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T I T E LT H E M A
Autosar
Entwicklung von Steuergerätefunktionen und Software
Mechatronische Systeme haben einen entscheidenden Anteil am Funktionsumfang moderner Fahrzeuge. 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 bestimmen und schildert den Einsatz von Methoden und Werkzeugen bei der arbeitsteiligen Entwicklung von
Steuergerätefunktionen und Software.
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ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 3
1 Einleitung
Mit den steigenden Anforderungen an
Komfort, Sicherheit und Umweltverträg­
lichkeit wachsen Anzahl und Umfang
von elektronisch realisierten Fahrzeug­
funktionen. In heutigen Mittelklasse­
fahrzeugen sind rund 40 Steuergeräte
verbaut, die über Fahrzeugbusse mitei­
nander vernetzt sind. Moderne Motorsteu­
ergeräte verarbeiten bis zu 250 MIPS (Mil­
lionen Instruktionen pro Sekunde) und
können über 20.000 Funktionsparame­
ter, 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 Produkt­
lebenszyklen aus. Gleichzeitig werden
vom Oberklassemodell bis zum Kleinst­
wagen unterschiedlichste Fahrzeugty­pen
und Modellvarianten entwickelt und auf
den Weltmärkten angeboten. Plattform­
strategien der Fahrzeughersteller und
der Systemlieferanten zielen auf einen
möglichst hohen Grad der Wiederver­
wendung von Systemen oder System­
komponenten in verschiedenen Fahr­
zeugmodellen ab. Die Art und Weise, in
der elektronische Steuerungen und Re­
gelungen realisiert werden, richtet sich
einerseits nach funktionalen Anforde­
rungen, andererseits nach kommerzi­
ellen, technischen sowie bauraumbeding­
ten Vorgaben. Zusätzliche Funktionen
lassen sich durch die Vernetzung von
Systemen realisieren. Zum Beispiel wird
beim vorausschauenden Bremsen der
Abstand zum vorausfahrenden Fahr­
zeug, den das Radar einer adaptiven
­Geschwindigkeitsregelung misst, vom
Bremssystem ausgewertet, um bei Ge­
fahr einen Bremsvorgang vorzubereiten.
Ebenso treten zunehmend zentrale Steu­
erungen für Systeme aus vormals unab­
hängigen Domänen auf. Beispielsweise
werden bei einem Hybridantrieb Verbren­
nungs- und Elektro­motor, Bremse und
Ge­nerator, Getriebe sowie der Energie­
verbrauch durch Nebenaggregate ge­
meinsam und verkoppelt miteinander
ge­steuert und geregelt [2].
Die Autoren
Dr. Matthias Klauda
ist Geschäftsführer
der Etas GmbH in
Stuttgart.
3 Steuergerätesoftware – Zentrale
Trends und Herausforderungen
Als zentrale Systemkomponente muss
Steuergerätesoftware über hohe Qualität
verfügen und – den Lebenszyklus des Sys­
tems begleitend – über sehr lange Zeit
gewartet werden können. Zudem muss
sich die Software an verschiedene Sys­
temvarianten und Fahrzeugtypen anpas­
sen lassen. Dazu werden Softwarefunkti­
onen so parametriert, dass sich mög­
lichst 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 Kom­
ponenten zerlegt, die sich aus Effizienzund Qualitätsgründen wieder verwen­
den lassen sollen. Häufig erfolgt die Ent­
wicklung neuer Funktionen und der da­
zugehörigen Steuergerätesoftware durch
Arbeitsgruppen aus verschiedenen Berei­
chen und von verschiedenen Firmen. Die
zunehmende Arbeitsteilung und Globali­
sierung der Entwicklungsprozesse erfor­
dert einheitliche Softwarearchitekturen
sowie leistungsfähige Entwicklungsme­
thoden und Werkzeuge.
Dr. Ulrich Lauff
verantwortet im Mar­
keting die technische
Redaktion der Anwen­
dungsfelder Software
Engineering sowie
Messen, Kalibrieren
und Steuergeräte­
diagnose bei der Etas
GmbH in Stuttgart.
4 Autosar – Ein neuer Standard
für Software
Die Bestrebungen, Software von elektro­
nischen Regelungen und Steuerungen
unter der Devise „cooperate on stan­
dards, compete on innovation“ zu verein­
heitlichen, hat im Jahre 2003 zur Grün­
dung der Autosar-Entwicklungspartner­
schaft geführt (www.autosar.org). Sie
wird von über 100 Mitgliedern getragen,
die gemeinsam an der Festlegung einer
einheitlichen Softwarearchitektur für
Steuergeräte und an der Standardisie­
rung einer durchgängigen Entwicklungs­
methodik arbeiten.
