本書系統(tǒng)詳細地介紹了汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)流程、方法和工具以及汽車電子的新規(guī)范AUTOSAR,使本科生能夠在掌握汽車電子行業(yè)標準AUTOSAR基礎上,進行汽車電子系統(tǒng)的研發(fā)工程。全書內(nèi)容新穎,讀者可以通過本書學習初步了解汽車電子系統(tǒng)開發(fā)知識。
本書共分六章,主要內(nèi)容包括第1章緒論簡單介紹了汽車嵌入式系統(tǒng)概要,第2章介紹汽車嵌入式系統(tǒng)結構組成,第3章介紹了車嵌入式系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡系統(tǒng),第4章詳細闡了Autosar規(guī)范標準,第5章介紹了基于模型的設計方法,第6章介紹了車載電子系統(tǒng)開發(fā)需要的V模式的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法與測試流程。本書內(nèi)容豐富,敘述上淺顯易懂,程序?qū)嵗哂械湫托浴?br> 本書可作為高校電子信息類、計算機類相關專業(yè)的教材,也可以作為電子工程技術人員的參考用書。
隨著電子信息技術和汽車制造業(yè)的快速發(fā)展,汽車電子系統(tǒng)的應用和創(chuàng)新不僅提高了汽車的動力性、經(jīng)濟性、安全性,改善了汽車的行駛穩(wěn)定性和舒適性,還降低了汽車的污染排放和燃料消耗,而且使汽車具備了娛樂、辦公和通信等豐富功能,極大地推動了汽車工業(yè)的進步與發(fā)展。汽車電子與電氣系統(tǒng)結構十分復雜,不同廠商生產(chǎn)的各種各樣的軟件、硬件在很大程度上加重了分布式電子架構集成工作的負擔。為了實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的高效管理,汽車制造業(yè)在長期的實踐中形成了適合解決復雜問題的汽車電子系統(tǒng)的設計與開發(fā)流程,為開發(fā)者提供了更大的設計空間。只有深入掌握汽車電子系統(tǒng)的設計原理、技術手段和開發(fā)方法,才能有效地進行汽車電子系統(tǒng)設計,以避免失敗的風險和不必要的資源浪費。
要進行汽車電子系統(tǒng)設計,必須了解汽車開放式系統(tǒng)架構(Automotive Open System Architecture,AUTOSAR)。AUTOSAR聯(lián)盟是由全球汽車制造商,部件供應商,以及其他電子、半導體和軟件系統(tǒng)公司聯(lián)合建立的,各個成員保持開發(fā)合作伙伴關系。寶馬(BMW)集團認為未來的車型將普遍受益于全行業(yè)統(tǒng)一的標準化程序,以及通用性、互換性更強的軟件。AUTOSAR界面的標準化以及供應商通用工具軟件的應用將促進該領域的進一步發(fā)展。所以,本書基于AUTOSAR開放標準,結合汽車系統(tǒng)的基礎知識,介紹汽車電子分布式系統(tǒng)的模型設計、仿真與系統(tǒng)驗證的全過程,使讀者了解汽車電子系統(tǒng)設計的方法與過程。本書主要包含以下內(nèi)容。
第1章從汽車嵌入式系統(tǒng)設計的基本概念出發(fā),結合汽車嵌入式系統(tǒng)所需具備的功能以及特點,分別從硬件、軟件、車載網(wǎng)絡通信以及汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設計方法等幾個方面介紹嵌入式系統(tǒng)在汽車上的開發(fā)與應用,從而使讀者對汽車嵌入式系統(tǒng)架構有大致了解。
第2章學習傳感器與汽車系統(tǒng)的相關知識。汽車電子系統(tǒng)的種類很多,例如發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、車身電子系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)等。無論這些系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng),反映系統(tǒng)狀態(tài)的變量往往是不容易傳遞和處理的物理信號,需要將其轉(zhuǎn)換成電信號,這時就需要一種裝置來實現(xiàn)這種非電量到電量的轉(zhuǎn)換。
第3章對車載網(wǎng)絡進行介紹,包括CAN、LIN、FlexRay等總線及其應用領域,詳細介紹車載控制總線—CAN總線與LIN總線的原理及其在汽車中的使用領域,并通過部分實例的演示讓讀者更加深入地理解相關知識。
