entwicklung von steuergerätefunktionen und software · tionen umsetzen, lässt sich am pc simu...
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Entwicklung von Steuergeräte-funktionen und Software Mechatronische Systeme haben einen entscheidenden Anteil am Funktionsumfang moderner Fahr-zeuge. Durch den Einsatz von Elektrik, Elektronik und Software werden intelligente Funktionen innerhalb der Domänen Antrieb, Fahrwerk, Karosserie und über diese Domänen hinweg kosteneffizient realisiert. Autosar unterstützt die Wiederverwendung von Software dieser Systeme. Der Beitrag von Etas gibt einen Überblick über die Systemebenen, die das Verhalten von komplexen Fahrzeugfunktionen bestim-men und schildert den Einsatz von Methoden und Werkzeugen bei der arbeitsteiligen Entwicklung von Steuergerätefunktionen und Software.
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ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 318
Autosar
1 Einleitung
Mit den steigenden Anforderungen an Komfort, Sicherheit und Umweltverträglichkeit wachsen Anzahl und Umfang von elektronisch realisierten Fahrzeugfunktionen. In heutigen Mittelklassefahrzeugen sind rund 40 Steuergeräte verbaut, die über Fahrzeugbusse miteinander vernetzt sind. Moderne Motorsteuergeräte verarbeiten bis zu 250 MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) und können über 20.000 Funktionsparameter, mit denen sich die Motorsteuerung einstellen lässt, beinhalten. In gleichem Maße wächst der Umfang des Codes im Steuergerät, dem logischen Kern der Steuerungen und Regelungen. Mit dem zunehmenden Umfang steigt der Anteil der Software am Fahrzeugwert. Software im Automobil ist für Fahrzeughersteller und Systemanbieter ein Produkt von strategischer Bedeutung [1].
2 Fahrzeugsysteme
Fahrzeuge und Systeme zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, niedrige Herstellkosten und lange Produktlebenszyklen aus. Gleichzeitig werden vom Oberklassemodell bis zum Kleinstwagen unterschiedlichste Fahrzeugtypen und Modellvarianten entwickelt und auf den Weltmärkten angeboten. Plattformstrategien der Fahrzeughersteller und der Systemlieferanten zielen auf einen möglichst hohen Grad der Wiederverwendung von Systemen oder Systemkomponenten in verschiedenen Fahrzeugmodellen ab. Die Art und Weise, in der elektronische Steuerungen und Regelungen realisiert werden, richtet sich einerseits nach funktionalen Anforderungen, andererseits nach kommerziellen, technischen sowie bauraumbedingten Vorgaben. Zusätzliche Funktionen lassen sich durch die Vernetzung von Systemen realisieren. Zum Beispiel wird beim vorausschauenden Bremsen der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug, den das Radar einer adaptiven Geschwindigkeitsregelung misst, vom Bremssystem ausgewertet, um bei Gefahr einen Bremsvorgang vorzubereiten. Ebenso treten zunehmend zentrale Steuerungen für Systeme aus vormals unabhängigen Domänen auf. Beispielsweise
werden bei einem Hybridantrieb Verbrennungs und Elektromotor, Bremse und Generator, Getriebe sowie der Energieverbrauch durch Nebenaggregate gemeinsam und verkoppelt miteinander gesteuert und geregelt [2].
3 Steuergerätesoftware – Zentrale Trends und Herausforderungen
Als zentrale Systemkomponente muss Steuergerätesoftware über hohe Qualität verfügen und – den Lebenszyklus des Systems begleitend – über sehr lange Zeit gewartet werden können. Zudem muss sich die Software an verschiedene Systemvarianten und Fahrzeugtypen anpassen lassen. Dazu werden Softwarefunktionen so parametriert, dass sich möglichst viele Applikationen der Software durch das Anpassen („Kalibrieren“) von Kenngrößen darstellen lassen. Um die Anzahl, den Umfang und die Varianten der Funktionen zu beherrschen, wird Steuergerätesoftware in sinnvolle Komponenten zerlegt, die sich aus Effizienz und Qualitätsgründen wieder verwenden lassen sollen. Häufig erfolgt die Entwicklung neuer Funktionen und der dazugehörigen Steuergerätesoftware durch Arbeitsgruppen aus verschiedenen Bereichen und von verschiedenen Firmen. Die zunehmende Arbeitsteilung und Globalisierung der Entwicklungsprozesse erfordert einheitliche Softwarearchitekturen sowie leistungsfähige Entwicklungsmethoden und Werkzeuge.
