汽车软件系统剖析

智能汽车电子与软件 2022-09-09 17:02

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来源：电控知识搬运工

跨入汽车，按下启停键，你点燃汽车动力核心，仪表亮起。挂挡，踩满油门，你感受到十足的推背感。高速上，打开自动巡航，汽车驾驶辅助系统为你接管大部分行驶功能。到达目的地，按下自动泊车，汽车自主转动方向盘控制油门进入车位。这些年来，你能感受到汽车新功能带来的驾驶乐趣和出行便利，你能看到驾驶室内日渐丰富的中控系统。而在汽车炫酷的外表下，你看不见的是：

上百个电子控制单元中循环执行的代码功能块

在连接各电控单元的线束中不断穿梭的电子信号

终端执行器在接受电子指令后的精准运作

以及遍布汽车各个角落的传感器和实时传回的感知数据。

这套隐形而强大的系统就是汽车软件系统。它同硬件系统一道实时获取、理解驾驶员需求，通过逻辑运算得出机械部件需要做出的响应并发出指令。软件、硬件相互合作，它们一同组成了汽车电子系统。

年轻却迅猛发展的汽车电子

如今，随着汽车电子化、智能化和互联化的不断推进，汽车软件系统的功能越发可靠和多样。回想1950年，当时豪华车搭载的电子设备屈指可数：启动机、电池、车灯、转向灯和火花塞。只要40根铜导线就可以满足整车的电子部件通信和电能供给。如今普及的大型车载互动屏幕在当时是不可想象的，那个年代收音机是车载娱乐系统的全部。为了力保这唯一的多媒体设备能够正常工作，外置收音天线成为整车中要求最高的一根电线：毕竟它要在车外风吹雨淋，工作环境严苛。

1980年代随着IT技术的起步和兴起，在当时机械主宰的汽车行业内掀起了一场电子电气化革命。今天汽车标配的安全气囊、防抱死系统ABS、车辆稳定系统ESP、发动机电控系统和导航系统都集中诞生于那个年代。搭载软件系统的电子控制器开始在车上出现。随着控制器数量逐渐增多，不同控制器之间的通信问题亟需解决，如今人们熟悉的CAN总线、LIN总线等应运而生。

1990年，用于发动机管理和防抱死系统的电子控制器成为所有汽车的标准配置，软件成为汽车的重要组成部分，整车厂也逐渐意识到因为通信总线不断延长而日益升高的成本。2000年奔驰S级轿车的电子系统已经拥有80个电控单元，1900条总长达4km的通信总线。2007年奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度突破6km。

汽车各大系统的软件功能逐年快速增

长在这些硬件数量爆发的背后，究其根本原因是汽车业需要满足客户逐渐提高的驾驶性和舒适性需求，同时要满足一系列汽车安全性能行业标准。上图可以看到，以奥迪为例，汽车各大系统的软件功能逐年快速增长。软件系统越做越大，越做越复杂，硬件系统跟着齐头并进。

下图可以看到软件系统最小单元“功能函数”的总数随着时间推进，迅速增长。但是电子控制器的数量却在2010年前后开始放慢增长。这是因为越来越多的控制器，急剧增加了整车成本。整车厂面对成本压力不得不开始考虑应对策略，逐步将小型控制器集成到一个大型控制器。汽车电子系统从分散化转向集中化，减少控制器数量，降低总线长度，从而降低成本。

离不开硬件的软件

为了理解，为什么软件、硬件不能分家，只有组合在一起才可以组成汽车电子系统，我们需要首先搞明白汽车是如何与驾驶员和环境互动的。

下图是一个抽象出来的控制模型。驾驶员通过方向盘、踏板和换挡杆等给出期望（W*）操控汽车。这一系列实实在在、看得见摸得着的期望被转化为抽象的电子信号（W）进入电控单元。随后电控单元通过比较驾驶员期望（W）和传感器传回的当前实际值（R）进行对比。若对比发现，期望与现实存在差距，电控单元中的软件程序会通过逻辑计算给出指令（U）操控执行器做出响应（Y）。控制对象在执行器的动作和环境的影响（Z）下，开始做出驾驶员期待的反应（X）。这一反应（X）又会通过传感器监控、感知，当前状态（R）将再次返回电控单元完成控制闭合回路。

控制模型

听起来十分复杂抽象，这里举一个刹车辅助系统的例子来说明。紧急刹车时，如果驾驶员脚力不足或反应较慢，没有及时将刹车完全踩死、踩满会导致刹车系统无法全力工作，在这种情况下这套系统就将被激活。在驾驶员刹车踏板输入不变的前提下，自动提高制动力使汽车更快减速。

例如，行车中遇到紧急情况，驾驶员抬起油门后，快速用力地踩下刹车踏板期望汽车迅速减速（W*）。刹车踏板通过采集踏板值变化率、踏板受力等信号（W）得到驾驶员踩刹车踏板的轻重、缓急等信息，理解驾驶员意图。W作为电子信号传入相应的电控单元中。同样传入电控单元的还有传感器的实时测量数据（R），例如当前轮胎转速或车速。若软件通过比较发现，当前轮速高、车速快、减速度不足，驾驶员踩下的刹车踏板深度不足以让刹车系统发挥出最大功能，最终得出液压制动系统需要进一步刹车的结论（U）。

位于轮胎附近的制动卡钳接到指令（U）开始工作让轮胎转速变慢。结果由于路面结冰的影响（Z）车轮在强制动力的作用下开始抱死打滑，一系列制动工作没有让汽车达到预期的减速效果。传感器将发生的这一切以电子信号的形式通过通信线束（R）实时传回电控单元。软件逻辑将因此激活防抱死系统ABS，操控制动系统做出响应并不断接受传感器的控制反馈，最终达到让汽车减速这一驾驶员期望。这一次次的控制，在电控单元中以10ms甚至更快的速度循环进行着。

以上是一个十分简单的电控例子，只有一个电控单元参与其中。而现如今许多复杂的汽车功能常常需要由多个电控单元、多个传感器联合控制才能实现。例如自适应定速巡航功能ACC，驾驶员通过设定期望巡航速度、与前车保持的期望距离等实现驾驶辅助系统一定程度上接管汽车的功能。这一功能就需要多个电控单元协作完成并且通过总线让它们随时保持通信联系。ACC控制器、雷达控制器、发动机控制器、ESP控制器、变速箱控制器、人机交互控制器以及数不清的传感器和执行器都将参与其中。可以说，软件和硬件系统相互合作，共同为汽车创造出一个个新的功能奇迹。