第4章介紹AUTOSAR規(guī)范。作為汽車嵌入式系統(tǒng)軟件的通用性規(guī)范,AUTOSAR在軟件架構、軟件開發(fā)流程等方面都定義了眾多新概念,掌握這些理論知識是進行符合AUTOSAR規(guī)范的軟件開發(fā)的基礎。所以,本章從AUTOSAR的由來及發(fā)展歷程著手,詳細介紹AUTOSAR規(guī)范中的三部分主要內(nèi)容,即分層架構、方法論與應用接口,并對其中軟件組件與虛擬功能總線的概念進行詳細剖析。
第5章介紹基于模型的設計。首先對基于模型的設計方法進行研究,從設計流程入手介紹如何在建模工具中實現(xiàn)微分方程。然后分別以離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)等動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真為例,進一步展現(xiàn)功能設計(建模)的步驟。后以電動汽車直流驅(qū)動仿真建模為例,幫助讀者深入了解基于模型的設計的建模方法。
第6章在簡要介紹車載電子系統(tǒng)開發(fā)過程的V模式后,對功能需求定義和控制方案設計、快速控制原型、代碼自動生成、硬件在環(huán)仿真、系統(tǒng)的集成測試與標定等五個階段進行了詳細的介紹,并通過具體應用實例使讀者加深理解。
本書內(nèi)容充實,重點突出,闡述循序漸進、由淺入深。書中的車載電子系統(tǒng)設計經(jīng)過MATLAB仿真,可以直接進行下一步的系統(tǒng)設計。本書配備了思考題答案、免費的電子課件及所有例題的代碼,歡迎選用本書作為教材的教師登錄華章網(wǎng)站(www.hzbook.com)下載。
本書是編者和實驗室學生多年的勞動成果,其中臧仕義、陳曦和暴林慧等做了許多工作,在此表示衷心感謝。
由于作者水平有限,書中難免有錯誤與不足之處,懇請各位專家和讀者批評指正。
丁山,2003年博士畢業(yè)于名古屋工業(yè)大學電氣信息工學專業(yè),2004年到2006年在名古屋大學擔任文部省學術振興會(JSPS)研究員。2006年至今,任東北大學信息科學與工程學院副教授,研究領域涉及嵌入式與實時系統(tǒng)構成、嵌入式與實時調(diào)度算法以及信號與信息處理。
朱留存,工學博士,教授,研究員級高級工程師,國家特聘專家、廣西八桂學者、江蘇333高層次領軍人才、浙江特聘專家,北部灣大學先端科學技術研究院院長,揚州大學汽車電子信息技術研究中心主仼。廣西人工智能學會智慧海洋領域分會主任委員、智能制造領域分會副主任委員,廣西大學機械工程專業(yè)博士生導師,江蘇大學儀器儀表專業(yè)博士生導師,揚州大學軟件工程專業(yè)博士生導師,南京航空航天大學等校兼職教授。曾任職于世界500強的豐田汽車集團與新日礦集團,長期從事機器人技術、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、測控技術、多智能體系統(tǒng)、計算機應用等方面工作,主持或參加、省部級、市級科研項目30余項,發(fā)表論文100多篇,軟件著作權100余項,申請獲批專利100多項。
序言
前言
第1章 汽車電子技術概述 1
1.1 汽車電子的發(fā)展史 1
1.2 汽車電子的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.3 本章小結 5
思考題 5
第2章 汽車電子系統(tǒng) 6
2.1 傳感器基礎 6
2.1.1 傳感器的定義與組成 6
2.1.2 傳感器的分類與基本特點 7
2.1.3 傳感器的靜態(tài)特性與動態(tài)特性 8
2.2 汽車用傳感器 9
2.2.1 曲軸位置傳感器 9
2.2.2 速度傳感器 13
2.2.3 溫度傳感器 14
2.2.4 壓力傳感器 15
2.3 汽車傳動系統(tǒng) 16
2.3.1 離合器 16
2.3.2 變速器 18
2.3.3 傳動裝置 20
2.3.4 驅(qū)動橋 21
2.4 車身電子控制系統(tǒng) 23
2.4.1 中央控制門鎖系統(tǒng) 24
2.4.2 防護系統(tǒng) 25
2.4.3 防盜系統(tǒng) 27
2.4.4 空調(diào)系統(tǒng) 29
2.5 底盤電子控制系統(tǒng) 30
2.5.1 電子控制懸架系統(tǒng) 30
2.5.2 防抱死制動系統(tǒng) 31
2.5.3 驅(qū)動防滑控制系統(tǒng) 32
2.5.4 穩(wěn)定性控制系統(tǒng) 35
2.6 電磁兼容 37
2.6.1 電磁兼容概述 37
2.6.2 電磁兼容問題 39
2.6.3 EMC故障診斷方法 41
2.6.4 電磁兼容設計 41
2.7 本章小結 47
思考題 47
參考文獻 47