4 Autosar – Ein neuer Standard für Software
Die Bestrebungen, Software von elektronischen Regelungen und Steuerungen unter der Devise „cooperate on standards, compete on innovation“ zu vereinheitlichen, hat im Jahre 2003 zur Gründung der AutosarEntwicklungspartnerschaft geführt (www.autosar.org). Sie wird von über 100 Mitgliedern getragen, die gemeinsam an der Festlegung einer einheitlichen Softwarearchitektur für Steuergeräte und an der Standardisierung einer durchgängigen Entwicklungsmethodik arbeiten.
In der dreischichtigen Architektur ist die Anwendungssoftware, welche die
Die Autoren
Dr. Matthias Klauda ist Geschäftsführer der Etas GmbH in Stuttgart.
Dr. Ulrich Lauff verantwortet im Marketing die technische Redaktion der Anwendungsfelder Software Engineering sowie Messen, Kalibrieren und Steuergerätediagnose bei der Etas GmbH in Stuttgart.
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Steuerungs, Regelungs und Diagnosealgorithmen enthält, in einzelnen Komponenten gekapselt. Die Komponenten kommunizieren über Autosarkonforme Schnittstellen. Jede Kommunikation zwischen Softwarekomponenten, ob innerhalb des Steuergeräts, im Steuergerätenetzwerk oder mit Sensoren und Aktoren, erfolgt über die zentrale mittlere Schicht, die so genannte RTE (Runtime
Environment). Die RTE bildet die Schnittstelle zur Basissoftware, welche Kommunikations und Diagnoseprotokolle, Treiber, MikrocontrollerBetriebssystem (OS) und Systemdienste zur Verfügung stellt.
Auf Basis dieser Architektur definiert Autosar Methoden für den steuergeräteunabhängigen Entwurf von Softwarekomponenten auf einer logischen Abstraktionsebene, dem so genannten Vir
tual Function Bus, und die Zuordnung der Komponenten zu einzelnen Steuergeräten eines Gesamtsystems. Mit den letzten AutosarReleases stehen die grundlegenden Spezifikationen für den Serieneinsatz von Steuergeräten mit Autosarkonformer Software zur Verfügung. Darin sind die Schnittstellen der Basissoftwaremodule und der RTE, die Austauschformate und Templates für den Entwurf
Bild 2: Entwicklung und Integration von Funktionen, Software und Steuergeräten in virtuellen und realen Umgebungen
Bild 1: Analyse, Spezifikation, Implementierung und Integration von Funktionen und Software der Fahrzeugelektronik
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und die Verteilung von Softwarekomponenten sowie eine erste Auswahl von standardisierten Schnittstellen der Anwendungssoftware definiert.
5 Entwicklung von Funktionen und Implementierung der Steuergerätesoftware
Hauptgegenstand von Autosar ist die Beschreibung und Implementierung von Steuergerätesoftware. Sie setzt die Definition der Funktionen voraus, welche in der Software zu realisieren sind. Die Funktionsentwicklung vollzieht sich in drei Schritten: Nach Analyse der Anforderungen an die Anwendung, beispielsweise an eine Motorsteuerung, werden die einzelnen Steuerungs, Regelungs und Diagnosefunktionen, etwa Einspritzung oder Zündung, spezifiziert und durch einzelne Funktionsalgorithmen, zum Beispiel der Berechnung des Zündwinkels in Abhängigkeit von der Last, abgebildet, Bild 1. Bei der Implementie
rung der Software werden die Algorithmen in Softwarekomponenten umgesetzt und gekapselt. Anschließend wird die Steuergerätesoftware aus Softwarekomponenten und der Basissoftware zusammengesetzt und in das Steuergerät integriert, Bild 1.
