新型汽車電子電氣架構(gòu)的數(shù)字化仿真測試方法研究

劉鐵山 鮑振標(biāo) 陳旭

【摘? 要】文章研究汽車電子電氣架構(gòu)的數(shù)字化仿真測試平臺搭建流程與方法，旨在測試汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計的可靠性和仿真流程。通過分析汽車電子電氣架構(gòu)的特點和需求，提出一種軟件在環(huán)仿真測試方法。設(shè)計并實現(xiàn)仿真測試平臺的搭建，涵蓋從仿真工具鏈的篩選、測試框架的構(gòu)筑到仿真工作平臺的創(chuàng)建等環(huán)節(jié)。通過對實際汽車電子電氣系統(tǒng)仿真測試案例進行驗證和評估，驗證所提出的方法的有效性和實用性，實現(xiàn)工具鏈的整合利用，明確新型汽車電子電氣架構(gòu)的仿真測試平臺搭建流程。最后，對汽車電子電氣架構(gòu)仿真測試方法的應(yīng)用前景和未來研究方向進行討論。

【關(guān)鍵詞】電子電氣架構(gòu);仿真測試;軟件在環(huán)仿真;測試平臺搭建

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0081-03

Research on Digital Simulation Test Method of New Automotive Electronic and Electrical Architecture

LIU Tieshan，BAO Zhenbiao，CHEN Xu

（China Intelligent and Connected Vehicles（Beijing）Research Institute Co.，Ltd，BeiJing 102627）

【Abstract】This paper studies the process and method of building a simulation test platform for automotive electronic and electrical architecture，aiming to test the reliability and simulation process of automotive electronic and electrical architecture design. Firstly，a software-in-the-loop simulation test method is proposed by analyzing the characteristics and requirements of electronic and electrical architecture. Secondly，the construction of simulation test platform is designed and realized，which covers the screening of simulation tool chain，the construction of test framework，and the creation of simulation work platform.Then，the effectiveness and practicability of the proposed method are verified and evaluated by the actual E&E system simulation test cases，the integrated utilization of tool chain is realized，and the construction steps of the new automotive E&E architecture simulation test platform are clarified. Finally，the application prospect and future research direction of the simulation test method are discussed.

【Key words】electronic and electrical architecture;simulation test;software in the loop simulation;test platform construction

1? 引言

隨著近年來車輛與計算機、通信等專業(yè)的深度融合，智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)下中國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)。與此同時汽車電子電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，OEM（Original Equipment Manufacture，原始設(shè)備制造商）車型迭代研發(fā)過程中的整車控制器數(shù)量不斷提升，車型及相關(guān)電子配件的研發(fā)速度不斷上升。為了應(yīng)對汽車電子系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時兼顧不同車型之間的通用化和平臺化，一套行之有效的電子電氣架構(gòu)[1]設(shè)計是必不可少的。

例如，寶馬公司將汽車電子電氣架構(gòu)按功能需求分類，將獨立傳感器規(guī)劃到通用控制單元中，再通過OEM進行系統(tǒng)化設(shè)計，實現(xiàn)區(qū)域整體功能的控制計算功能并集成到ECU中[2]。華為在世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車大會上提出了“平臺+生態(tài)”的新一代通信計算架構(gòu)平臺，此外，平臺將提供強大的算力和操作系統(tǒng)，包括三大計算平臺（智能駕駛計算平臺、智能座艙計算平臺和智能車控計算平臺），以及三大操作系統(tǒng)（智能駕駛操作系統(tǒng)AOS、智能座艙操作系統(tǒng)HOS和智能車控操作系統(tǒng)VOS）。以上案例都說明，未來汽車功能的擴展與升級離不開一套高效可靠的電子電氣架構(gòu)。