第3章 汽車嵌入式系統(tǒng)控制網(wǎng)絡 49
3.1 網(wǎng)絡技術在汽車中的應用 49
3.1.1 網(wǎng)絡技術在汽車內(nèi)部的應用 49
3.1.2 汽車內(nèi)部網(wǎng)絡標準 51
3.1.3 控制局域網(wǎng)絡的應用 51
3.1.4 網(wǎng)絡技術在汽車外部的應用 52
3.2 車載控制網(wǎng)絡 52
3.2.1 汽車控制網(wǎng)絡的分類 53
3.2.2 不同控制網(wǎng)絡的特點 56
3.2.3 汽車安全總線 61
3.3 CAN總線 63
3.3.1 CAN總線簡介 63
3.3.2 CAN總線的組成 65
3.3.3 CAN總線系統(tǒng)元件的功能 67
3.3.4 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸過程 70
3.3.5 CAN總線的應用 74
3.4 LIN總線 78
3.4.1 LIN總線簡介 78
3.4.2 LIN總線的數(shù)據(jù)傳輸 82
3.4.3 LIN總線的應用 85
3.5 FlexRay總線 88
3.5.1 FlexRay總線簡介 88
3.5.2 FlexRay總線的結構 88
3.5.3 FlexRay總線的特性 91
3.5.4 FlexRay總線的應用 92
3.6 本章小結 94
思考題 94
參考文獻 95
第4章 AUTOSAR體系 96
4.1 AUTOSAR體系簡介 96
4.1.1 AUTOSAR標準的產(chǎn)生與發(fā)展 96
4.1.2 AUTOSAR系統(tǒng)的核心思想及目標 98
4.1.3 AUTOSAR系統(tǒng)功能及作用領域 99
4.2 AUTOSAR技術架構 99
4.2.1 AUTOSAR分層模型 99
4.2.2 AUTOSAR標準化的應用接口 100
4.2.3 AUTOSAR方法論 100
4.2.4 AUTOSAR系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術 102
4.3 基礎軟件層 105
4.3.1 ECU抽象層 105
4.3.2 服務層 107
4.3.3 微控制器抽象層 114
4.3.4 復雜驅(qū)動層 120
4.4 運行時環(huán)境層 121
4.4.1 運行時環(huán)境 121
4.4.2 虛擬功能總線 122
4.5 應用層 124
4.5.1 AUTOSAR端口 124
4.5.2 軟件組件 124
4.5.3 基于Simulink的軟件組件開發(fā) 125
4.6 AUTOSAR的前景 129
4.6.1 AUTOSAR的優(yōu)缺點 129
4.6.2 AUTOSAR的發(fā)展趨勢 130
4.7 本章小結 131
思考題 131
參考文獻 131
第5章 基于模型的設計 132
5.1 基于模型的設計方法概述 132
5.1.1 基于模型的設計方法的產(chǎn)生 132
5.1.2 基于模型的設計方法的優(yōu)勢 133
5.2 基于模型的設計工具 135
5.2.1 建模與仿真工具:MATLAB/Simulink 135
5.2.2 有限狀態(tài)機圖形實現(xiàn)工具:Stateflow 136
5.3 基于模型的設計方法的研究 137
5.3.1 基于模型的設計流程 137
5.3.2 微分方程的Simulink建模 137
5.3.3 簡單系統(tǒng)的建模與仿真 142
5.3.4 離散系統(tǒng)的建模與仿真 143
5.3.5 連續(xù)系統(tǒng)的建模與仿真 147
5.3.6 線性系統(tǒng)的建模與仿真 150
5.3.7 非線性系統(tǒng)的建模與仿真 155
5.3.8 混合系統(tǒng)的建模與仿真 158
5.3.9 集成、測試與驗證 162
5.4 電動汽車直流驅(qū)動仿真建模實例 163
5.5 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗仿真建模實例 172
5.6 本章小結 179
思考題 179
參考文獻 179
第6章 V模式的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與測試 181
6.1 V模式基礎 181
6.2 建模與算法仿真 186
6.2.1 基于模型的設計 186
6.2.2 建模和仿真決策 189
6.2.3 Stateflow工具介紹與實例 190
6.2.4 代碼的生成和優(yōu)化 197
6.2.5 Embedded Coder工具介紹與實例 200
6.3 硬件在環(huán)測試 204
6.3.1 ECU功能測試 205
6.