魯守榮

(無錫城市學(xué)院， 無錫 214000)

汽車ECU通用開發(fā)模型設(shè)計

魯守榮

(無錫城市學(xué)院， 無錫 214000)

面對汽車ECU日益增長的功能和非功能的需求，傳統(tǒng)的開發(fā)方法和模型架構(gòu)已無法滿足，為了開發(fā)出滿足功能需求的高質(zhì)量ECU，運用基于模型開發(fā)方法和模型驅(qū)動架構(gòu)思想，對汽車ECU通用開發(fā)模型的設(shè)計進(jìn)行了研究和探討．該模型由ECU計算獨立模型CIM(computer independent model)、ECU平臺獨立模型PIM(platform independent model) 和ECU平臺相關(guān)模型PSM(platform specific model) 構(gòu)成，各模型分別對應(yīng)于ECU功能需求模型、物理邏輯模型和硬件設(shè)計模型．此ECU通用模型易于擴展、移植和重用，對降低成本、縮短開發(fā)周期以及提高ECU的安全性和實時性有著重要的作用．

基于模型設(shè)計(MBD)； 模型驅(qū)動架構(gòu)(MDA)；汽車電子控制系統(tǒng)； ECU開發(fā)模型；組件

汽車工業(yè)中一個明顯的趨勢是車輛上的電子裝備越來越多，并且扮演著重要的角色．在汽車發(fā)動機控制、底盤、車身控制、車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)控制以及駕駛信息系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品在整車成本中所占比例普遍為25%～35%，在高檔豪華轎車上已占到50%～60%[1]．隨著汽車電子產(chǎn)品、微型控制器和電控單元數(shù)量以及功能需求的不斷增加，使得汽車電控系統(tǒng)的設(shè)計變得異常復(fù)雜和困難，開發(fā)人員不僅要面臨著復(fù)雜的功能性(functional) 要求，如設(shè)計優(yōu)良的軟硬件功能，還要面臨著非功能性(non-functional)的挑戰(zhàn)，如可移植性、可重用性，降低成本和縮短開發(fā)周期、系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠等等．為了迎接挑戰(zhàn)，開發(fā)出高質(zhì)量的汽車電控系統(tǒng)，開發(fā)人員需要不斷改進(jìn)、優(yōu)化開發(fā)環(huán)境，將新技術(shù)、新方法以及開發(fā)汽車電子電器系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到整個的開發(fā)活動中[2]．

基于模型開發(fā)方法和模型驅(qū)動架構(gòu)思想設(shè)計一個通用的ECU開發(fā)模型，其目的是為了提高汽車ECU的功能安全、降低成本和縮短開發(fā)周期、滿足功能和非功能需求，從而進(jìn)一步推進(jìn)汽車ECU開發(fā)技術(shù)的發(fā)展．

文章結(jié)構(gòu)安排：第1節(jié)闡述了基于模型的開發(fā)方法和模型驅(qū)動架構(gòu)思想，它是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ); 第2節(jié)進(jìn)行了ECU的通用模型設(shè)計，創(chuàng)建了ECU的需求模型，平臺獨立模型和平臺相關(guān)模型; 最后，第4節(jié)總結(jié)ECU通用設(shè)計模型的特點和創(chuàng)新之處．

1 基于模型的設(shè)計方法和模型驅(qū)動架構(gòu)

基于模型的設(shè)計方法給汽車嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)帶來了新的概念,為系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶之間的溝通提供了新的手段，同時也為系統(tǒng)開發(fā)過程的管理提供了新的方法[3-5]．

1.1 基于模型的設(shè)計方法[6]

基于模型的設(shè)計方法(model-based design, MBD)是以模型為中心的設(shè)計方法，此方法抽象出系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，采用特定的建模語言對系統(tǒng)進(jìn)行建模，描述系統(tǒng)的解決方案，并采用形式化的工具對系統(tǒng)模型進(jìn)行驗證，以保證系統(tǒng)設(shè)計的正確性[6]．

