汽车电子系统设计与仿真.pdf

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1、思考题答案第 1 章1.简述汽车电子的发展史。答：汽车电子技术的发展及其大规模地应用是从 20 世纪 70 年代末开始的。1971 年以前，技术起点较低的交流发电机、电压调节器、电子闪光器、电子喇叭、间歇刮水装置、汽车收音机、电子点火装置和数字钟等开始被生产，该阶段主要是运用电子技术对部分汽车机械部件进行改造，通常改进的部件都是局部的或不是很关键的，如二极管整流发电机、电子式电压调节器、晶体管点火装置等。1974 1982 年期间，集成电路和 16 位以下的微处理器在汽车上得到广泛应用，主要包括电子燃油喷射、自动门锁、程控驾驶、高速警告系统、自动灯光系统、自动除霜控制、防抱死系统、车辆导向、撞

2、车预警传感器、电子正时、电子变速器、闭环排气控制、自动巡航控制、防盗系统、实车故障诊断等电子产品。这期间最具代表性的是电子汽油喷射技术的发展和防抱死（ABS）技术的成熟，使汽车的主要机械功能用电子技术来控制。但是，在此阶段机械与电器的连接并不十分理想，汽车各子系统均配备独立的控制器会很容易产生整车复杂性增加、控制功能冗余重复以及总系统资源浪费等弊端。直到 1990 年，微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，并向智能化方向发展。开发的产品有胎压控制、数字式油压计、防睡器、牵引力控制、全轮转向控制、直视仪表板、声音合成与识别器、电子负荷调节器、电子道路监视器、蜂窝式电话、可热式挡风玻璃、倒车示警、高

3、速限制器、自动后视镜系统、道路状况指示器、电子冷却控制和寄生功率控制等。从 2005 年开始，汽车电子技术进入新的发展阶段。微波系统、多路传输系统、ASKS-32 位微处理器、数字信号处理方式的应用，使通信与导向协调系统、自动防撞系统、动力最优化系统、自动驾驶与电子地图技术得到发展，智能化汽车开始出现。2008 年，为了提供更灵活的车载信息服务并降低运营成本，宝马和 Wireless Car 等公司联合开发了下一代车载信息服务模式。同一时间段，美国交通安全管理局开展了基于 V2X 协同通信的网联汽车研究，在车与行人、道路、云平台之间进行行人位置、车辆数据（车辆位置、速度、加速度与方向等）、交通

4、运行数据和出行数据等数据交换，更大程度地保障了安全行驶。2010 年之后，信息革命进入新阶段，车厂与汽车零制造业开始与信息通信制造业合作，将通信模块、集成电路、操作系统和应用软件等集成到车载终端，汽车网联产业驶入快车道。2汽车电子系统设计与仿真2.谈谈未来汽车电子的发展趋势。答：未来汽车电子的发展趋势仍将会集中于环保、安全、ADAS 以及智能驾驶几个方面。1）环保。全球汽车行业最主要的发展趋势就是倾向于发展高效燃料、低碳排放量的发动机。目前有许多选择方案，其一是先进的柴油发动机和电子控制系统，在公路上驾驶时，其燃料经济性比汽油发动机提高 30%40%；其二是电动动力系统或混合动力汽车（HEV）

5、。混合动力汽车技术应用有许多结构，但都涉及一个小型电池组、一个电子控制器及一个可以使汽车发动机在停车时自动关闭并在发动机自动重启前对汽车进行再次电动加速的电动机。混合动力汽车系统可以提高汽车的燃油经济性达 30%40%，并降低碳排放达 60%。2）安全。汽车电子发展的第二大趋势是安全性，市场对于能够保证驾驶更加安全的技术和产品有着庞大的需求。目前已经在被动安全技术取得了重大的进展，即在汽车发生碰撞时为驾驶者和乘客提供保护的技术和产品，如碰撞传感器、气囊、安全带、随动转向结构以及金属板冲撞区等产品和技术已经在汽车碰撞事故中挽救了许多人的生命，并减少了人员伤害。但是最新的发展方向是主动安全性，通过

