Schäuffele / Zurawka Automotive Software Engineering

Grundlagen, Prozesse, Methoden und Werkzeuge effizient einsetzen
3.Auflage 2006
ISBN: 978-3-8348-9085-6
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 344 Seiten, eBook

Reihe: ATZ/MTZ-Fachbuch

Nahezu alle Funktionen des Fahrzeugs werden inzwischen elektronisch gesteuert, geregelt oder überwacht. Die Realisierung von Funktionen durch Software bietet einzigartige Freiheitsgrade beim Entwurf. In der Fahrzeugentwicklung müssen jedoch Randbedingungen wie hohe Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen, vergleichsweise lange Produktlebenszyklen, begrenzte Kosten, verkürzte Entwicklungszeiten und zunehmende Variantenvielfalt berücksichtigt werden.
Dieses Buch enthält Grundlagen und praktische Beispiele zu Prozessen, Methoden und Werkzeugen, die zur sicheren Beherrschbarkeit von elektronischen Systemen und Software im Fahrzeug beitragen. Dabei stehen die elektronischen Systeme des Antriebsstrangs, des Fahrwerks und der Karosserie im Vordergrund.
Die überarbeitete 3. Auflage enthält verbesserte Bilddarstellungen sowie ein deutsch-englisches Sachwortverzeichnis.


Dipl.-Ing. Jörg Schäuffele ist ehemaliger Mitarbeiter der BMW AG und war bei der ETAS GmbH verantwortlich für die Koordination der Produktbereiche. Ab Anfang 2007 ist er im Produktmanagement der Firma Vector beschäftigt.
Dr.-Ing. Thomas Zurawka war langjähriger Geschäftsführer der ETAS GmbH und ist derzeit Geschäftsführer der SYSTECS GmbH.

Autoren/Hrsg.