In der dreischichtigen Architektur ist
die Anwendungssoftware, welche die
ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 3
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Autosar
Bild 1: Analyse, Spezifikation, Implementierung und Integration von Funktionen und Software der Fahrzeugelektronik
Steuerungs­, Regelungs­ und Diagnoseal­
gorithmen enthält, in einzelnen Kompo­
nenten gekapselt. Die Komponenten
kommunizieren über Autosar­konforme
Schnittstellen. Jede Kommunikation zwi­
schen Softwarekomponenten, ob inner­
halb des Steuergeräts, im Steuergeräte­
netzwerk oder mit Sensoren und Ak­
toren, erfolgt über die zentrale mittlere
Schicht, die so genannte RTE (Runtime
Environment). Die RTE bildet die Schnitt­
stelle zur Basissoftware, welche Kommu­
nikations­ und Diagnoseprotokolle, Trei­
ber, Mikrocontroller­Betriebssystem (OS)
und Systemdienste zur Verfügung stellt.
Auf Basis dieser Architektur definiert
Autosar Methoden für den steuergerä­
teunabhängigen Entwurf von Software­
komponenten auf einer logischen Ab
straktionsebene, dem so genannten Vir­
tual Function Bus, und die Zuordnung
der Komponenten zu einzelnen Steuerge­
räten eines Gesamtsystems. Mit den letz­
ten Autosar­Releases stehen die grundle­
genden Spezifikationen für den Serien­
einsatz von Steuergeräten mit Autosar­
konformer Software zur Verfügung. Da­
rin sind die Schnittstellen der Basissoft­
waremodule und der RTE, die Austausch­
formate und Templates für den Entwurf
Bild 2: Entwicklung und Integration von Funktionen, Software und Steuergeräten in virtuellen und realen Umgebungen
20
ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 3
und die Verteilung von Softwarekompo­
nenten sowie eine erste Auswahl von
standardisierten Schnittstellen der An­
wendungssoftware definiert.
5 Entwicklung von
Funktionen und Implementierung
der Steuergerätesoftware
Hauptgegenstand von Autosar ist die Be­
schreibung und Implementierung von
Steuergerätesoftware. Sie setzt die Defi­
nition der Funktionen voraus, welche in
der Software zu realisieren sind. Die
Funktionsentwicklung vollzieht sich in
drei Schritten: Nach Analyse der Anfor­
derungen an die Anwendung, beispiels­
weise an eine Motorsteuerung, werden
die einzelnen Steuerungs­, Regelungs­
und Diagnosefunktionen, etwa Einsprit­
zung oder Zündung, spezifiziert und
durch einzelne Funktionsalgorithmen,
zum Beispiel der Berechnung des Zünd­
winkels in Abhängigkeit von der Last,
abgebildet, Bild 1. Bei der Implementie­
rung der Software werden die Algorith­
men in Softwarekomponenten umge­
setzt und gekapselt. Anschließend wird
die Steuergerätesoftware aus Software­
komponenten und der Basissoftware zu­
sammengesetzt und in das Steuergerät
integriert, Bild 1.
In Fortschreibung des Autosar­Vor­
läuferprojekts 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, weiterentwi­
ckelt. Mit der domänenspezifischen Spra­
che East­ADL2 lassen sich Funktionen
der Fahrzeugelektronik und Software
ausgehend vom Lastenheft beschreiben,
analysieren und Autosar­konform imple­
mentieren. Die Umsetzung von Anforde­
rungen an das System in Bezug auf Fea­
tures, Wechselwirkungen und Varianten
kann dabei über die verschiedenen Ebe­
nen hinweg verfolgt werden [3].
Bei der Entwicklung von Funktionen
und Steuergerätesoftware kommen Werk­
zeuge zum Einsatz, die von Toolherstel­
lern wie Etas angeboten werden. Im Fol­
genden wird auf Anwendungen von Etas­
Werkzeugen referenziert, ohne dass da­
mit ein Anspruch auf Exklusivität oder
Vollständigkeit erhoben wird.
In der Funktions­ und Softwareent­
wicklungsumgebung „ASCET“ können
Funktionen entweder grafisch, in Form
von Blockdiagrammen oder Zustands­
automaten, oder textuell mit Hilfe der
steuerungs­ und regelungstechnischen
Beschreibungssprache ESDL (Embedded
System Description Language) spezifi­
ziert werden [4]. Das Verhalten der Algo­
rithmen, welche die spezifizierten Funk­
tionen umsetzen, lässt sich am PC simu­
lieren und unter realen Bedingungen
mit Hilfe eines Echtzeit­Experimentier­
systems, welches das Zielsteuergerät er­
gänzt oder ersetzt, validieren (Rapid Pro­
totyping; [5,6,7,8]), Bild 2, Schritt 1 und 2.