6、采用雷达、光学和超声波传感器等技术，测量汽车与周围物体的距离和接近物体时的速度。该数据可用于提醒驾驶者控制汽车的驾驶速度，避免可能发生的碰撞事件。该信息还可用于控制制动器或转向系统，以自动避免碰撞。该碰撞避免系统可以降低全球事故率以及汽车事故的昂贵成本。3）ADAS。ADAS 是无人驾驶的前奏，也是现阶段市场的核心所在。当无人驾驶持续变成热门话题时，高级驾驶辅助系统（ADAS）悄悄地掀起了一股变革浪潮，从根本上改变着传统汽车的操控方式和用户体验。自动驾驶的冗余度和容错性特性，要求越是高阶的自动驾驶需要越多的传感器。根据我们的产业链调研，2018 2019 年是全球范围内进入 L2级自动驾驶的阶

7、段，2020 年起，国内外将正式进入 L3 级自动驾驶阶段，传感器之间交叉融合，需求量大幅度提升，以尽可能地保证行驶的安全性。4）智能驾驶。互联网厂商以人工智能和高精度地图等“软实力”为核心推出无人驾驶解决方案，将软件与“车”进行渗透式融合。无人驾驶、车联网等技术发展驱动行业整体升级，厂商持续投入研发，并在新技术的驱动下，行业整体升级，国内汽车市场高速增长，单车电子系统价值量不断提升；5G 时代，针对 V2X 的特殊场景，新型的通信技术需要被提出，商用规划逐步明确，云、管、端三层架构，运营商、设备商、整车厂多方参与；高阶自动驾驶需要催生更多传感器需求，使得毫米波雷达和摄像头数量陡升，激光雷达逐

8、步应用，CMOS 图像传感器、镜头、马达、柔性电路板等主要器件再度升级。第 2 章1.什么叫传感器？它由哪几部分组成？说出各部分的作用及其相互间的关系。答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件 思考题答案3或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量部分转换成适用于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体

9、里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。2.传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系，与时间无关。主要性能指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。常用的分析方法有时域分析和频域分析。时域分析采用阶跃信号作为输入，频域分析采用正弦信号作为输入。3.思考 ABS 系统和 ASR 系统的异同点。答：1）ABS

10、和 ASR 都是用来控制车轮相对地面的滑动，以使车轮与地面的附着力不下降，但 ABS 控制的是汽车制动时车轮的“拖滑”，主要用来提高制动效果和确保制动安全，而ASR 是控制车轮的“滑转”，用于提高汽车起步、加速及在滑溜路面行驶时的牵引力并确保行驶稳定性。2）虽然 ASR 也可以和 ABS 一样，通过控制车轮的制动力大小抑制车轮与地面的滑动，但 ASR 只对驱动车轮实施制动控制。3）ABS 在汽车制动时工作，在车轮出现抱死时起作用，当车速很低（小于 8km/h）时不起作用；而 ASR 则是在汽车行驶过程中都工作，在车轮出现滑转时起作用，当车速很高（80 120km/h）时一般不起作用。4.什么叫

11、汽车搭铁？在整车的搭铁中，对于汽车的搭铁技术有什么要求？因为汽车上没有地，所以车体作为整车的零电位，将车体视为“地”，为车辆提供保护地，引入搭铁接线制的概念。汽车电源系统的一极与车架相连的接线制度就叫搭铁接线制，简称为搭铁，其与汽车的单线制有关，采用搭铁后的汽车电气接线制度就叫单线制。采用单线制的好处在于：一方面可以节约导线支出费用，降低整车成本；另一方面，可以减少因过多导线造成的铺线困难、故障点多的问题。大多数国家规定汽车采用负极搭铁，汽车所有电气设备的搭铁接线柱用“-”或“E”表示，非搭铁的电源接线柱用“+”或“B”表示。现在汽车一般都是负极搭铁，能提高安全性。在整车的搭铁中，对于汽车的搭

12、铁技术有几点要求：4汽车电子系统设计与仿真1）要保证蓄电池负极端子搭铁，发动机和变速器的搭铁点的稳定、可靠。2）为防止同一搭铁点对不同信号产生影响，需对控制器类零件采用单独搭铁。3）由于裸露的铜端子会发生氧化现象，从而影响搭铁的效果，因此需要在铜制端子的表面进行镀层。4）对于敏感类、传感器类元器件，需就近搭铁。5）对搭铁线的连接点的保护一般采用 PVC 胶带、热缩管、耐磨胶带等材料。6）如果搭铁点的分布过于密集就会导致局部区域过热，从而导致烧线，因此搭铁点之间的距离或搭铁点到下一个线束分支点之间的距离保证至少为 30mm。7）搭铁面的面积尽可能大，且搭铁线、搭铁面的材料需具有一定的厚度和宽度，