In Fortschreibung des AutosarVorläuferprojekts EastEEA wurde die East Architekturbeschreibungssprache von Atesst (Advancing Traffic Efficiency and Safety through Software Technology, www.atesst.org), einem im Rahmen des Sixth Framework Programms (FP6) der EU geförderten IST (Information Society Technologies) Vorhabens, weiterentwickelt. Mit der domänenspezifischen Sprache EastADL2 lassen sich Funktionen der Fahrzeugelektronik und Software ausgehend vom Lastenheft beschreiben, analysieren und Autosarkonform implementieren. Die Umsetzung von Anforderungen an das System in Bezug auf Features, Wechselwirkungen und Varianten kann dabei über die verschiedenen Ebenen hinweg verfolgt werden [3].
Bei der Entwicklung von Funktionen und Steuergerätesoftware kommen Werkzeuge zum Einsatz, die von Toolherstellern wie Etas angeboten werden. Im Folgenden wird auf Anwendungen von EtasWerkzeugen referenziert, ohne dass damit ein Anspruch auf Exklusivität oder Vollständigkeit erhoben wird.
In der Funktions und Softwareentwicklungsumgebung „ASCET“ können Funktionen entweder grafisch, in Form von Blockdiagrammen oder Zustandsautomaten, oder textuell mit Hilfe der steuerungs und regelungstechnischen Beschreibungssprache ESDL (Embedded System Description Language) spezifiziert werden [4]. Das Verhalten der Algorithmen, welche die spezifizierten Funktionen umsetzen, lässt sich am PC simulieren und unter realen Bedingungen mit Hilfe eines EchtzeitExperimentiersystems, welches das Zielsteuergerät ergänzt oder ersetzt, validieren (Rapid Prototyping; [5,6,7,8]), Bild 2, Schritt 1 und 2. Bei primärer Betrachtung des „physikalischen“ Steuerungs und Regelungsver
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haltens werden die Funktionsalgorithmen unter Ausnutzung der Rechenleistung eines PCs oder Experimentiersystems in Gleitkommaarithmetik implementiert.
Wenn die Funktionsalgorithmen den steuerungs und regelungstechnischen Anforderungen entsprechen, werden sie nach den Vorgaben der SteuergeräteSoftwarearchitektur in Festkommaarithmetik ausgeführt. Dabei werden für die einzelnen Variablen Datentypen mit geeigneter Auflösung festgelegt, die Berechnungsroutinen angepasst und Umrechnungsformeln zur physikalischen Darstellung erzeugt. Im Rapid PrototypingExperiment lässt sich die FestkommaImplementierung einer Softwarefunktion durch Vergleich mit dem physikalischen Modell einfach verifizieren. Anschließend werden die Funktionsalgorithmen in Softwarekomponenten übertragen und die Datenstrukturen und Kommunikationsmechanismen der Komponentenschnittstellen festgelegt. Im letzten Schritt wird automatisch Steuergerätecode erzeugt, Bild 2, Schritt 3. AutosarSoftware, die mit „ASCET“ entwickelt wurde, ist in zahlreichen Serienprojekten bereits im Einsatz [10], [11].
PrototypingUmgebungen wie „INTECRIO“ bieten heute bereits die Möglichkeit, Autosarkonforme Anwendungen in einer virtuellen oder in der realen Umgebung zu validieren, Bild 2, Schritt 1 und 2. Unabhängig von der Modellierungsumgebung lassen sich Autosarkonforme Softwarekomponenten mittels der Integrationsplattform von „INTECRIO“ auf dem Virtual Function Bus als „Grundplatte“ bereits auf dem PC zu einer Anwendung verschalten [12] und unmittelbar am PC [13] oder unter realen Bedingungen testen [14], Bild 3 und Bild 4.