Bei primärer Betrachtung des „physika­
lischen“ Steuerungs­ und Regelungsver­
311 08 008
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haltens werden die Funktionsalgorith­
men unter Ausnutzung der Rechenleis­
tung eines PCs oder Experimentiersys­
tems in Gleitkommaarithmetik imple­
mentiert.
Wenn die Funktionsalgorithmen
den steuerungs- und regelungstech­
nischen Anforderungen entsprechen,
werden sie nach den Vorgaben der Steu­
ergeräte-Softwarearchitektur in Fest­
kommaarithmetik ausgeführt. Dabei
werden für die einzelnen Variablen Da­
tentypen mit geeigneter Auflösung fest­
gelegt, die Berechnungsroutinen ange­
passt und Umrechnungsformeln zur
physikalischen Darstellung erzeugt. Im
Rapid Prototyping-Experiment lässt
sich die Festkomma-Implementierung
einer Softwarefunktion durch Vergleich
mit dem physikalischen Modell einfach
verifizieren. Anschließend werden die
Funktionsalgorithmen in Softwarekom­
ponenten übertragen und die Daten­
strukturen und Kommunikationsme­
chanismen der Komponentenschnitt­
stellen festgelegt. Im letzten Schritt
wird automatisch Steuergerätecode er­
zeugt, Bild 2, Schritt 3. Autosar-Soft­
ware, die mit „ASCET“ entwickelt wur­
de, ist in zahlreichen Serienprojekten
bereits im Einsatz [10], [11].
Prototyping-Umgebungen wie „IN­
TECRIO“ bieten heute bereits die Mög­
lichkeit, Autosar-konforme Anwen­
dungen in einer virtuellen oder in der
realen Umgebung zu validieren, Bild 2,
Schritt 1 und 2. Unabhängig von der Mo­
dellierungsumgebung lassen sich Auto­
sar-konforme 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 ge­
wünschte Zeitverhalten einer Steuerung
und Regelung sichergestellt werden. Es
wird maßgeblich durch Latenzzeiten bei
der Übertragung von Signalen und der
Durchführung von Berechnungen be­
stimmt. Dabei können die Sensorik und
22
ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 3
Autosar
Bild 3: Integration von Softwarekomponenten und Validierung von Funktionen am PC mit
­Intecrio. Verifikation der Ausführung von Funktionsalgorithmen mit „RTA-TRACE“, Vorkalibrierung 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
Aktorik sowie die Kommunikationsme­
chanismen von Fahrzeugbussen und Steu­
ergeräten die Übertragung verzögern. Bei
verteilten Systemen hat insbesondere die
Buskommunikation maßgeblichen Ein­
fluss auf das Zeitverhalten von elektro­
nischen Steuerungen und Regelungen.
Zeitgesteuerte Bussysteme wie Flexray
(www.flexray.com) übermitteln Signale in
vorgegebenen Zeitscheiben und vermei­
den dadurch Schwankungen in den Über­
tragungszeiten der Signale. Bei den neues­
ten Autosar-Spezifikationen wurde die
zeitliche Charakteristik von Software- und
Systemarchitekturen noch außer Acht ge­
lassen. Derzeit werden im Rahmen von
Phase II des Autosar-Projekts und des von
der EU geförderten Itea2 (Information
Technology for European Advancement)
Projekts Timmo (Timing Model, www.tim­
mo.org) Konzepte und Methoden disku­
tiert, 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 FP6-IST Projekts Interest
(Integrating European Embedded System
Tools) aufeinander abgestimmte Lö­
sungen 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 ein­
zelner Operationen von Softwarekompo­
nenten mittels Codeanalyse bestimmt
werden. Mit dem Werkzeug „SymTA/S“
von Symtavision lassen sich auf Basis der
analysierten WCET-Daten sowie Betriebs­
system- und Fahrzeugbus-Schedules ma­
ximale Laufzeiten von Signalen zwischen
Sensoreingang und Aktorausgang be­
stimmen und zeitlimitierende Faktoren
im System feststellen [15].
7 Integration von
Steuergerätesoftware
Im Labor werden die Steuerungs-, Rege­
lungs- und Diagnosefunktionen eines Sys­
tems in einer simulierten Umgebung ge­
testet (Systemtest, siehe Bild 2, Schritt 4).
Dazu werden am Hardware-in-the-Loop
(HiL)-Prüfstand Steuergeräte an Stellglieder
oder Ersatzlasten angeschlossen, vernetzt
und mit Hilfe von aufgezeichneten Mess­
daten oder einem Streckenmodell, welches
das Restsystem, das Fahrzeug, das Fahrer­
verhalten und die Umwelt nachbildet, sti­
muliert. Die Steuergeräte werden dabei
über echtzeitfähige Schnittstellenmodule
elektrisch mit dem Simulationsmodell ge­
koppelt. Elektrische Fehler wie Kurzschlüs­
se oder Leitungsunterbrechungen können
mit entsprechender Hardware nachgestellt
werden [16,17,18].