13、材料应采用低阻抗材料。8）对于搭铁点设计需要做好设计失效模式及后果分析、潜在失效分析，尽量放置在便于安装和维修的区域。9）搭铁线长度一般不超过信号波长的 1/20，否则起不到搭铁的作用，还会有很强的天线效应。10）部分设备需采用单一搭铁和多电器搭铁线相连搭铁，比如刮水电动机、蓄电池负极搭铁、空调、音响喇叭、散热风扇、照明设备等。11）进行线束搭铁设计时，尽量将感性、容性负载的搭铁与其他控制单元分离，以减少干扰。第 3 章1.汽车控制网络有怎样的拓扑结构？答：（1）线形拓扑结构1）优点：安装简单，扩充或删除一个节点很容易，不需要停止网络的正常工作，节点的故障不会殃及整个系统。由于各个节点共用一个

14、总线作为数据通路，因此信道的利用率高。2）缺点：由于信道共享，因此连接的节点不宜过多，并且总线自身的故障可以导致整个系统的崩溃。（2）星形拓扑结构1）优点：结构简单，安装容易，费用低，通常以集线器作为中央节点，便于维护和 管理。2）缺点：中央节点负载重，扩充困难，信道（线路）利用率较低。（3）环形拓扑结构1）优点：结构简单，建网容易，便于管理。2）缺点：当节点过多时，将影响传输效率，不利于扩充，另外当某一个节点发生故障 思考题答案5时，整个网络就不能正常工作。2.汽车控制网络的不同总线标准具有何种特点？答：（1）A 类总线标准A 类的网络通信大部分采用 UART 标准。UART 比较简单，成本

15、低，但随着技术的发展，将会逐渐从汽车通信系统淘汰。A 类总线目前首选的标准是 LIN。LIN 的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端 SCI，同时将降低了汽车电子装置的开发、生产和服务费用。LIN 的规范包含传输协议、传输介质、开发工具接口以及应用软件。因此，从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN 保证了网络节点的互换性。（2）B 类总线标准B 类标准在轿车上应用的是 ISO 11898，传输速率在 100 kbit/s 左右，在卡车和大客车上应用的是 SAE 的标准 J1939，传输速率是 250 kbit/s。B 类中的国际标准是 CAN 总线。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的

16、站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，最多可标识 2048（2.0A）个或 5 亿（2.0B）多个数据块。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。数据段长度最多为 8B，不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN 协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。（3）C 类总线标准C 类标准主要用于与汽车安全相关及实时性要求比较高的地方，如动力系统，所以其传输速率比较高，通常在 125kbit/s 1Mbit/s 之间，必须支持实时的周期性的参数传输。ISO 11898 对使用控制器局域网络构建数字信息交换的相关特性进行了详细的规定，汽

17、车电子控制单元（ECU）之间的通信传输速率需大于 125 kbit/s，且最高为 1Mbit/s。J1939 供卡车及其拖车、大客车、建筑设备以及农业设备使用，是用来支持分布在车辆各个不同位置的电控单元之间实现实时闭环控制功能的高速通信标准，其数据传输速率为 250 kbit/s。J1939 使用了控制器局域网协议，任何 ECU 在总线空闲时都可以发送消息，它利用协议中定义的扩展帧 29 位标识符实现一个完整的网络定义。3.总结 CAN 总线被广泛使用的原因。答：CAN 总线是 ISO 国际标准化的串行通信协议，CAN 总线拥有如下优点：控制单元间的数据传输都在同一个平台上进行，可以很方便地实

18、现用控制单元来对系统进行控制，可以很方便地加装装置，为技术进步创造了条件，CAN 总线是一个开放系统，可以与各种传输介质进行适配，对控制单元的诊断可通过 K 线来进行，车内的诊断有时通过 CAN 总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），称为“虚拟 K 线”，可以通过多个控制单元进行系统诊断。CAN 总线系统上并联有多个控制单元，具有可靠性高、使用方便、数据密度大、数据传输快、采用双线传输、抗干扰能力强、数据传输的可靠性高等特点。CAN 总线至此被广泛使用。4.试述 LIN 总线系统的组成特点。答：LIN 总线系统的构成有三个部分：LIN 上级控制单元，即 LIN 主控制单元；LIN 从6汽车电