同時，分布式電子電氣架構(gòu)已經(jīng)逐步過渡到了集中式電子電氣架構(gòu)，集中式面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計主要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)計算平臺、信息娛樂計算平臺和輔助駕駛計算平臺共同組成。集中式電子電氣架構(gòu)采用Classic AUTOSAR以及Adaptive AUTOSAR的中間件來實現(xiàn)面向服務(wù)的車載跨系統(tǒng)通信。Classic AUTOSAR平臺支持高安全性和高實時性的應(yīng)用場景，而Adaptive AUTOSAR則更適用于網(wǎng)絡(luò)中存在強延遲或干擾的場景。兩者互為補充，將汽車電子電氣架構(gòu)平臺打造成具備全新用戶需求解決方案，實現(xiàn)車輛軟件與用戶交互層面差異化的通用計算平臺。

另外，為了應(yīng)對當(dāng)前市場用戶對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的高級輔助駕駛、安全等方面的需求，對整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也提出了更加高速、穩(wěn)定等設(shè)計上的要求，因而各種架構(gòu)理論應(yīng)運而生，如基于域的架構(gòu)，將汽車電子電氣系統(tǒng)劃分為不同的功能域[3]，每個域由特定的一個ECU或一組ECU負(fù)責(zé)。這種架構(gòu)可以提供更好的模塊化和可擴展性，預(yù)留了接口并且可以防止后期的變更產(chǎn)生故障，允許平行開發(fā)和集成多種功能。使用CAN總線、FlexRay總線和Ethernet總線等提供的標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式，使不同ECU之間可以進行數(shù)據(jù)交換和協(xié)作。

由于汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子器件越來越復(fù)雜，集中式電子電氣架構(gòu)的應(yīng)用也愈加廣泛。未來汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展面臨諸多的挑戰(zhàn)，如：搭建一套靈活的智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電氣架構(gòu)。在未來，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的迭代周期可能大幅縮短，不同領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用愈增，市場要求車企更新自身的電子電氣架構(gòu)以適應(yīng)廣大消費者的現(xiàn)實要求[4]。

1）跨域通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化的需求：當(dāng)前跨域通信或單域內(nèi)部通信的數(shù)據(jù)帶寬所需的流量實際上不足以滿足未來的跨域通信所需的通信帶寬，同時車載CAN總線技術(shù)逐步被車載以太網(wǎng)技術(shù)所取代，車內(nèi)線束的長度和質(zhì)量都大大降低，減少了內(nèi)部冗余、資源浪費以及線束過多帶來的安全性影響。

2）汽車網(wǎng)絡(luò)安全的要求：智能網(wǎng)聯(lián)汽車的出現(xiàn)雖然使消費者享受到了科技創(chuàng)新帶來的生活便利，但是也提升了個人用戶信息安全方面的風(fēng)險，汽車企業(yè)以及用戶將源源不斷地面臨網(wǎng)絡(luò)威脅，電子電氣架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)安全方面的考慮也是必不可少的。

如果在架構(gòu)設(shè)計初期對以上問題進行測試分析，將會大大節(jié)省架構(gòu)開發(fā)成本，提升架構(gòu)開發(fā)效率，因此，建設(shè)一個應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的架構(gòu)測試平臺是非常有必要的。通過對電子電氣架構(gòu)的流程進行分析，架構(gòu)測試平臺至少應(yīng)滿足域控制器功能測試驗證、通信測試驗證等。本文通過搭建自動駕駛域虛擬控制器、虛擬總線、高精度被控對象模型并對其進行集成，形成數(shù)字樣車，搭建虛擬場景及道路車輛等進行電子電氣架構(gòu)驗證。

2? CP AUTOSAR汽車開放架構(gòu)分析

CP AUTOSAR為ECU搭建了一個可擴展并且標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)，目的是基于對不同車輛平臺的強移植性、擴展性及安全性的考慮，提供了支持軟件模塊的基本規(guī)范、接口定義以及基于標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換格式的通用開發(fā)方法，進而減輕架構(gòu)開發(fā)以及測試人員的研發(fā)難度。CP AUTOSAR架構(gòu)分為3層：基礎(chǔ)軟件層（BSW）提供部分底層代碼并提供運行上層軟件功能所需的服務(wù);實時運行環(huán)境（RTE）將應(yīng)用層與中間件層分離，并在ECU中進行兩者信息交換;應(yīng)用軟件層（AppL）是與實時運行環(huán)境交互的應(yīng)用軟件組件，執(zhí)行應(yīng)用層算法。CP AUTOSAR整體架構(gòu)如圖1所示。