基于MBD開發(fā)系統(tǒng)的流程同樣分為需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)和系統(tǒng)測試4個階段．在需求分析階段，MBD使需求分析的過程與系統(tǒng)建模過程一致，從用戶的需求用例開始，逐步展開分析與建模，并采用圖形化的描述語言與用戶溝通，從而能避免需求分析過程中溝通不暢和分析不徹底的問題．在系統(tǒng)設(shè)計階段，MBD的基礎(chǔ)是對象模型，每個對象模型都由數(shù)據(jù)和組件構(gòu)成．在代碼方面，MBD是由工具自動完成的，由此提高了開發(fā)效率，減少人工錯誤，保障代碼的效率和穩(wěn)定性．當(dāng)然，目前支持MBD的工具將模型轉(zhuǎn)換成的是框架代碼而非全部代碼，盡管如此，還是直接或間接地提高了開發(fā)效率，降低了設(shè)計成本．在MBD開發(fā)的過程中，通過創(chuàng)建的模型增加了對所設(shè)計系統(tǒng)的理解，從而能提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，此外，系統(tǒng)方案的自動化實現(xiàn)又能降低人為帶來的一些錯誤，再者，通過基于模型的系統(tǒng)分析、測試方法對系統(tǒng)進(jìn)行驗證，則進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量．

1.2 模型驅(qū)動架構(gòu)

模型驅(qū)動體系架構(gòu)(model driven architecture, MDA)是對象管理組織(object management group, OMG)發(fā)布的系統(tǒng)開發(fā)框架, 目的是將系統(tǒng)功能和應(yīng)用邏輯模型與底層平臺技術(shù)分離開來[5，7]． MDA 的體系中包含4 類模型：計算獨立模型(CIM)對應(yīng)功能需求模型(function model)，平臺獨立模型(platform independent model, PIM)是具有高抽象層次、獨立任何實現(xiàn)技術(shù)的模型，對應(yīng)于物理邏輯模型，是系統(tǒng)功能邏輯分析模型．平臺相關(guān)模型(platform specific model, PSM) 是為某種特定實現(xiàn)技術(shù)量身定做，PSM與應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān), 對應(yīng)于硬件設(shè)計模型，是設(shè)計應(yīng)用實現(xiàn)模型，以及CODE 對應(yīng)代碼實現(xiàn)模型[8-9]．

MDA 的核心思想是抽象出與實現(xiàn)技術(shù)無關(guān)、完整描述系統(tǒng)的平臺獨立模型PIM，針對不同實現(xiàn)技術(shù)制定變換定義；通過制定映射規(guī)則，利用轉(zhuǎn)換工具將PIM 轉(zhuǎn)換成與具體實現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的PSM；最后，再通過工具將PSM 自動轉(zhuǎn)換成CODE[10-11]．MDA方法和實現(xiàn)原理如圖1所示．

圖1 MDA方法

如圖1所示， 將復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)的功能可以分解為一系列單一功能的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可以用簡單的功能模型(function model)來描述系統(tǒng)的功能，這些功能模型和T1是建立平臺獨立模型(platform independent model,PIM)的基礎(chǔ)，T1轉(zhuǎn)換集成了系統(tǒng)的功能需求．PIM是具有高抽象層次、獨立任何實現(xiàn)技術(shù)的模型，它描述了系統(tǒng)的邏輯關(guān)系．PSM是為某種特定實現(xiàn)技術(shù)量身定做，與實現(xiàn)功能應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)．T2,T3……Tn轉(zhuǎn)換集成了PIM到不同實現(xiàn)平臺PSM轉(zhuǎn)換的信息，一個PIM能夠被轉(zhuǎn)換為一個或多個PSM．

模型聯(lián)系如圖2所示，PIM到PSM，再從PSM到代碼可以由工具和定義一系列規(guī)則來實現(xiàn)．PIM、PSM和code模型代表了對系統(tǒng)不同層次的抽象．從不同的視角來看待系統(tǒng)，能夠使得開發(fā)人員更加清晰地了解系統(tǒng)的整個架構(gòu)，而不會被具體的實現(xiàn)技術(shù)所干擾，同時對于復(fù)雜系統(tǒng)，也減少了開發(fā)人員的工作量．使得設(shè)計者可以將更多的精力集中到分析、設(shè)計以及驗證上，通過借助自動化工具，可盡量將系統(tǒng)的實現(xiàn)階段縮短且減少人為的錯誤．為提高系統(tǒng)開發(fā)效率，增強系統(tǒng)的可移植性、協(xié)同工作能力和可維護(hù)性，以及文檔編制的便利性提供了解決的路徑．

圖2 模型間聯(lián)系

2 汽車ECU模型架構(gòu)設(shè)計[12]