19、子系统设计与仿真属控制单元，即 LIN 从控制单元；单根导线。（1）LIN 主控制单元LIN 主控制单元连接在 CAN 数据总线上，执行以下功能：监控数据传输过程和数据传输速率，发送信息标题。LIN 主控制单元的软件内已经设定了一个周期，该周期用于决定何时将哪些信息发送到 LIN 数据总线上多少次。LIN 主控制单元在 LIN 数据总线系统的LIN 控制单元与 CAN 总线之间起“翻译”作用，它是 LIN 总线系统中唯一与 CAN 数据总线相连的控制单元。通过 LIN 主控制单元进行与之相连的 LIN 从控制单元的自诊断。（2）LIN 从控制单元在 LIN 数据总线系统内，单个的控制单元（如新

20、鲜空气鼓风机）或传感器及执行元件（如水平传感器及防盗警报蜂鸣器）都可看作 LIN 从控制单元。传感器内集成有一个电子装置，该装置对测量值进行分析，其数值是作为数字信号通过 LIN 总线传输的。有些传感器和执行元件只使用 LIN 主控制单元插口上的一个引脚（PIN 脚），即可实现信息传输。LIN从控制单元等待 LIN 主控制单元的指令，仅根据需要与主控制单元进行通信。为结束休眠模式，LIN 从控制单元可自行发送唤醒信号。LIN 从控制单元安装在 LIN 总线系统设备上（如空调出风口风门伺服电动机等）。5.试述 CAN 总线与 LIN 总线的区别。答：（1）含义不同CAN 总线系统：CAN 属于现

21、场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。LIN 总线系统：LIN 总线是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通信网络，是对控制器区域网络（CAN）等其他汽车多路网络的一种补充，适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。（2）传输速率不同CAN 总线系统：CAN 总线的位速率较高，在汽车中使用时通常为 500kbit/s，最低的也达到 100kbit/s。LIN 总线系统：LIN 总线最高位速率为 20kbit/s，通常使用 19 200bit/s 或 9600bit/s 的 速率。（3）系统结构不同CAN 总线系统：CAN 总线为多主机系统，即接

22、入总线的任一电子单元都可通过总线仲裁来获取总线控制权，并向总线系统中发送信息，单元在发出完整的 ID 时即为主机。CAN总线使用 11 位（甚至更多）ID，在一个子系统中可有较多的单元。LIN 总线系统：LIN 总线为单主机多从机系统，每一个子系统中有且只有一个主机，所有的信息传送都由主机控制，从机必须等待主机发出与它对应的 ID 后才能发送信息。LIN总线使用 6 位 ID，在一个子系统中只能有较少的单元。思考题答案7第 4 章1.为什么要用 AUTOSAR？答：为应对日益复杂的汽车电子软件开发、更新和维护问题，AUTOSAR（Automotive Open System Architect

23、ure，汽车开发系统架构）联盟应运而生。在 AUTOSAR 分层模型中，软件模块及软件模块之间的接口的定义更加标准化，使得整车厂、供应商、科研机构之间可以方便地实现软件联合开发，为汽车工业的软件系统框架建立了一套开发的标准。目前有 100 多个会员。各会员依据其对 AUTOSAR 的贡献及责任分为三个等级：Core Partners（核心合作伙伴）、Premium Partners（高级合作伙伴）、Associate Partners（发展合作伙伴）。核心合作伙伴包括宝马、博世、欧洲大陆、戴姆勒、福特、通用汽车、标致雪铁龙、丰田（Toyota）和大众等。这些公司负责组织、管理和控制 AUTOS

24、AR 发展伙伴关系。在这个核心中，执行委员会定义了总体策略和路线图。指导委员会管理日常的非技术操作以及合作伙伴、公共关系和合同问题。一名发言人任期为 9 个月，由一名副发言人提供支持，并与外界沟通。高级和开发伙伴促成工作包的协调并由核心合作版本建立的项目领导团队监控。随着汽车电子的发展，一款现代豪华汽车可能包含多达 100 个 ECU，包括简单的传感器接口到复杂的信息娱乐及远程信息单元。今天的汽车从过去的机械液压的启动转到今天的机械电子的启动，电子化的程度越来越高，为了解决这个问题，AUTOSAR 联盟提出了个口号，即“在标准上合作，在实现上竞争”。所有车辆都将拥有一些基于 AUTOSAR 的