6 Zeitverhalten
Unabhängig von den logischen Aspekten muss bei einer Systemintegration das gewünschte Zeitverhalten einer Steuerung und Regelung sichergestellt werden. Es wird maßgeblich durch Latenzzeiten bei der Übertragung von Signalen und der Durchführung von Berechnungen bestimmt. Dabei können die Sensorik und
Aktorik sowie die Kommunikationsmechanismen von Fahrzeugbussen und Steuergeräten die Übertragung verzögern. Bei verteilten Systemen hat insbesondere die Buskommunikation maßgeblichen Ein
fluss auf das Zeitverhalten von elektronischen Steuerungen und Regelungen. Zeitgesteuerte Bussysteme wie Flexray (www.flexray.com) übermitteln Signale in vorgegebenen Zeitscheiben und vermei
Bild 3: Integration von Softwarekomponenten und Validierung von Funktionen am PC mit Intecrio. Verifikation der Ausführung von Funktionsalgorithmen mit „RTA-TRACE“, Vorkalibrie-rung von Funktionsparametern am PC mit „INCA“
Bild 4: Frühzeitige Validierung von Funktionsprototypen im Fahrzeug mit Intecrio und der Rapid Prototyping-Hardware ES910. Integration des Prototypen über Bypass- und Busschnittstellen (CAN, ETK, Flexray) in bestehende Steuergeräte-Netzwerke
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den dadurch Schwankungen in den Übertragungszeiten der Signale. Bei den neuesten AutosarSpezifikationen wurde die zeitliche Charakteristik von Software und Systemarchitekturen noch außer Acht gelassen. Derzeit werden im Rahmen von Phase II des AutosarProjekts und des von der EU geförderten Itea2 (Information Technology for European Advancement) Projekts Timmo (Timing Model, www.timmo.org) Konzepte und Methoden diskutiert, die es erlauben, das Zeitverhalten beim Entwurf von Fahrzeugsystemen in einer strukturierten Art und Weise mit zu berücksichtigen.
Auf der Werkzeugseite wurden im Rahmen des EU FP6IST Projekts Interest (Integrating European Embedded System Tools) aufeinander abgestimmte Lösungen dargestellt, mit denen sich das Zeitverhalten von Systemen analysieren lässt. Durch eine Kopplung von „ASCET“ mit den aiT Worst Case Execution Time (WCET) Analysewerkzeugen von Absint können die maximalen Laufzeiten einzelner Operationen von Softwarekomponenten mittels Codeanalyse bestimmt werden. Mit dem Werkzeug „SymTA/S“ von Symtavision lassen sich auf Basis der analysierten WCETDaten sowie Betriebssystem und FahrzeugbusSchedules maximale Laufzeiten von Signalen zwischen Sensoreingang und Aktorausgang bestimmen und zeitlimitierende Faktoren im System feststellen [15].
7 Integration von Steuergerätesoftware
Im Labor werden die Steuerungs, Regelungs und Diagnosefunktionen eines Systems in einer simulierten Umgebung getestet (Systemtest, siehe Bild 2, Schritt 4). Dazu werden am HardwareintheLoop (HiL)Prüfstand Steuergeräte an Stellglieder oder Ersatzlasten angeschlossen, vernetzt und mit Hilfe von aufgezeichneten Messdaten oder einem Streckenmodell, welches das Restsystem, das Fahrzeug, das Fahrerverhalten und die Umwelt nachbildet, stimuliert. Die Steuergeräte werden dabei über echtzeitfähige Schnittstellenmodule elektrisch mit dem Simulationsmodell gekoppelt. Elektrische Fehler wie Kurzschlüsse oder Leitungsunterbrechungen können mit entsprechender Hardware nachgestellt werden [16,17,18].
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Bei diesen Tests der zunehmend komplexen Steuerungs, Regelungs und Diagnosefunktionen kommen immer aufwändigere Streckensimulationen zum Einsatz. Mit ihrem jährlich stattfindenden Leistungszuwachs bietet die PCTechnologie die geeignete Plattform für rechenintensive Simulationen. Zum Beispiel gestatten QuadcoreProzessoren heute die Echtzeitbehandlung von komplexen Fahrdynamikmodellen am PC, was bis vor kurzem trotz spezifischer Hardware für Echtzeitsimulationen nicht möglich war [19]. Im Anschluss an die Systemintegration wird das komplette mechatronische System in aufwändigen Versuchen mit entsprechender Messausrüstung [20] am Prüfstand oder im Fahrzeug erprobt, Bild 2, Schritt 5.