Schäuffele, Jörg

Zurawka, Thomas

Inhaltsverzeichnis

1;Zur Bedeutung von Software im Automobil;6
2;Vorwort;7
3;Inhaltsverzeichnis;10
4;1 Einführung und Uberblick;15
4.1;1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umweit;16
4.1.1;1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme;16
4.1.2;1.1.2 Elektronische Systeme des Fahrzeugs und der Umwelt;19
4.2;1.2 Überblick über die elektronischen Systeme des Fahrzeugs;20
4.2.1;1.2.1 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs;22
4.2.2;1.2.2 Elektronische Systeme des Fahrwerks;23
4.2.3;1.2.3 Elektronische Systeme der Karosserie;25
4.2.4;1.2.4 Multi-Media-Systeme;27
4.2.5;1.2.5 Verteilte und vernetzte elektronische Systeme;28
4.2.6;1.2.6 Zusammenfassung und Ausblick;29
4.3;1.3 Überblick über die logische Systemarchitektur;30
4.3.1;1.3.1 Funktions- und Steuergeratenetzwerk des Fahrzeugs;30
4.3.2;1.3.2 Logische Systemarchitektur fiir Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungssysteme;31
4.4;1.4 Prozesse in der Fahrzeugentwicklung;32
4.4.1;1.4.1 Uberblick iiber die Fahrzeugentwicklung;32
4.4.2;1.4,2 Uberblick iiber die Entwicklung von elektronischen Systemen;33
4.4.3;1.4.3 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software;36
4.4.4;1.4.4 Unterstiitzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software;38
4.4.5;1.4.5 Produktion und Service von elektronischen Systemen und Software;41
4.5;1.5 Methoden und Werkzeuge fiir die Entwicklung von Software für elektronische Systeme;41
4.5.1;1.5.1 Modellbasierte Entwicklung;42
4.5.2;1.5.2 Integrierte Qualitatssicherung;42
4.5.3;1.5.3 Reduzierung des Entwicklungsrisikos;45
4.5.4;1.5.4 Standardisierung und Automatisierung;46
4.5.5;1.5.5 Entwicklungsschritte im Fahrzeug;48
5;2 Grundlagen;51
5.1;2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Systeme;51
5.1.1;2.1.1 Modellbildung;51
5.1.2;2.1.2 Blockschaltbilder;52
5.2;2.2 Diskrete Systeme;56
5.2.1;2.2.1 Zeitdiskrete Systeme und Signale;57
5.2.2;2.2.2 Wertdiskrete Systeme und Signale;58
5.2.3;2.2.3 Zeit- und wertdiskrete Systeme und Signale;59
5.2.4;2.2.4 Zustandsautomaten;59
5.3;2.3 Eingebettete Systeme;61
5.3.1;2.3.1 Aufbau von Mikrocontrollem;62
5.3.2;2.3.2 Speichertechnologien;64
5.3.3;2.3.3 Programmierung von MikrocontroUern;67
5.4;2.4 Echtzeitsysteme;74
5.4.1;2.4.1 Festlegung von Tasks;74
5.4.2;2.4.2 Festlegung von Echtzeitanforderungen;76
5.4.3;2.4.3 Zustande von Tasks;78
5.4.4;2.4.4 Strategien fiir die Zuteilung des Prozessors;80
5.4.5;2.4.5 Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen;85
5.4.6;2.4.6 Interaktion zwischen Tasks;86
5.5;2.5 Verteilte und vernetzte Systeme;92
5.5.1;2.5.1 Logische und technische Systemarchitektur;95
5.5.2;2.5.2 Festlegung der logischen Kommunikationsbeziehungen;96
5.5.3;2.5.3 Festlegung der technischen Netzwerktopologie;98
5.5.4;2.5.4 Festlegung von Nachrichten;99
5.5.5;2.5.5 Aufbau der Kommunikation und des Netzwerkmanagements;100
5.5.6;2.5.6 Strategien fiir die Zuteilung des Busses;104
5.6;2.6 Zuverlassigkeit, Sicherheit, Uberwachung und Diagnose von Systemen;106
5.6.1;2.6.1 Grundbegriffe;107
5.6.2;2.6.2 Zuverlassigkeit und Verfiigbarkeit von Systemen;108
5.6.3;2.6.3 Sicherheit von Systemen;112
5.6.4;2.6.4 Uberwachung und Diagnose von Systemen;115