25、ECU，因此该标准不能被忽视。2.试简述 AUTOSAR 开发的方法论。答：AUTOSAR 方法论（AUTOSAR Methodology）中车用控制器软件的开发涉及系统级、ECU 级和软件组件级。系统级主要考虑系统功能需求、硬件资源、系统约束，然后建立系统架构；ECU 级根据抽象后的信息对 ECU 进行配置；进行系统级和 ECU 级设计的同时伴随着软件组件级的开发。上述每个环节都有良好的通信接口，并使用统一的 ARXML（AUTOSAR Extensible Markup Language）描述文件，以此构建了 AUTOSAR 方法论。AUTOSAR 方法论包括从 VFB 设计到软件集成的各

26、个阶段，内容如下。（1）建立抽象系统描述建立抽象系统描述就是对整个系统建立一个抽象或功能性的视角。在 AUTOSAR 方法论中这一阶段是可以跳过的，因为这一阶段并没有任何实质性的产物。但是为使接下来的几个阶段更为有效，少走回头路，在实际的开发过程中还要保留。这一阶段需要做的是：确定VFB 中有哪些接口、模式、数据类型、软件组件、集合、软件组件约束（哪几个软件组件放在一个 ECU 上）和整个系统架构。在这一步中需要思考整个功能架构，即提出需求，再根据系统约束进行分析，最后得出一个合理的、高效的系统架构，为后几个阶段指明方向。8汽车电子系统设计与仿真（2）建立 VFB 系统描述在这一阶段中，就是根

27、据前一阶段制定好的大方针做具体工作。所有的软件组件设计都是基于 VFB 的，所以此时还没有 ECU 的概念，所有的软件组件都放在一起开发。整个功能描述独立于任何的 ECU 和网络。这一阶段需要做的是：具体设计 VFB 中的接口、模式、数据类型、软件组件及其定时。在做完这一步之后，就可以确定了整个 VFB，即有哪些软件组件，这些软件组件互相之间的关系是怎么样的，它们之间通信的语法和语义又是如何。（3）开发软件组件这一阶段是基于上一个阶段来操作的，即已经搭好了整个 VFB 框架，只需向软件组 件内填充内容。填充的内容具体有：运行实体、事件、数据访问点和内部变量（Inter-RunnableVari

28、ables,IRV）等。需要注意的是，这里设计的软件组件不仅是应用软件组件，还包括 ECU 抽象层软件组件、复杂驱动软件组件和传感器/执行器软件组件。软件组件内部设计一旦完成，就可以通过 RTE 生成器（合同阶段）来生成头文件了。如果采用的是手写代码开发控制算法，这些头文件则必不可少；如果采用建模的方法来建立控制算法，合同阶段也能验证 VFB 及软件组件内部设计的正确性。软件组件的实现独立于 ECU 的配置，这是 AUTOSAR 方法论的主要特征。（4）开发系统和子系统在系统设计阶段，最重要的是知道系统的拓扑结构和 ECU 资源，即有几个 ECU、各个ECU 之间是怎样通信的、它们通信的形式和

29、内容是怎样的、ECU 上有哪些资源、芯片引脚信息等。这些内容在第一阶段中就应该定义好了，对于系统开发来说，这些就是必要的输入。当这些内容输入到系统后，就可以将软件组件映射到 ECU，并将应用层的数据映射到总线上的信号，此时系统就建立好了。当系统建立完毕后，可以建立系统抽象，为开发子系统提供基础。子系统是在系统抽象的基础上构建的，可以在系统抽象上进行更改。例如，重新构建软件架构会将原本映射到一个 ECU 上的软件组件映射到两个 ECU 上。这一阶段的最后一步是建立 ECU 提取物，ECU 提取将系统中与这一 ECU 有关的信息提取出来，这也为接下来针对每个 ECU 的配置工作提供了基础。（5）开

30、发 BSW在这个阶段中是要定义 BSW 的内部行为，而不是 BSW 的配置。因为基础软件模块独立于 VFB，它们可以在任一阶段被开发，该部分由 AUTOSAR 工具链供应商提供。（6）软件集成软件集成也是以 ECU 为单位的。在 AUTOSAR 概念中，一个 ECU 就意味着一个微控制器加上外围电路和软件配置，因此，每个微控制器都需要 ECU 配置。在这一阶段首先需要进行 RTE 配置。RTE 的配置包括建立 OS 任务,并将运行实体映射到 OS 任务上。然后要配置 BSW，其中包括通信栈、操作系统、系统服务、存储、诊断、MCAL 等基础软件模块。在配置完成后，则是生成 RTE、BSW、OS