8 Applikation der Steuergerätesoftware
ECUSoftware wird so parametriert, dass sich das Verhalten der Steuerungs, Regelungs und Diagnosefunktionen durch das Kalibrieren von Kenngrößen der Funktionsalgorithmen an verschiedene Systemvarianten oder Fahrzeugmodelle anpassen lässt, ohne dass Berechnungsroutinen geändert werden müssen. Mit Applikationswerkzeugen, wie zum Beispiel „INCA“, können im laufenden Betrieb Kennwerte kalibriert und gleichzeitig Signale vom Steuergerät, von Fahrzeugbussen und von Messgeräten erfasst werden. Applikationswerkzeuge unterstützen die standardisierten Datenbeschreibungsformate sowie Mess und Kalibrierprotokolle, die von der Association for Standardization and Automation of Measuring Systems e.V. (www.asam.net) festgelegt werden. Diagnosefunktionen und Protokolle lassen sich mit Hilfe des Open Diagnostic Data Exchange Format ODX (Asam AE MCD2D) in standardisierter Form deklarieren. Wenn bei der Applikation viele Messgrößen gleichzeitig und in kurzen Zeitabständen zu messen sind, werden in Entwicklungssteuergeräte zusätzliche, leistungsfähige Applikationsschnittstellen eingebaut [6].
9 Zusammenfassung
Die bisherigen Ergebnisse von Autosar schaffen eine wichtige Grundlage für eine arbeitsteilige Softwareentwicklung.
Die komponentenbasierte und standardisierte Architektur vereinfacht die Integration, Skalierung, Änderung und Wartung von Systemen. Im Idealzustand ist der Softwareentwicklungsprozess durchgängig, transparent und rückgekoppelt. Standardisierte Datenformate und Schnittstellen ermöglichen den Austausch von Artefakten und eine einfache Integration von Werkzeugen in den Entwicklungsprozess.
Auf Basis von Funktionsmodellen lassen sich komplexe elektronische Fahrzeugfunktionen mit geeigneten Methoden und Werkzeugen entwickeln. Wenn Modelle neben der Architektur und den Schnittstellen der Steuergerätesoftware geeignete Informationen aus anderen technischen und logischen Architekturebenen enthalten, können komplexe Systemwechselwirkungen – wie etwa das Zeitverhalten verteilter Steuerungs und Regelungsfunktionen – von Anfang an im Entwurf berücksichtigt werden.
Modellbasierte Entwicklungswerkzeuge versetzen den Ingenieur in die Lage, Lösungen auf den Abstraktionsebenen, die seiner Problemstellung entsprechen, zu entwickeln. Die modulare Architektur der ECUSoftware unterstützt die Applikation von einzelnen Funktionen, die mit der Simulation der Funktion am PC beginnt und mit der Fahrzeugintegration des Systems endet und dabei stetig verfeinert wird. Auf Basis von Umgebungsmodellen und Optimierungsverfahren kann die Applikation in weiten Teilen automatisiert werden.