5.6.5;2.6.5 Aufbau des Uberwachungssystems elektronischer Steuergerate;119
5.7;2.7 Zusammenfassung;127
6;3 Unterstutzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software;131
6.1;3.1 Grundbegriffe der Systemtheorie;131
6.2;3.2 Vorgehensmodelle und Standards;134
6.3;3.3 Konflgurationsmanagement;136
6.3.1;3.3.1 Produkt und Lebenszyklus;136
6.3.2;3.3.2 Varianten und Skalierbarkeit;137
6.3.3;3.3.3 Versionen und Konfigurationen;138
6.4;3.4 Projektmanagement;141
6.4.1;3.4.1 Projektplanung;141
6.4.2;3.4.2 Projektverfolgung und Risikomanagement;146
6.5;3.5 Lieferantenmanagement;147
6.5.1;3.5.1 System- und Komponentenverantwortung;147
6.5.2;3.5.2 Schnittstellen fiir die Spezifikation und Integration;148
6.5.3;3.5.3 Festlegung des firmenubergreifenden Entwicklungsprozesses;148
6.6;3.6 Anforderungsmanagement;150
6.6.1;3.6.1 Erfassen der Benutzeranforderungen;150
6.6.2;3.6.2 Verfolgen von Anforderungen;154
6.7;3.7 Qualitatssicherung;155
6.7.1;3.7.1 Integrations- und Testschritte;155
6.7.2;3.7.2 MaBnahmen zur Qualitatssicherung von Software;156
7;4 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software;159
7.1;4.1 Anforderungen und Randbedingungen;160
7.1.1;4.1.1 System- und Komponentenverantwortung;160
7.1.2;4.1.2 Abstimmung zwischen System- und Software-Entwicklung;161
7.1.3;4.1.3 Modellbasierte Software-Entwicklung;163
7.2;4.2 Grundbegriffe;163
7.2.1;4.2.1 Prozesse;163
7.2.2;4.2.2 Methoden und Werkzeuge;164
7.3;4.3 Analyse der Benutzeranforderungen und Spezifikation der logischen Systemarchitektur;165
7.4;4.4 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur;168
7.4.1;4.4.1 Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme;172
7.4.2;4.4.2 Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen;173
7.4.3;4.4.3 Analyse und Speziflkation verteilter und vernetzter Systeme;174
7.4.4;4.4.4 Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme;175
7.4.5;4.5 Analyse der Software-Anforderungen und Spezifikation der Software-Architektur;176
7.4.6;4.5.1 Spezifikation der Software-Komponenten und ihrer Schnittstellen;176
7.4.7;4.5.2 Spezifikation der Software-Schichten;179
7.4.8;4.5.3 Spezifikation der Betriebszustande;180
7.5;4.6 Spezifikation der Software-Komponenten;181
7.5.1;4.6.1 Spezifikation des Datenmodells;182
7.5.2;4.6.2 Spezifikation des Verhaltensmodells;183
7.5.3;4.6.3 Spezifikation des Echtzeitmodells;185
7.5.4;4.7 Design und Implementierung der Software-Komponenten;187
7.5.5;4.7.1 Berucksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften;188
7.5.6;4.7.2 Design und Implementierung des Datenmodells;190
7.5.7;4.7.3 Design und Implementierung des Verhaltensmodells;191
7.5.8;4.7.4 Design und Implementierung des Echtzeitmodells;192
7.6;4.8 Test der Software-Komponenten;192
7.7;4.9 Integration der Software-Komponenten;193
7.7.1;4.9.1 Erzeugung des Programm- und Datenstands;194
7.7.2;4.9.2 Erzeugung der Beschreibungsdateien;195
7.7.3;4.9.3 Erzeugung der Dokumentation;196
7.8;4.10 Integrationstest der Software;197
7.9;4.11 Integration der Systemkomponenten;198
7.9.1;4.11.1 Integration von Software und Hardware;198
7.9.2;4.11.2 Integration von Steuergeraten, SoUwertgebern, Sensoren und Aktuatoren;199
7.10;4,12 Integrationstest des Systems;201
7.11;4.13 Kalibrierung;204