31、和 MCAL 代码。这些代码都是在不同的配 思考题答案9置工具中分别生成的，而最后放在编译器中统一编译成可执行文件。3.试简述 AUTOSAR 分层架构。答：AUTOSAR 分层架构是实现软硬件分离的关键，它使汽车嵌入式系统控制软件开发者摆脱了以往 ECU 软件开发与验证时对硬件系统的依赖。在 AUTOSAR 分层架构中，汽车嵌入式系统软件自上而下分别为应用软件层（Application Software Layer，ASW）、运行时环境（Runtime Environment，RTE）、基础软件层（Basic Software Layer，BSW）和微控制器（Microcontroller）

32、。为保证上层与下层的无关性，通常情况下，每一层只能使用下一层所提供的接口，并向上一层提供相应的接口。（1）应用软件层应用软件层包含若干个软件组件（Software Component，SWC），软件组件间通过端口（Port）进行交互。每个软件组件可以包含一个或者多个运行实体（Runnable Entity，RE），运行实体中封装了相关控制算法，其可由 RTE 事件（RTE Event）触发。（2）运行时环境运行时环境作为应用软件层与基础软件层交互的桥梁，为软硬件分离提供了可能。RTE可以实现软件组件间、基础软件间以及软件组件与基础软件之间的通信。RTE 封装了基础软件层的通信和服务，为应用层软

33、件组件提供了标准化的基础软件和通信接口，使得应用层可以通过 RTE 接口函数调用基础软件的服务。此外，RTE 抽象了 ECU 之间的通信，即RTE 通过使用标准化的接口将其统一为软件组件之间的通信。由于 RTE 的实现与具体 ECU相关，因此必须为每个 ECU 分别实现。（3）基础软件层基础软件层又可分为四层，即服务层（Services Layer）、ECU 抽象层（ECU Abstraction Layer）、微控制器抽象层（Microcontroller Abstraction Layer，MCAL）和复杂驱动（Complex Drivers）。4.谈谈 AUTOSAR 系统开发的优缺点。

34、AUTOSAR 标准发展至今相比于最初版本已经得到很好的完善,但在实际开发过程中仍有一些缺陷亟须改善。某些缺陷恰恰是伴随着它的优势体现出来的。下表对 AUTOSAR 的优缺点进行了总结。优点缺点完全兼容常用的模型化的应用层建模工具（如 Simulink）软硬件分离拥有一套成熟完整的 AUTOSAR 配置流程专用的配置工具统一的开发环境，确保在整个开发流程中数据及配置信息传承的正确性标准化的使用接口体系架构的细分、标准化使得基础软件层的配置工作变得更加繁杂进行 AUTOSAR 系统开发所需要的专业软件价格昂贵，专业技术人员较少，大规模应用开发较为困难AUTOSAR 的开放性、软件兼容性有可能对系

35、统的安全、用户的隐私带来威胁10汽车电子系统设计与仿真第 5 章1.思考基于模型设计的概念与优势。答：基于模型设计（Model Based Design）是一种流程，与传统软件开发流程相比而言，它使开发者能够以更快捷、更少的成本进行开发。其适用范围包括信号处理、控制系统、通信行业。表述系统的模型是整个开发流程的中心，贯穿需求、设计、实施与测试。它被广泛应用于航天和汽车领域。MBD 的优势在于，首先，其图形化设计的特点使整个操作流程明确、清晰、唯一，便于交流、便于维护；其次，MBD 支持早期验证，在软件开发过程中，bug 的引入难以避免，能否尽快发现 bug 对整个开发过程至关重要；再次，代码的

36、自动生成（最容易关注的优势）使代码编写效率提高，代码生成质量高，MBD 生成的代码在各种效率上（RAM、ROM、执行时间）已经过广泛测试；最后，MBD 还可以实现文档自动化，因为工程师大多不愿意写文档，而开发过程中文档又是不可缺少的。2.什么是 Simulink？Simulink 的功能有哪些？答：Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用 Simulink来建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统），将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。利用 Simu

37、link 进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托 MATLAB 提供的丰富的仿真资源。Simulink 有如下功能。（1）交互式、图形化的建模环境 Simulink 提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来即可。（2）交互式的仿真环境 Simulink 框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真（如蒙特卡罗仿真）非常有用。（3）专用模块库（Blocksets）作为 Simulink 建模系统的补充，Mat