各個軟件組件通過RTE實現(xiàn)應(yīng)用程序的完整接口對BSW層的通信訪問，BSW層主要分為4部分。

1）服務(wù)層：將各種軟件組件的功能以服務(wù)的形式進行封裝，服務(wù)被進一步劃分為代表系統(tǒng)、內(nèi)存和通信服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的功能組。服務(wù)層提供的接口與硬件層幾乎無關(guān)。

2）電子控制單元抽象層：主要用于供給上層使用的微控制器抽象層封裝后的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

3）微控制器抽象層：整合各種外設(shè)，向上層提供接口，與ECU設(shè)計無關(guān)。

4）復(fù)雜驅(qū)動層：主要定義一些軟件實體用來實現(xiàn)傳感器處理和執(zhí)行器驅(qū)動，比如電磁閥控制、電機控制等。復(fù)雜驅(qū)動層跨越MCAL、ECU抽象層和服務(wù)層，是AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)之外的基礎(chǔ)模塊，通過復(fù)雜外設(shè)或特定中斷實現(xiàn)執(zhí)行器驅(qū)動或傳感器處理。

CP AUTOSAR平臺的虛擬功能總線VFB是一個基本概念。這個虛擬總線是一組抽象的RTE。VFB具備專用端口，應(yīng)用軟件的通信接口必須映射到專用端口上才能進行通信。單個ECU內(nèi)和不同ECU之間的通信可以被VFB處理。

另外，微控制器抽象層MCAL是BSW的最底層。MCAL是需要依賴于MCU而存在的，其主要包含了以下模塊：①微控制器驅(qū)動，MCU內(nèi)部外設(shè)驅(qū)動，如看門狗、定時器等;②通信接口驅(qū)動，如車輛通信接口驅(qū)動（CAN、以太網(wǎng)等），以及ECU板上通信接口驅(qū)動SPI等;③I/O驅(qū)動，如PWM驅(qū)動、ADC驅(qū)動等;④加密模塊驅(qū)動，如SHE、HSM等片上加密驅(qū)動;⑤非易失性存儲器驅(qū)動，如內(nèi)部Flash片上存儲器驅(qū)動、外部Flash片外存儲器驅(qū)動等。

在AUTOSAR架構(gòu)之下，由于非常多的工程師只會在開發(fā)流程的末期測試設(shè)計的模型或者代碼，但是通過增加工程師數(shù)量等方法去解決目前架構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的工作量巨大的問題是不現(xiàn)實的，因此利用已有的仿真環(huán)境搭建仿真平臺，設(shè)計仿真方法，加快仿真測試速率（在實體硬件可用前），降低仿真測試難度，這是非常有必要的。

3? 架構(gòu)仿真測試平臺搭建

為實現(xiàn)電子電氣架構(gòu)測試的目標(biāo)，需要提前進行ECU測試[5]，進而驗證電子電氣架構(gòu)可行性。為實現(xiàn)ECU虛擬化，利用軟件在環(huán)測試SIL技術(shù)，無需實體硬件車載控制器，即可實現(xiàn)架構(gòu)仿真測試，因此需要一套合理的方法和工具來創(chuàng)建這種虛擬車載控制器并驗證其效果。架構(gòu)仿真測試平臺示意圖如圖2所示。

