基于量子框架的开放式汽车电控系统体系架构及其应用研究

论文摘要

随着嵌入式技术的迅猛发展,汽车电子化为汽车生产企业带来了新的经济增长点,汽车电子在整车中所占的比例越来越高。汽车电子控制系统研究厂商众多,系统中用到的处理器也是千差万别,运行环境更是各有千秋,因此在开发汽车电控系统过程中的一个主要难题就是嵌入式软件的复用。同时,嵌入式系统本身资源有限,对实时性的要求较高,汽车电子控制系统的控制逻辑规定了电控单元(Electronic Control Unit,简称ECU)完成特定功能所必须的步骤和事件的序列。为了提高自己产品的竞争力,各汽车生产厂商又在不停地对电控系统更新换代,这使得电控系统的控制越来越复杂。当向控制系统中添加新的部件、增加新的控制算法或替换已有的子系统时,其控制逻辑必然发生改变。因此,针对不同产品的开发过程不同,每次开发过程又有不少重复性的工作,控制系统的扩展性、移植性都很差。为了解决这些问题,目前汽车电控系统正由封闭式结构走向开放式结构,这一研究工作在国际上正处于起步阶段。本文以中国重型汽车集团新一代HOWO重型卡车的机械式自动变速器系统为研究对象,开展了开放式汽车电控系统研究,旨在为国内开放式汽车电控系统的研究提供一种快速高效的设计方法,主要的研究工作如下:本文探讨了现有的开放式体系结构,重点对OSEK/VDX和AUTOSAR两种典型的应用于汽车电控系统的开放式体系结构从基本结构、模块功能、运行机制、实现技术等方面进行了分析,然后分析了有限状态机与量子框架的关系,讨论了量子框架的活动对象、状态调度、通信方法等内部运行机制,并在此基础上提出了一种新型的开放式汽车电控系统体系架构——OSAQ(Open System ArchitectureBased on Quantum framework),该架构不依赖于汽车ECU的硬件和操作系统的类型,真正地实现了汽车电控系统在软件和硬件层次上的开放,并比较了OSEK/VDX、AUTOSAR和OSAQ之间的差别,给出了构建开放式汽车电控系统的一种思路。基于量子框架的软件总线是OSAQ体系结构中的信息交互媒介,所有活动对象间的消息传递都是通过量子框架来实现的,因此必须配置系统软件层中的每个活动对象使其具有标准的外部通信接口,这是实现功能模块代码重用的基础。另外,根据实际应用的嵌入式操作系统的不同,需要对运行环境层的软件总线接口进行配置。针对不同的ECU硬件又需要进行操作系统的代码移植,即要编写不同的硬件抽象层文件。操作系统的代码移植、系统软件层的接口配置和运行环境层接口配置是量子框架软件总线实现既定功能的关键技术。本文对量子框架在典型的硬件平台上实现从硬件平台选择和软件平台选择、实时操作系统移植等方面进行了分析,然后在此基础上分别分析了软件总线在运行环境层和系统软件层的配置方法,通过对软件总线的配置可以大大增强汽车电控系统软件模块的可重用性和系统开放性。当底层硬件或系统功能发生变化时,可以通过分别配置量子框架软件总线的运行环境层和系统软件层接口来实现系统的行为重构和功能扩展。代码自动生成技术就是帮助程序员完成系统底层的、重复性代码的自动生成,减少软件开发中枯燥且重复的编码工作,使得程序员将更多的时间花在系统架构研究、软件工程等方面,从而提高软件系统健壮性、可扩展性、以及可维护性。本文对QF代码自动生成平台的开发进行了需求分析,研究了基于量子框架的嵌入式代码生成方法,通过设计基于量子框架的XSLT模板,将得到的XML文件直接转换为QF活动对象的代码框架,开发了QF代码自动生成平台QFCodeGenerator。在QF代码自动生成平台中通过相关配置,就能够自动生成符合QF标准的嵌入式代码。在对开放式汽车电控系统体系架构OSAQ进行深入研究研究的基础上,完成了HOWO重型卡车的机械系统改造及控制系统开发,建立了基于量子框架开放式重型卡车AMT原型系统。研究了重型卡车AMT系统的硬件结构以及关键执行机构,分析了AMT系统的工作过程并建立了AMT系统各个功能模块活动对象的基于量子框架的状态机模型,然后以前后台和操作系统两种系统软件设计模式分别研究了设计开放式汽车电控系统软件的设计方法,并通过实例验证了OSAQ体系架构的开放性及其有效性。在中国重汽HOWO型重型卡车AMT系统试验平台上对AMT系统的换挡逻辑、换挡过程、换挡时间等方面进行了试验研究,验证了系统的整体功能和性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车电控系统的特点及发展趋势
• 1.1.1 汽车电子在汽车工业中的地位
• 1.1.2 汽车上的关键电控系统
• 1.1.3 汽车电控系统的发展趋势
• 1.2 汽车电控系统软件开发方法及其存在的问题
• 1.2.1 汽车电控系统软件开发方法