Diagnosequalität –
ODX hilft!
DTS – das Diagnosesystem,
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DTS-Venice hilft Ihnen, jederzeit schnell und
fehlerfrei Diagnosedaten für Ihre Steuergeräte
zu erzeugen, zu testen und zu pflegen. Die
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Funktion und auf ODX-Konformität, aber auch
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Durch Nutzung der Komponenten der DTS
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T I T E LT H E M A
Autosar
Bei diesen Tests der zunehmend kom­
plexen Steuerungs-, Regelungs- und Di­
agnosefunktionen kommen immer auf­
wändigere Streckensimulationen zum
Einsatz. Mit ihrem jährlich stattfindenden
Leistungszuwachs bietet die PC-Technolo­
gie die geeignete Plattform für rechenin­
tensive Simulationen. Zum Beispiel gestat­
ten Quadcore-Prozessoren heute die Echt­
zeitbehandlung von komplexen Fahrdyna­
mikmodellen am PC, was bis vor kurzem
trotz spezifischer Hardware für Echtzeitsi­
mulationen nicht möglich war [19]. Im An­
schluss an die Systemintegration wird das
komplette mechatronische System in auf­
wändigen Versuchen mit entsprechender
Messausrüstung [20] am Prüfstand oder im
Fahrzeug erprobt, Bild 2, Schritt 5.
Die komponentenbasierte und standardi­
sierte Architektur vereinfacht die Integ­
ration, Skalierung, Änderung und War­
tung von Systemen. Im Idealzustand ist
der Softwareentwicklungsprozess durch­
gängig, transparent und rückgekop­
pelt. Standardisierte Datenformate und
Schnitt­­stellen ermöglichen den Aus­
tausch von Artefakten und eine einfache
Integration von Werkzeugen in den Ent­
wicklungsprozess.
Auf Basis von Funktionsmodellen las­
sen sich komplexe elektronische Fahr­
zeugfunktionen mit geeigneten Metho­
den und Werkzeugen entwickeln. Wenn
Modelle neben der Architektur und den
Schnittstellen der Steuergerätesoftware
geeignete Informationen aus anderen
technischen und logischen Architektur­
ebenen enthalten, können komplexe Sys­
temwechselwirkungen – wie etwa das
Zeitverhalten verteilter Steuerungs- und
Regelungsfunktionen – von Anfang an
im Entwurf berücksichtigt werden.
Modellbasierte Entwicklungswerk­
zeuge versetzen den Ingenieur in die
Lage, Lösungen auf den Abstraktionsebe­
nen, die seiner Problemstellung entspre­
chen, zu entwickeln. Die modulare
Architektur der ECU-Software unterstützt
die Applikation von einzelnen Funkti­
onen, die mit der Simulation der Funkti­
on am PC beginnt und mit der Fahrzeug­
integration des Systems endet und dabei
stetig verfeinert wird. Auf Basis von Umge­
bungsmodellen und Optimierungsverfah­
ren kann die Applikation in weiten Teilen
automatisiert werden.
8 Applikation der
Steuergerätesoftware
ECU-Software wird so paramet­riert, dass
sich das Verhalten der Steuerungs-, Rege­
lungs- und Diagnosefunktionen durch das
Kalibrieren von Kenngrößen der Funkti­
onsalgorithmen an verschiedene System­
varianten oder Fahrzeugmodelle anpassen
lässt, ohne dass Berechnungsroutinen ge­
ändert werden müssen. Mit Applikations­
werkzeugen, wie zum Beispiel „INCA“,
können im laufenden Betrieb Kennwerte
kalibriert und gleichzeitig Signale vom
Steuergerät, von Fahrzeugbussen und von
Messgeräten erfasst werden. Applikations­
werkzeuge unterstützen die standardisier­
ten Datenbeschreibungsformate sowie
Mess- und Kalibrierprotokolle, die von der
Association for Standardization and Auto­
mation of Measuring Systems e.V. (www.
asam.net) festgelegt werden. Diagnose­
funktionen und Protokolle lassen sich mit
Hilfe des Open Diagnostic Data Exchange
Format ODX (Asam AE MCD-2D) in standar­
disierter Form deklarieren. Wenn bei der
Applikation viele Messgrößen gleichzeitig
und in kurzen Zeitabständen zu messen
sind, werden in Entwicklungssteuergeräte
zusätzliche, leistungsfähige Applikations­
schnittstellen eingebaut [6].
9 Zusammenfassung
Die bisherigen Ergebnisse von Autosar
schaffen eine wichtige Grundlage für
­eine arbeitsteilige Softwareentwicklung.
24
ATZelektronik 06I2008 Jahrgang 3
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