Literaturhinweise[1] McKinsey (Hrsg.): HAWK 2015 – Knowledgebased
Changes in the Automotive Value Chain. Deutschland (2003)
[2] Bauer, R.; Raste, T.; Rieth, P. E.: Systemvernetzung von Hybridantrieben. ATZelektronik (2) Ausgabe 4, Dezember 2007, S. 611
[3] Cuenot, P.; Frey, P.; Johansson, R.; Lönn, H.; Törngren, M.; Sjöstedt, C.J.: Engineering Support for Automotive Embedded Systems – beyond AUTOSAR. Springer Automotive Media (Hrsg.), FISITA 2008 World Automotive Congress F 200805053
[4] Gupta, M.; Lauff, U.; Wolff, H. J.: Professionelle Umgebung für die Entwicklung von Steuergerätesoftware – „ASCET“ V6.0. Hanser automotive (2008) Heft 10, S. 8487
[5] Triess, B.; Müller, Ch.; Lauff, U.; Mößner, C.: Entwicklung und Applikation von Motor und Getriebesteuerungen mit der ETKSteuergeräteschnittstelle. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift (109) Ausgabe 1, Januar 2007, S. 3239
[6] Kulzer, A.; Laubender, J.; Lauff, U.; Mößner, D.; Sieber, U.: Der Direktstart – Vom Modell zum Demonstrator. MTZ Motortechnische Zeitschrift (67) Ausgabe 9, September 2006, S. 636644
[7] Gebhard, M.; Lauff, U.; Schnellbacher, K.: Operation am offenen Herzen – Entwicklung und Test von Steuergerätefunktionen mit der Bypassmethode (Teil 1). Elektronik Automotive (2008) Heft 6, S. 3439
[8] Dubitzky, W.; Eismann, W.; Schinagel, J.: Entwicklung und Test von Steuergerätefunktionen mit der Bypassmethode (Teil 2). Wird veröffentlicht in Elektronik Automotive (2008) Heft 8
[9] Freund, U.; Lauff, U.; Wolff, H.J.; Ziegenbein, D.: Modellbasierte Entwicklung von AutosarAnwendungssoftware, ATZelektronik (2), Ausgabe 4, Dezember 2007, S. 1216
[10] Freund, U.; Lauff, U.; Siwy, R.; Wolff, H.J.; Ziegenbein, D.: Sauberer Schnitt – Modellbasierte Entwicklung von Anwendungssoftware mit AUTOSARkonformen Schnittstellen, Elektronik Automotive (2007) Heft 9, S. 5155
[11] Schwerin, W.; Jenter, M.: AUTOSAREvaluierung bei BMW. RealTimes ETAS GroupMagazin (2007) Heft 2, S. 1213 (www.etas.com/realtimes)
[12] Lauff, U.: Offen für Autosar. Automobil Elektronik (2008) Heft 1, S. 2628
[13] Critchely, O.; Tracey, N.: RTAOSEK erweitert Support für virtuelle Entwicklung um Echtzeit. RealTimes ETAS GroupMagazin (2008) Heft 1, S. 3839 (www.etas.com/realtimes)
[14] Stix, P.; Wagner, J.: Function Development for FlexRay ECUs. Hanser automotive (2006), Special Edition FlexRay, S. 3842
[15] Frey, P.; Freund, U.: Integrating Timing Aspects in Model and Componentbased Embedded Control System Development for Automotive Applications. In: Giese, H.; Huhn, M.; Nickel, U.; Schätz, B. (Hrsg.), Tagungsband DagstuhlWorkshop MBEES, InformatikBericht 200802, TU Braunschweig
[16] Wolters, U.; Elbs, M.: New Methods and Practices in Automated Testing of Automotive ECUs. In: Grote, C.; Elster, R. (Hrsg.), Design&Elektronik, Begleittexte zum Entwicklerforum KfzElektronik und FlexRay Solution Day, Poing (2007), S. 165174
[17] Wittler, G.; Crepin, J.: Realtime and Performance Aspects of HardwareintheLoop (HiL) Testing Systems. ATZ online (www.atzonline.de), Special: Simulation
[18] Bayerl, A.; Wandling, F.; Wolters, U.: FlexRay Residual Bus Simulation on HiL Testing Systems. Hanser automotive (2007), Special Edition FlexRay, S. 69
[19] Wittler, G.: PCStandardtechnologien im praktischen Einsatz für HiLTestsysteme. In: VDIBerichte 2009 (Hrsg.), AUTOREG, Düsseldorf (2008), S. 647655
[20] Lauff, U.; Lochau, S.: Kleine EthernetModule messen Signale in Sensornähe. ATZelektronik (1) Ausgabe 4, November 2006, S. 5055
Download des Beitrags unterwww.ATZonline.de
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