• 1.2.2 现有汽车电控系统软件开发存在的问题
• 1.3 开放式汽车电控系统的特点及其研究现状
• 1.3.1 开放式系统的定义
• 1.3.2 开放式汽车电控系统研究现状
• 1.4 本课题研究的主要内容及意义
• 1.4.1 本课题的来源
• 1.4.2 本课题研究的主要内容
• 1.4.3 本课题研究的意义
• 第2章 基于量子框架的开放式汽车电控系统体系架构
• 2.1 OSEK体系分析
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 OSEK操作系统规范
• 2.1.3 OSEK通信规范
• 2.1.4 OSEK网络管理规范
• 2.2 AUTOSAR体系分析
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 AUTOSAR概念
• 2.2.3 AUTOSAR设计方法
• 2.2.4 AUTOSAR架构
• 2.3 状态机与量子框架
• 2.3.1 状态机
• 2.3.2 量子框架
• 2.4 开放式汽车 ECU系统架构——OSAQ
• 2.4.1 OSAQ架构
• 2.4.2 OSAQ架构的优势
• 2.4.3 OSAQ子系统
• 2.4.4 活动对象
• 2.4.5 标准接口描述
• 2.4.6 模块通信
• 2.4.7 OSAQ设计方法
• 2.5 比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于量子框架的软件总线技术研究
• 3.1 轻量级软件总线——量子框架
• 3.2 运行平台选择
• 3.2.1 硬件平台选择
• 3.2.2 操作系统选择
• 3.3 操作系统移植
• 3.3.1 uC/OS-Ⅱ的移植
• 3.3.2 移植到80C51
• 3.3.3 移植到TMS 320LF 2407A
• 3.3.4 uC/OS-Ⅱ系统的配置
• 3.3.5 测试移植代码
• 3.4 基于量子框架的软件总线配置
• 3.4.1 运行环境层配置
• 3.4.2 系统软件层配置
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于量子框架的代码自动生成技术研究
• 4.1 代码自动生成方法
• 4.2 UML与 XML映射
• 4.2.1 UML与XML简介
• 4.2.2 UML与XML的转换
• 4.3 XML与 QF代码映射
• 4.3.1 XSLT简介
• 4.3.2 XPath表达式
• 4.3.3 模板规则
• 4.4 代码生成器 QFCodeGenerator的设计
• 4.4.1 QFCodeGenerator平台实现
• 4.4.2 活动对象模板设计
• 4.4.3 QFCodeGenerator的优点
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于量子框架的重卡 AMT系统设计
• 5.1 AMT的系统硬件结构
• 5.1.1 系统需求分析
• 5.1.2 ECU硬件结构
• 5.1.3 关键执行机构
• 5.1.4 系统的可靠性设计
• 5.2 基于前后台模式的AMT系统软件设计
• 5.2.1 活动对象基本结构
• 5.2.2 活动对象设计
• 5.3 基于操作系统模式的AMT系统软件设计
• 5.3.1 接口配置
• 5.3.2 活动对象分析
• 5.3.3 活动对象（任务）设计
• 5.4 AMT系统开放性验证
• 5.4.1 行为重构
• 5.4.2 功能扩展
• 5.5 本章小结
• 第6章 重卡 AMT系统试验研究
• 6.1 重卡 AMT试验平台构建
• 6.1.1 AMT系统的机械结构
• 6.1.2 AMT系统的电气结构
• 6.1.3 试验用变速箱基本参数
• 6.2 数据采集监控系统 AMT Monitor Tool设计
• 6.2.1 Lab VIEW简介
• 6.2.2 前面板设计
• 6.2.3 后面板设计
• 6.3 发动机急减速试验
• 6.3.1 发动机急减速试验目的
• 6.3.2 发动机急减速试验方法
• 6.3.3 发动机急减速试验分析
• 6.4 手动换挡试验
• 6.4.1 手动换挡试验目的
• 6.4.2 手动换挡试验方法
• 6.4.3 手动换挡试验分析
• 6.5 自动换挡试验
• 6.5.1 升挡试验
• 6.5.2 降挡试验
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本论文的主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表