遵循MBD和MDA的思想，對ECU組件設(shè)計的架構(gòu)如圖3所示， ECU的CIM模型對應(yīng)ECU功能需求描述，其中包括功能和非功能的需求．CIM 模型的建立需要領(lǐng)域?qū)＜摇⒖蛻魧＜业热藛T的參與，并借助于開發(fā)工具(DOORS、UML)進(jìn)行系統(tǒng)功能和非功能需求描述，并制定定量或定性的評判準(zhǔn)則．ECU的PIM對應(yīng)物理邏輯功能模型，由靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為組成，靜態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)包括： ①基本組件和復(fù)合組件；②組件的端口(port)和接口(interface)；③基本連接器和復(fù)合連接器；④約束條件和協(xié)議．系統(tǒng)動態(tài)行為包括：①組件狀態(tài)；② 時序序列；③人機交互狀態(tài)．ECU 的PSM對應(yīng)于平臺硬件設(shè)計模型．

每個組件的功能是由相關(guān)的任務(wù)實現(xiàn)的，每個組件實體都代表一個獨立運行的任務(wù)或進(jìn)程，它與一般的操作系統(tǒng)具有類似的調(diào)度和運行環(huán)境，組件間的通訊、調(diào)用是通過端口和接口實現(xiàn)的．由于每個組件可以承擔(dān)多個角色，完成多個任務(wù)，因此，可以為一個組件定義多個接口，每個接口對應(yīng)不同的接口函數(shù)集合．連接器在組件間起連接作用，它決定組件交互的規(guī)則，并定義所需的輔助機制，也可將連接器視作特定組件實體必須遵守的規(guī)則．

圖3 基于MDA的ECU架構(gòu)

2.1 ECU架構(gòu)的PIM模型

ECU架構(gòu)的邏輯功能模型設(shè)計是定義系統(tǒng)功能的邏輯實現(xiàn)方法, 針對ECU的特性要求，定義ECU組件的拓補結(jié)構(gòu)為:

ECU-component=

{P; Irequired; Iprovided; C; O; M }

with finite sets of

ports P,

required interfaces Irequired,

provided interfaces Iprovided,

contracts C assigned to interfaces,

operations O, and

mechanisms M attached to contracts.

ECU組件邏輯模型結(jié)構(gòu)如圖4所示.其中，ECU composit component 是完成一個ECU功能所需要的所有子功能的集合．在架構(gòu)上根據(jù)需要組裝上所需功能的組件．basic components是不可再分割的子功能，該組件通過定義操作、接口實現(xiàn)其功能． ECU non-function requirement 是要求ECU應(yīng)該履行的一些非功能需求，如實時性、容錯性、功能安全性等．contract用來定義一些條件、約束、協(xié)議等用來支持real-time mechanisms的功能實現(xiàn)．real-time mechanisms是非功能需求的實現(xiàn)機制．

圖4 ECU組件邏輯模型(PIM)

2.2 ECU架構(gòu)的 PSM模型

圖5 給出了ECU 的平臺實現(xiàn)模型，在ECU控制系統(tǒng)中，傳感器、處理器、執(zhí)行器是系統(tǒng)的基本硬件組件．硬件連接器從處理器到其它的組件傳送的物理信息與軟件相關(guān)． 汽車ECU硬件組件是物理硬件元素，elementary HW component 代表不包含嵌套的基本單元，可用于直接執(zhí)行．compound HW component代表有層次和嵌套結(jié)構(gòu)的復(fù)合組件，用于輔助執(zhí)行．passive HW component代表一個數(shù)據(jù)源，例如，有存儲器RAM， 傳感器或者是執(zhí)行器．存儲器負(fù)責(zé)存儲保留數(shù)據(jù)，其指標(biāo)有存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬等都將在其屬性中定義說明． 傳感器可看做一個資源，可以周期性地從它的環(huán)境采集數(shù)據(jù)，它可被看做是個只讀存儲器．a(chǎn)ctive HW component 是一個處理元件，能夠從passive HW component讀或?qū)懶畔ⅲ鏑PU，它將按照控制時序執(zhí)行．

圖5 ECU平臺相關(guān)模型(PSM)

圖6是ECU的PIM在PSM上的運行，功能組件(function component)代表具有功能行為的一組應(yīng)用程序，該組程序可描述ECU控制系統(tǒng)的實時特性．平臺組件(platform component)代表各類資源的集合，功能組件在該平臺組件上運行．