通過虛擬車載控制器代替實體車載控制器，實現(xiàn)對電子電氣架構(gòu)的測試工作。技術(shù)人員需保證基于V-ECU（虛擬車載控制器）架構(gòu)功能實現(xiàn)的真實性與可靠性，V-ECU的開發(fā)數(shù)據(jù)需要與最終的硬件ECU保持一致，例如軟件架構(gòu)中的XML文件與相關(guān)模型代碼一致。同時，為架構(gòu)測試所需的ECU必須遵循AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)來創(chuàng)建。

本文利用dSPACE公司架構(gòu)工具SystemDesk來進行V-ECU的快速設(shè)計與搭建。通過V-ECU相關(guān)的描述文件，技術(shù)人員可以得到遵循AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的電子電氣架構(gòu)。同時，這些描述文件與每個功能相關(guān)的SWC（軟件組件）的生成密不可分，通過C代碼實現(xiàn)SWC。AUTOSAR元素中包含著功能，以使用非AUTOSAR的代碼。然后通過描述文件將SWC添加到ECU架構(gòu)中。最后創(chuàng)建實時運行環(huán)境（RTE），并與先前創(chuàng)建的SystemDesk基礎(chǔ)軟件進行集成。

之后利用ControlDesk這一通用的模塊化試驗及儀表軟件進行實時ECU功能測試，ModelDesk進行虛擬場景搭建，利用VEOS仿真環(huán)境進行虛擬ECU的仿真工作，包括總線通信以及模型仿真，通過dSPACE的模型接口包MIPS（Model Interface Package for Simulink）利用Simulink生成的C代碼，生成可重復(fù)使用的SIC文件。在集成模型時，如果生成了SIC文件則無需再編譯生成代碼。最后通過AURELION進行車輛實時仿真，驗證駕駛功能。

4? 架構(gòu)仿真測試功能驗證

通過章節(jié)3設(shè)計的新型電子電氣架構(gòu)仿真測試方法進行智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電氣架構(gòu)自駕域功能測試，利用AURELION虛擬場景軟件與ControlDesk實時功能測試軟件進行車輛自適應(yīng)巡航控制功能驗證，以及自駕域總線信號功能驗證。新型電子電氣架構(gòu)仿真測試界面如圖3所示。

在測試平臺上運行ACC（Adaptive Cruise Control，自適應(yīng)巡航）算法，仿真過程中用Simulink對虛擬場景中前車速度、后車速度、ACC標(biāo)志和檢測速度進行監(jiān)測，新型電子電氣架構(gòu)仿真測試驗證結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明后車能較好地對前車進行自適應(yīng)巡航，驗證了新型電子電氣架構(gòu)仿真測試的可行性。

5? 結(jié)束語

本文通過搭建智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電氣架構(gòu)測試平臺，對基于域控制器的電子電氣架構(gòu)進行測試，大大降低了架構(gòu)測試成本、架構(gòu)測試流程周期以及架構(gòu)測試驗證的難度。同時，有利于推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)內(nèi)分布式架構(gòu)到域控制器架構(gòu)的轉(zhuǎn)型，從一定程度上有利于整合新車開發(fā)的軟硬件資源，達到了新型汽車電子電氣架構(gòu)的仿真測試方法研究的目的。在未來，將對基于域控制器的新型車輛電子電氣架構(gòu)進行更詳細的測試功能需求解讀，設(shè)計測試系統(tǒng)方案，提供測試設(shè)計依據(jù)以及編寫測試用例。

參考文獻：

[1] 華一丁，龔進峰，戎輝，等. 基于模型的智能汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展綜述[J]. 汽車零部件，2019（2）：63-66.

[2] 鄧戩. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計與試驗研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2020.

[3] 劉佳熙，丁鋒. 面向未來汽車電子電氣架構(gòu)的域控制器平臺[J]. 中國集成電路，2019，28（9）：82-87.

[4] 李白. 技術(shù)整合的解決之道德爾福派克電氣羅伯特·賽德勒談汽車電子電氣架構(gòu)[J]. 汽車與配件，2010（16）：22-23.

[5] 李震，劉敏. 基于Autosar的整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計方法[J]. 機電一體化，2012，18（11）：73-76.

（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-11