38、hWorks 公司还开发了专用功能块程序包，如 DSP Blockset 和 Communication Blockset 等。通过使用这些程序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真与分析。更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。（4）提供了仿真库的扩充和定制机制 Simulink 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用 MATLAB、FORTRAN 和C 代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面。因此用户可以将使用 FORTRAN 或 思考题答案11C 编写的代码链接进来，或者购买使用第三方开发提供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析。（

39、5）与 MATLAB 工具箱的集成 由于 Simulink 可以直接利用 MATLAB 的诸多资源与功能，因而用户可以直接在Simulink 下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以融入仿真过程。简而言之，Simulink 具有以下特点：1）基于矩阵的数值计算；2）高级编程语言；3）图形与可视化；4）工具箱提供面向具体应用领域的功能；5）丰富的数据 I/O 工具；6）提供与其他高级语言的接口；7）支持多平台（PC/Macintosh/UNIX）；8）开放与可扩展的体系结构。3.5.3.4 节中提到的滤波器的输出信号和原始锯齿波信号为什么不完全一致？答

40、：低通滤波器可以过滤掉信号中的高频部分，以获取信号中有价值的低频信号。滤波器的输出信号和原始锯齿波信号不完全一致是因为存在不可避免的失真，在实际工作中并不存在理想滤波器，在使用高频载波对低频信号进行调制时，信号间会不可避免地出现干扰，所以滤波器的输出信号和原始锯齿波信号不完全一致。4.建立 5.3.5 节中提到的蹦极模型，并进行仿真分析（设桥梁距离地面为 50m，蹦极者的起始位置为绳索的长度-30m，即 x(0)30m=；蹦极者的起始速度为 0，即 x(0)0=，其余参数为 k=20、aa12=1、m=70、g=10m/s2）。答：蹦极跳是一种挑战身体极限的运动，蹦极者系着一根弹力绳从高处的桥

41、梁（或是山崖等）向下跳。在下落的过程中，蹦极者几乎处于失重状态。按照牛顿运动规律，自由下落的物体的位置由下式确定：mxmga xa x x=12其中 a1、a2为空气阻力系数。最后，如果物体系在一个弹力绳索上，则其对落体位置的影响：当 x 0 时，影响为 kx；x=0 时，影响为 0。则公式如下：mxmgkxa xa x x=12最终建立的模型与仿真结果如图 5-1 和图 5-2 所示。在仿真结果中，仿真曲线的波峰与波谷处曲线很不光滑。而从蹦极系统的数学方程中分析可知，系统的输出曲线应该是光滑曲线。造成这一结果的主要原因是：对此系统仿真来说，连续求解器的默认积分误差取值偏大。因此，只有设置合适

42、的积分误差限，才能获得更好的仿真结果。读者可以尝试更改多组数值进行比较。12汽车电子系统设计与仿真m*g700ConstantGainGain1IntegratorIntegrator1+-1/m-K-1s1sScopeScope1GroundSwitch1*abs（u）*uFcn1a1050-20-+图 5-1系统模型图 5-2仿真结果第 6 章1.思考如何进行现阶段流行的 V 模式开发。答：V 模式开发有以下五个步骤。（1）功能需求定义和控制方案设计在现代方法中，为了避免文字说明的模糊性及理解性错误，详细说明将采用模型方式，思考题答案13可以用信号流图的方式（Simulink 模型）进行定

43、义，用诸如 MATLAB/SIMULINK 等计算机辅助建模及分析软件建立对象尽可能准确的模型，并进行离线仿真。（2）快速控制原型方案设计结束后，无须等待软件工程师的编程和随后的代码硬件集成，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制方案框图转换为代码并自动下载到硬件开发平台，从而快速实现控制系统的原型。（3）代码自动生成产品代码的大部分由机器自动生成，无须手工键入。（4）硬件在环仿真硬件在环仿真（HILS）有了控制产品的初样，还必须对其进行全面综合的测试，以对照确认（Verification）产品与实际指标要求，特别是故障情况和极限条件下的测试。（5）系统的集成测试与标定产品型控制器制造完成后，需

44、要与其他子系统连接起来，构成完整闭环进行全面、详细的测试，以确认产品符合各项设计指标和需求定义。2.思考自动代码生成技术到来前后的区别以及优缺点。答：区别如下。自动代码生成技术前：1）系统和功能设计工程师需要制定软件的功能和需求，并设计控制模型。2）功能设计工程师提供具体的需求和设计说明书给软件工程师或者外包公司的码农。3）码农将系统工程师的设计理念从模型转化为 C 代码，编译后刷写到电子控制器。4）系统工程师或者测试工程师再拿到刷写好的软件去测试自己设计的功能。自动代码生成技术后：1）不需要码农了。2）只需要使用 TargetLink、Embedded Coder 加上其他软件工具来自动生成

