数字孪生：让ECU在数字环境中“栩栩如生”

​很多汽车广告中都会展示这样一个画面：在快要猛烈撞击障碍物之时，汽车所配备的防撞预警功能在最后关头实现停驶，守护车内老少一家人的生命安全。近年来，汽车安全性能成为众多厂商广告中的主打，侧面印证了安全在当下消费者选车指标中地位的提升。实际上，在一款新车被推广至大众之前，每一个部件都必须经过全面、系统的测试以保证足够的安全性。
汽车的安全问题属于老生常谈的话题。过去的一百年里，汽车开发商进步显著，从纯粹的机械到电子的介入，再到目前“软件定义汽车”的局面，软硬件相结合的嵌入式系统已然成为汽车工业的支柱，可以说每个汽车部件的使用都依赖于软件。
汽车软件需要部署在电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）中，作为半导体芯片上的嵌入式系统，汽车ECU在对各部件的控制上都起着至关重要的作用：无论是发动机控制或刹车这些必需功能，还是安全气囊与电子锁等安保功能，都需要ECU的介入。ECU无疑是汽车安全的核心组成部分。
 
1.如何对ECU进行测试？

报告显示，汽车所配备的ECU数量在2020年就已经破百。如何对这些越来越复杂的ECU进行全面而系统的测试，是每个汽车厂商都必须直面的问题。

 
在传统的汽车V字形开发模式中，每个新阶段都必须在上一个阶段已完成的情况下才能推进。原始设备制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）按照指定要求搭建框架，相关软件则由供应商提供，最终的集成与验收测试仍由OEM完成。为保证每个部件都经过严格的安全性与可靠性测试与验证，测试时间会被不断拉长，开发周期整体的反馈时间也会遭到拖延。

 
在常规的软件开发周期中，以十六进制格式保存的数据通常需要在多个团队之前循环，如果有其他供应商参与协作，整体开发周期会被拖得更长。同时，随着汽车功能与设计的不断创新，每一次新的开发都会导致ECU的测试变得更为简单。昂贵的硬件测试成本和有限的工程师工作量是OEM当前最受掣肘的原因。

 
为了能在激烈的市场竞争格局下跟上时代步伐，在保证安全的同时，拖短交付周期、高效完成交付，OEM必须采用另外的测试方法。
 
2.数字孪生：让ECU在数字环境中“栩栩如生”

通过仿真来搭建车身部件以及相关机制数字孪生的虚拟ECU模型，在早期阶段完成排错和概念验证已成为提高汽车电子开发效率的关键。
相较于真实硬件，虚拟ECU有着下列优势：

• 数量几乎无限并且搭建速度快，软件人员不受硬件数量和硬件开发周期的限制，随时进行软件开发和测试；
  
• 具有非常强的可观测性，能够随时观察和修改内存变量甚至硬件状态，为测量和标定带来巨大的效率提升（可能支持自动化标定）；
  
• 支持无人干预的自动化测试。
  

然而，ECU作为嵌入式系统必然伴随繁多的处理器类型和外设总线，如何快速且正确地完成仿真建模，保持其运行性能符合汽车电子系统的实时性要求则是一个全新的挑战。
 
3.国产自主、契合需求的仿真软件

天目全数字实时仿真软件SkyEye，作为基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，能够为汽车ECU所需的嵌入式软件提供虚拟化运行环境，开发、测试人员可在该虚拟运行环境上进行软件开发、软件测试和软件验证活动。小到芯片，大到系统，SkyEye均可进行模拟。

 
目前 SkyEye 仿真的处理器和外设已经涵盖了汽车 ECU 所用到的大部分处理器，如MPC5554、Tricore 系列等。
应用基于SkyEye的虚拟ECU，工程师可以：

• 无需关心真实线缆繁琐的连接关系，工程一次搭建，持续可复用；
  
• 具备真实CAN总线和INCA硬件的仿真能力，支持数量几乎无限制的仿真硬件；
  
• 支持符合AUTOSAR协议的OS及应用程序的运行；
  
• 集成原有标定上位机软件，外接Simulink模型模拟真实数据。
  

虚拟ECU的整体设计框架如下图所示：

 
虚拟ECU除了可以显著减少测试时间和成本外，还能在开发过程中为工程师提供各种功能。随着消费级市场最真实的反馈、自动驾驶商用运营的价值显露，以及5G技术下车联网对车辆电子电气架构的要求，虚拟ECU作为团队无需额外硬件即可进行测试和验证的关键推动因素，无疑已成为推动汽车软件开发的加速器。
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