7.12;4.14 System- und Akzeptanztest;204
8;5 Methoden und Werkzeuge in der Entwicklung;207
8.1;5.1 Offboard-Schnittstelle zwischen Steuergerat und Werkzeug;208
8.2;5.2 Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur;210
8.2.1;5.2.1 Analyse und Speziflkation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme;210
8.2.2;5.2.2 Analyse und Speziflkation von Echtzeitsystemen;214
8.2.3;5.2.3 Analyse und Speziflkation verteilter und vernetzter Systeme;220
8.2.4;5.2.4 Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme;225
8.3;5.3 Speziflkation von Software-Funktionen und Validation der Speziflkation;232
8.3.1;5.3.1 SpeziHkation der Software-Architektur und der Software-Komponenten;234
8.3.2;5.3.3 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Blockdiagrammen;238
8.3.3;5.3.4 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Entscheidungstabellen;241
8.3.4;5.3.5 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Zustandsautomaten;244
8.3.5;5.3.6 Spezifikation des Verhaltensmodells mit Programmiersprachen;249
8.3.6;5.3.7 Spezifikation des Echtzeitmodells;249
8.3.7;5.3.8 Validation der Spezifikation durch Simulation und Rapid-Prototyping;249
8.4;5.4 Design und Implementierung von Software-Funktionen;261
8.4.1;5.4.1 Beriicksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften;261
8.4.2;5.4.2 Design und Implementierung von Algorithmen in Festpunkt- und Gleitpunktarithmetik;269
8.4.3;5.4.3 Design und Implementierung der Software-Architektur;284
8.4.4;5.4.4 Design und Implementierung des Datenmodells;288
8.4.5;5.4.5 Design und Implementierung des Verhaltensmodells;291
8.4.6;5.5 Integration und Test von Software-Funktionen;294
8.4.7;5.5.1 Software-in-the-Loop-Simulationen;295
8.4.8;5.5.2 Laborfahrzeuge und Priifstande;297
8.4.9;5.5.3 Experimental-, Prototypen- und Serienfahrzeuge;303
8.4.10;5.5.4 Design und Automatisierung von Experimenten;304
8.5;5.6 Kalibrierung von Software-Funktionen;305
8.5.1;5.6.1 Arbeitsweisen bei der Offline- und Online-Kalibrierung;306
8.5.2;5.6.2 Software-Update durch Flash-Programmierung;308
8.5.3;5.6.3 Synchrones Messen von Signalen des MikrocontroUers und der Instrumentierung;309
8.5.4;5.6.4 Auslesen und Auswerten von Onboard-Diagnosedaten;309
8.5.5;5.6.5 Offline-Verstellen von Parametern;310
8.5.6;5.6.6 Online-Verstellen von Parametern;311
8.5.7;5.6.7 Klassifizierung der Offboard-Schnittstellen fiir das Online-Verstellen;312
8.5.8;5.6.8 IManagement des CAL-RAIM;317
8.5.9;5.6.9 Management der Parameter und Datenstande;320
8.5.10;5.6.10 Design und Automatisierung von Experimenten;321
9;6 Methoden und Werkzeuge in Produktion und Service;323
9.1;6.1 Offboard-Diagnose;324
9.2;6.2 Parametrierung von Software-Funktionen;325
9.3;6.3 Software-Update durch Flash-Programmierung;326
9.3.1;6.3.1 Loschen und Programmieren von Flash-Speichern;327
9.3.2;6.3.2 Flash-Programmierung iiber die Offboard-Diagnoseschnittstelle;327
9.3.3;6.3.3 Sicherheitsanforderungen;328
9.3.4;6.3.4 Verfiigbarkeitsanforderungen;330
9.3.5;6.3.5 Auslagerung und Flash-Programmierung des Boot-Blocks;331
9.4;6.4 Inbetriebnahme und Prufung elektronischer Systeme;333
10;7 Zusammenfassung und Ausblick;335
11;Literaturverzeichnis;337
12;Abkurzungsverzeichnis;343
13;Sachwortverzeichnis;345