45、和编译图形化的代码。优缺点如下。1）自动代码生成技术前系统和功能设计工程师可能完全不懂 C 代码。2）自动代码生成技术后节约了闭环设计中无数的时间和人力成本，系统和功能设计工程师可以独立完成软件的输出，可以很容易地避免因为技术文档描述不准确或者歧义而导致的从功能到代码的错误设计，软件功能修改后可以快速自动生成代码而不需要经过复杂的流程由码农来做修改，软件一致性不会像以前一样因为不同的码农而不同，代码也会由自动工具统一优化，图形化的软件设计和 Windows 一样更易懂，类似 Simulink 中完整的诊断和查询显示功能也可以更容易地对软件进行纠错，找到 bug。3.思考 XCP/CCP 协议存

46、在的实际意义。答：XCP/CCP 有以下用途。14汽车电子系统设计与仿真1）XCP/CCP 主要应用于控制系统的开发和测试。2）XCP/CCP 使用者为控制系统或机械工程师。3）XCP/CCP 广泛应用于系统验证和测试。其优点如下。1）当 ECU 运行的时候，可以实时记录 ECU 内存中的变量。2）具有真实物理意义和单位的数值来直接读写 ECU 变量。3）实时改变 ECU 内存中的变量值，测试中实时改变 ECU 的行为和性能，而不需重新编译 ECU 程序。4）标定过程中，数据记录功能可以获取和记录全面的数据。4.考虑如何在 MBD 模式下进行完整的测试流程。答：完整的测试流程包含如下五个步骤。

47、（1）MIL 测试模型设计阶段的主要工作就是设计控制器模型，根据系统需求的要求，采用 MIL 技术，对控制器的控制逻辑进行细化，MIL 的最终结果是得到一个可以实现所有控制逻辑的控制器模型，这个模型可以不必关心具体的硬件接口，因为被控对象模型及案例激励都是以模型形式存在的。（2）SIL 测试C 代码的生成及调试阶段，要通过 SIL 对模型进行定点化验证，在 SIL 环节，采用自动代码生成工具，将控制器模型转换为标准 C 代码，算法和时序都可以由工程师确定，再将模型生成的 C 代码以 S 函数的方式封装为模块，然后再取代原模型中的控制器模型，联合测试用案例模型和被控对象模型，进行仿真。（3）PI

48、L 测试在工具的协助下，生成可以在指定 CPU 上运行的嵌入式 C 代码，并下载至指定 CPU的 DEMO 板上直接运行，通过数据接口和 MATLAB 上的测试用案例模型及被控对象模型进行数据交互，进一步验证代码准确性。（4）HIL 测试HIL 阶段可以发现设计中被忽略的问题，如实际线缆的干扰、人工输入的错误等，需要将这类问题及处理方法及时反馈到测试用例、被控对象模型、控制器模型中，进一步完善系统设计定义。（5）实车测试实车测试阶段和传统开发流程的实车测试阶段并无区别，只是在发现问题后，需要返回对系统定义设计阶段的相关模型进行修改，并在控制器模型的基础上，修改控制策略，解决问题。5.请进行如下

49、实验：使用 MATLAB 中的 rtwdemo_sil_topmodel 模型进行顶层模型的 SIL 或 PIL 仿真。思考题答案15答：代码如下。打开一个简单的计数器顶层模型（如图 6-1 所示）。model=rtwdemo_sil_topmodel;close_system(model,0)open_system(model)图 6-1计数器顶层模型要专注于数值等效性测试，请关闭以下报告：模型覆盖率。代码覆盖率。执行时间探查。set_param(gcs,RecordCoverage,off);coverageSettings=get_param(model,CodeCoverageSett

50、ings);coverageSettings.CoverageTool=None;set_param(model,CodeCoverageSettings,coverageSettings);set_param(model,CodeExecutionProfiling,off);配置输入激励数据。ticks_to_count,reset,counter_mode,count_enable=.rtwdemo_sil_topmodel_data(T);16汽车电子系统设计与仿真配置模型的日志记录选项。set_param(model,LoadExternalInput,on);set_ param(