处理效率低、存储容量小、软件结构也比较简单，不需要嵌入操作系 统。这种底层的汽车SCM系统主要用于任务相对简单、数据处理量小和实时性 要求不高的控制场合，如雨刷、车灯系统、仪表盘以及电动门窗等。第二阶段:MCU(Micro Controller Unit)系统：以高档的8位和16位处理器为核心，集成了较多外部接口功能单元，如A/D转 换、PWM、PCA、Watchdog、高速

4、I/O 口等,配置了芯片间的串行总线;软件结构 比较复杂，程序数据量有明显增加。第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的实时任务，目前在汽车电控系统中得 到了最广泛的应用，如ABS系统、智能安全气囊、主动悬架以及发动机管理系统 等。第三阶段:SoC(System of Chips)系统：以性能极高的32位甚至64位嵌入式处理器为核心，在对海量离散时间信号要 求快速处理的场合使用DSP作为协处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式 应用需求，不断提高处理速度，增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持 下具有实时多任务处理能力，同时与网络的耦合更为紧密。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用

5、,满足了现代汽车电控 系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求，代表着 汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导 航、车辆状态记录与监控等领域。2、汽车嵌入式SoC系统介绍汽车嵌入式SoC系统是嵌入式系统向实时多任务管理、网络耦合与通信的高 端应用过渡的产物,大大提高了汽车电子系统的实时性、可靠性和智能化程度。除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外，它还具有以下几个优点：(1) 对实时多任务处理有很强的支持能力,中断响应时间12“s;(2) 具有很强的存储区保护功能；(3) 在嵌入式实时操作系统的支持下能合理进行任务调度，

6、利用系统资源；(4) 硬件结构和软件功能都有很强的扩展能力，系统集成度大大提高；(5) 超低功耗，汽车静态功耗为毫瓦级；(6) 系统硬件抗干扰能力增强，适应高温、潮湿、振动和辐射等各种工作环境;(7) 提供强大的网络通信功能，具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA 通信接口，支持相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件,提供容错数据传输能 力和更大通信带宽。汽车嵌入式SoC系统结构：汽车嵌入式SoC系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括嵌入式处理器和外围设备，软件包括应用软件和操作系统。软件通过 数据结构、算法和通讯协议实现汽车电子控制策略，硬件则为软件提供了运行平

7、台，执行具体控制。汽车嵌入式SoC硬件系统集成度越来越高，一般为模块化结构，如图1(a)所示* 躲/*口 *hi 卜II：人=?：比E-总址 定时曲理 单元外围设备 f Pft M -)电屯 % :- V/H 捋 Jfe !-. 口在高性能CPU核心外通过IP总线扩展实时时钟模块、SRAM(静态随机存储 器)及大容量FLASH,配置CAN总线与USB通信模块，无缝集成PWM输出、多 通道串口、A/D转换接口与统一的高速缓冲存储器，支持RISC技术、多级流水线 技术与在片调试技术。系统的实时处理能力、可靠性和网络通信能力大大增强。现代汽车电子系统从单一控制逐渐发展到多变量多任务协调控制，软件越来

8、 越庞大，越来越复杂，使得汽车嵌入式系统需要寻找新的软件解决方案。它采用基 于标准化接口和通讯协议的模块化软件设计，系统内部通讯由交互层直接完成，保 障应用程序间的信息传送。网络层拥有数据流处理能力，是不同系统层面间信息 交换的中间接口,能最大程度地整合系统资源。嵌入式实时操作系统摒弃了传统 操作系统的前后台模式,使用总线驱动层和硬件抽象层管理I/O端口，合理分配 CPU资源，采用基于优先级的事件管理策略，通过API(应用程序接口)调用应用程 序，根据邮箱、消息队列和信号量机制综合管理中断、系统行为和任务。3、SoC系统的典型应用嵌入式系统在ABS/ASR/ACC集成化控制系统ABS/ASR/

9、ACC集成化系统是综合了制动防抱死功能(ABS)、驱动防滑功能 (ASR)和自适应巡航功能(ACC)的汽车新型主动安全系统，系统结构。在硬件上充分利用各个子系统的现有元件，轮速传感器、发动机转速传感器、 节气门位置传感器、加速踏板传感器和探测雷达组成传感器网络,共用控制器和 执行元件。在软件上应用信息融合、集中控制技术,通过对制动力矩和发动机输 出功率的综合调节实现汽车制动防抱死、驱动防滑和自适应巡航功能。控制过程 充分考虑三个逻辑模块上的相互关系，实现信息融合共享，例如ABS与ASR的车 轮滑动率计算可以统一,ACC探测雷达获取的车速信息可以用来修正ABS参考 车速。汽车嵌入式SoC系统具有

10、卓越的性能，作为汽车嵌入式系统的主要发展方向， 今后汽车嵌入式SoC系统将呈现出以下几个发展趋势：汽车嵌入式SoC系统将会向FPGA/CPLD(在线可编程门阵列)方向发展，系 统由分布式可编程互连逻辑单元构成，单元之间可以交换信息，大量运算由硬件直 接完成，体系结构更加灵活，集成度更高；(2) 在系统开发上遵循通用的汽车电子系统开放平台和统一的标准。为了提高 软硬件通用性，加快开发速度，降低成本,SoC系统迫切需要构建统一的标准与开发 平台，欧洲颁布的基于OSEK/VDX标准的MODISTARC规范将是汽车嵌入式系 统开发平台的发展趋势；(3) 随着汽车局域网技术和智能交通技术的发展,嵌入式S

11、oC系统将会形成以 C级或D级网络为基础的整车分布式控制系统和以无线通信为基础的远程高频 网络通信系统；(4) 嵌入式SoC系统的应用范围将逐步从高档车和进口车扩展到低档车和国 产车。汽车嵌入式系统近年来发展非常迅速,随着后PC时代的来临,基于网络通信 和实时多任务并行处理的嵌入式高端应用将会越来越广泛。汽车嵌入式SoC系 统在硬件上采用32位或64位高性能处理器，在软件上嵌入了实时操作系统，具有 功能多样、集成度高、通信网络化、开发快捷及成本低廉的特点，在汽车电子控 制和车载网络通信系统方面有着广泛的应用,是未来汽车电子的最佳解决方案。5、总结本文所讨论的嵌入式系统在汽车电子方面的应用只是嵌入式系统应用的冰 山一角。由于 迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，在不远的将 来，嵌入式系统将在工业控制、智能交通、消费电子以及智能家庭等各领域得到 更广泛的应用，全面走入我们的生活。而我国信息化与全面小康社会建设更会 对嵌入式系统市场提出巨大的需求，嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收 费监控、汽车自导航、GPS车载终端、电子警察和汽车检测中将会拥有良好的 市场前景。