Gesamtsystem Fahrzeug-Fahrer-Umwelt - Grundlagen - Prozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software - Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung, die Produktion und den Service elektronischer Systeme

Leseproben

2 Grundlagen (S. 37-38)

Die Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen - wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektronik und Software-Technik - ist eine wesentliche Voraussetzung fiir die Entwicklung von Fahrzeugfunktionen, die sich insbesondere auch auf die Entwicklung von Software fiir elektronische Fahrzeugsysteme auswirkt. Hieran sind verschiedene Fachgebiete beteiligt, die oft simultan an unterschiedlichen Aufgabenstellungen arbeiten. Dies erfordert ein gemeinsames Problem- und Losungsverstandnis. In diesem Kapitel erfolgt daher eine Einfuhrung in die Fachgebiete, die wesentlichen Einfluss auf die Software als Subsystem haben.

Dies betrifft vor allem die Entwicklung von steuerungsund regelungstechnischen Systemen, von diskreten, eingebetteten Echtzeitsystemen, sowie von verteilten und vemetzten, zuverlassigen und sicherheitsrelevanten Systemen. Ziel ist die Funktionsweise und das Zusammenwirken der verschiedenen Software- Komponenten eines MikrocontroUers, wie in Bild 1-22 dargestellt, verstandlich zu machen. Der Anspruch ist nicht die umfassende Behandlung der verschiedenen Gebiete, sondem die Darstellung von Grundlagen und Begriffen, soweit sie fiir die folgenden Kapitel notwendig sind. Die gewahlte Begriffswelt orientiert sich an den verbreiteten Standards und - soweit moglich und sinnvoll - an deutschen Begriffen. Die englischen Begriffe werden, wo es notwendig erscheint, in Klammem angegeben. Englisch-deutsche Wortzusammensetzungen werden mit Bindestrich geschrieben. Die Reihenfolge der Behandlung der einzelnen Fachgebiete stellt keine Wertung dar. Da die verschiedenen Fachgebiete jedoch in vielfaltiger Weise voneinander abhangen, wurde die Reihenfolge so gewahlt, dass diese Einfuhrung moglichst ohne Verweise auf nachfolgende Abschnitte auskonmit.

2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Systeme

Viele Fahrzeugfunktionen in den Bereichen Antriebsstrang, Fahrwerk und Karosserie haben steuerungs- oder regelungstechnischen Charakter. Die Methoden und Begriffe der Steuerungsund Regelungstechnik stellen deshalb ein notwendiges Grundgertist fiir den Entwurf vieler Fahrzeugfunktionen dar. 2.1.1 Modellbildung Die steuerungs- und regelungstechnischen Entwurfsmethoden abstrahieren dabei zunachst von der technischen Realisierung. Diese Abstraktion wird als Modellbildung bezeichnet.

Dabei wird zwischen einer Modellbildung fiir das Steuer- oder Regelgerat, dem so genannten Steuerungs- Oder Regelungsmodell, und einer Modellbildung fiir das zu steuemde oder zu regelnde System, dem so genannten Steuerstrecken- oder Regelstreckenmodell, unterschieden. Die Losung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben ist weitgehend von den besonderen konstruktiven Gesichtspunkten eines zu regelnden oder zu steuemden technischen Systems unabhangig. Entscheidend fiir den Entwurf von Steuer- und Regelgeraten ist in erster Linie das statische und dynamische Verhalten des zu steuemden oder zu regelnden technischen Systems. In Anlehnung an den Sprachgebrauch in der Automobilindustrie wird in diesem Buch vereinfachend von Steuergeraten gesprochen.

Darunter werden Gerate verstanden, die - unter anderem - sowohl Steuerungs- als auch Regelungsaufgaben ausfiihren. Die Art der physikalischen GroBe, ob es sich also zum Beispiel um eine Temperatur, eine Spannung, einen Druck, ein Drehmoment, eine Leistung oder eine Drehzahl handelt, die zu steuem oder zu regeln ist, und die geratetechnische Realisierung sind zweitrangig. Diese Moglichkeit zur Abstraktion erlaubte es der Steuerungs- und Regelungstechnik, sich zu einem eigenstandigen Fachgebiet zu entwickeln. Dadurch, dass diese Ingenieurwissenschaft versucht, gemeinsame Eigenschaften technisch voUig verschiedener Systeme zu erkennen, um darauf basierend allgemein anwendbare Entwurfsmethoden fur Steuerungs- und Regelungssysteme zu entwickeln, wurde diese Disziplin zu einem verbindenden Element verschiedener Fachrichtungen.

Über Autor(innen)

Dipl.-Ing. Jörg Schäuffele ist ehemaliger Mitarbeiter der BMW AG und war bei der ETAS GmbH verantwortlich für die Koordination der Produktbereiche. Ab Anfang 2007 ist er im Produktmanagement der Firma Vector beschäftigt.
Dr.-Ing. Thomas Zurawka war langjähriger Geschäftsführer der ETAS GmbH und ist derzeit Geschäftsführer der SYSTECS GmbH.