圖6 ECU組件PIM在PSM上的運行

3 結(jié)束語

將MDA 的思想與MBD的設(shè)計方法應(yīng)用到ECU模型的設(shè)計中，設(shè)計了ECU的通用模型架構(gòu)，ECU平臺獨立模型PIM、ECU平臺相關(guān)模型PSM．該模型架構(gòu)的主要特點體現(xiàn)在：(1)在系統(tǒng)開發(fā)的初級階段就加入系統(tǒng)的非功能性需求，體現(xiàn)在ECU組件的PIM的設(shè)計中; (2)提高了ECU組件的復(fù)用性和可移植性，由于ECU 架構(gòu)的PIM 是與硬件平臺無關(guān)的模型，在遇到類似的系統(tǒng)開發(fā)時，可以直接使用這些模型; (3)方便裁剪和擴展，隨著系統(tǒng)的使用，用戶可能會提出新的需求或?qū)υ行枨筮M(jìn)行變更以及對使用的ECU 應(yīng)用程序進(jìn)行改動，開發(fā)人員只需針對改動的部分，重新定義或更改轉(zhuǎn)換規(guī)則，構(gòu)成新的PSM 即可，而不需要對整個ECU架構(gòu)進(jìn)行修改．

[1] 新聞中心. 汽車電子行業(yè)的現(xiàn)狀與未來[OL].[2014-10-7].http://www.bjbsgps.com/news_show.aspx?id=113.

[2] 魏學(xué)哲，戴海峰.汽車嵌入式系統(tǒng)、設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010．

[3] Broy M,Kirstan S, Krcmar H, et al. What is the Benefit of a Model-based Design of Embedded Software Systems in the Car Industry?[Chapter 13]. Emerging Technologies for the Evolution and Maintenance of Software Models[M]. Hershey (USA), PA: business science reference，2012:343-369.

[4] Macher G, Stolz M, Armengaud C， et al. Filling the gap between automotive systems, safety, and software engineering[J]. Elektrotechnik & Informationstechnik，2015,132(3):142-148.

[5] Rappl M, Braun P, Von Der Beeck M, et al.. Automotive Software Development: A Model Based Approach[C]//SAE Technical Paper 2002-01-0875,2002.

[6] 魏學(xué)哲,戴海峰,孫澤昌. 汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,40(7):1064-1070.

[7] Kriouile A, Addamssiri N, Gadi T. An MDA Method for Automatic Transformation of Models from CIM to PIM[J]. American Journal of Software Engineering and Applications,2015,4(1):1-14.

[8] Schlieter H, Burwitz M, Benedict M, et al.. Towards Model Driven Architecture in Health Care Information System Development[C]//12th International Conference on Wirtschaftsinformatik. Germany: Osnabrück，2015:497-511.

[9] Lu Shourong, Halang W, Zhang L. A component-based UML profile to model embedded real-time systems designed by the MDA approach[C]// Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Embedded & Real-time Computing Systems & Applications . [S.l.]:IEEE,2005:563-566.

[10]Holtmann J, Meyer J, Meyer M. A seamless model-based development process for automotive systems[C]//Software engineering. Bonn, Germany:[s.n.],2011(184):79-88

[11]Lu Shourong, Halang W. Platform-independent specification of component architectures for embedded real-time systems based on an extended UML[C]//Component-Based Software Development for Embedded Systems. Berlin, Germany: Springer Berlin Heidelberg,2005:123-142.

[12]Lu Shou-Rong.Engineering of Safety-related and Embedded Real-time Systems[D].Waabs:GCA-Verlag,2009.

A General Development Model Design of Automobile ECU

LU Shou-rong

(Dept. of Electronic and Information Engineering, Wuxi City College of Vocational Technology，21400 Wuxi, China)

Confronted with growing functional and non-functional requirements of automotive ECU, the traditional software development methods and the models have been unable to meet the requirements. In order to develop high quality ECU products which meet the requirements, a general development model of automobile ECUs is designed based on model-based design (MBD) and the model-driven architecture approach(MAD). This general ECU model is consists of ECU Computer Independent Model, ECU platform independent model and ECU Platform Specific model, each of them are connected with ECU functional requirements, ECU logical model and ECU hardware model, respectively. This ECU general model is easy to extend, transplant and reuse, it has very important to reduce the cost, shorten the development cycle and improve the safety and real-time properties.

model based design (MBD); model driven architecture (MDA); automotive electronic system; ECU developing model; component

1009-4687(2015)04-0006-05

2015-9-17

魯守榮(1963-),教授/博士,研究方向為安全關(guān)鍵嵌入式實時系統(tǒng)、汽車電控系統(tǒng).

TP221

A