汽車(chē)電子的嵌入式設計與發(fā)展方向

　?。?） 在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的支持下能合理進(jìn)行任務(wù)調度，充分利用系統資源；

　?。?） 硬件結構和軟件功能都有很強的擴展能力，系統集成度大大提高，降低了成本；

　?。?） 超低功耗，汽車(chē)靜態(tài)功耗為豪瓦級；

　?。?） 系統硬件抗干擾能力增強，適應高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射等各種工作環(huán)境；

　?。?） 實(shí)時(shí)操作系統支持軟件多線(xiàn)程結構，增強了系統的軟件抗干擾性；

　?。?）提供強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能，具備地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動(dòng)軟件，提供容錯數據傳輸能力和更大通信帶寬。

　　2.2 系統結構

　　汽車(chē)嵌入式SoC系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括嵌入式處理和外圍設備，軟件包括應用軟件和操作系統。軟件通過(guò)數據結構、算法和通訊協(xié)議實(shí)現汽車(chē)電子控制策略，硬件則為軟件提供了運行平臺，執行具體控制。

　　嵌入式SoC硬件系統集成度越來(lái)越高，一般為模塊化結構，如圖1(a)所示。在高性能CPU核心外通過(guò)IP總線(xiàn)擴展實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）及大容量FLASH，配置CAN總線(xiàn)與USB通信模塊，無(wú)縫集成PWM輸出、多通道串口、A/D轉換接口與統一的高速緩沖存儲器，支持RISC技術(shù)、多級流水線(xiàn)技術(shù)與在片調試技術(shù)。系統的實(shí)時(shí)處理能力、可靠性和網(wǎng)絡(luò )通信能力大大增強。

　　現代汽車(chē)電子系統從單一控制逐漸發(fā)展到多變量多任務(wù)協(xié)調控制，軟件越來(lái)越龐大，越來(lái)越復雜，使得嵌入式系統需要尋找新的軟件解決方案。圖1(b)描述了汽車(chē)嵌入式SoC系統軟件的典型結構。它采用基于標準化接口和通訊協(xié)議的模塊化軟件設計，系統內部通訊由交互層直接完成，保障應用程序間的信息傳送。網(wǎng)絡(luò )層擁有數據流處理能力，是不同系統層面間信息交換的中間接口，能最大程度地整合系統資源。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統摒棄了傳統操作系統的前后臺模式，使用總線(xiàn)驅動(dòng)層和硬件抽象層管理I/O端口，合理分配CPU資源，采用基于優(yōu)先級的事件管理策略，通過(guò)API（應用程序接口）調用應用程序，根據郵箱、消息隊列和信號量機制綜合管理中斷、系統行為和任務(wù)。

　　2.3 常用的SoC系統平臺

　　為適應汽車(chē)電子系統的發(fā)展潮流，各國的半異體和軟件制造商紛紛推出相應的嵌入式SoC產(chǎn)品。

　　著(zhù)名的SoC硬件平臺包括：Intel公司的StrongArm核心處理器，擁有32位RISC數據總線(xiàn)、512KB的FLASH、256KB的SRAM和16位THUMB指令集，支持在片調試、三級流水線(xiàn)技術(shù)和LCD控制；Motorola公司的Dragonball核心處理器，它是32位RISC處理器，擁有16.85MHz時(shí)鐘頻率和2.7MIPS的處理速度，無(wú)縫集成SRAM、EPROM、FLASH、LCD控制器和PWM輸出，支持16位端口DRAM；NEC公司的VR核心處理器，它是64位RISC芯片，擁有300MHz時(shí)鐘和603MIPS的處理程度，集成統一的L2高速緩沖存儲器、DRAM控制器、PCI-X網(wǎng)橋和10/100MAC設備。著(zhù)名的SoC軟件平臺即實(shí)時(shí)操作系統包括“QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它們都是實(shí)時(shí)、微核、基于優(yōu)先級、消息傳遞、搶占式多任務(wù)、多用戶(hù)分布式網(wǎng)絡(luò )操作系統，擁有模塊化結構，內核運行高速穩定，通信能力和擴展裁剪能力很強。

　　在上述平臺中，StrongArm核心處理器和Dragonball核心處理器以及VxWorks操作系統在汽車(chē)SoC系統中有著(zhù)良好的應用前景。

3 SoC系統的典型應用

　　汽車(chē)嵌入式SoC系統充分適應了汽車(chē)的工作環(huán)境和技術(shù)要求，在汽車(chē)電子技術(shù)上廣泛應用。其中北京理工大學(xué)正在研究的汽車(chē)ABS/ASR/ACC訂成化控制系統具有代表性。

　　ABS/ASR/ACC集成化系統是綜合了制動(dòng)防抱死功能（ABS）、驅動(dòng)防滑功能（ASR）和自適應巡航功能（ACC）的汽車(chē)新型主動(dòng)安全系統，系統結構如圖2所示。其在硬件上充分利用各個(gè)子系統的現有元件，輪速傳感器、發(fā)動(dòng)機轉速傳感器、節氣門(mén)位置傳感器、加速踏板傳感器和探測雷達組成傳感器網(wǎng)絡(luò )，共用控制器和執行元件。在軟件上應用信息融合、集中控制技術(shù)，通過(guò)對制動(dòng)力矩和發(fā)動(dòng)機輸出功率的綜合調節實(shí)現汽車(chē)制動(dòng)防抱死、驅動(dòng)防滑和自適應巡航功能?？刂七^(guò)程充分考慮三個(gè)邏輯模塊上的相互關(guān)系，實(shí)現信息融合共享，例如ABS與ASR的車(chē)輪滑動(dòng)率計算可以統一，ACC探測雷達獲取的車(chē)速信息可以用來(lái)修正ABS參考車(chē)速。

　　系統選用32位SoC硬件平臺如Dragon ball核心的MC68E328以代原來(lái)的16位ABS控制器，提高了硬件處理速度與抗干擾能力，端口資源也更豐富。車(chē)載雷達選用法國AutoCruise公司生產(chǎn)的AC110型77GHz毫米波車(chē)載協(xié)達，雷達信號的處理采用DSP處理器，并通過(guò)CAN總線(xiàn)與ABS/ASR/ACC集成系統控制器進(jìn)行通信。CAN總線(xiàn)傳輸具有數據差動(dòng)收發(fā)、容錯和非破壞性仲裁的能力，傳輸速率高達成Mbps。采用CAN通信提高了控制系統的實(shí)時(shí)性，并為系統功能擴展和整車(chē)傳感器信息共享提供了方便。CAN通信拓撲結構如圖3所示。