كيف تتحكم في تعقيد السيارة

أصبحت "مقصورات القيادة" المدمجة للسائق أكثر أهمية للجيل القادم من مشتري السيارات ، الذين يرغبون في رؤية المعلومات التي يتم مشاركتها بحرية بين الأنظمة المختلفة داخل السيارة ، ولفت انتباه السائق عند الضرورة.

في بعض الحالات ، يتم بالفعل دمج مجموعة الأدوات التقليدية المنفصلة وشاشات المعلومات والترفيه في شاشة واحدة كبيرة. في حالات أخرى ، تتضمن شاشات عرض متعددة ، هناك بالفعل حاجة لمشاركة المعلومات التي تم إنشاؤها من مصادر متعددة داخل السيارة ، مثل صور الملاحة وبيانات الكاميرا وموجزات الصوت وأجهزة استشعار أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS).

تطلبت متطلبات مشاركة البيانات هذه أساليب تصميم جديدة لمنصات البرامج المضمنة المستخدمة ، وأساليب جديدة للاختبار والموافقة على السلامة.

شاشات رقمية

يعني التحسين المستمر في تقنية العرض الرقمي ، مع توفر شاشات عالية الدقة بتكلفة أقل ، أنها أصبحت متاحة للسوق الشامل في التطبيقات.

يُطلق على الجيل الحالي من مجموعات الأدوات ما يسمى الهجين ، حيث يجمع بين الأقراص الميكانيكية ولوحات رقمية صغيرة مدمجة. يتم استبدال هذه اللوحات تدريجياً بلوحات رقمية بالكامل ، حيث تصبح هذه الوحدات قابلة للاستمرار من الناحية المالية ، بجودة وأداء مناسبين.

توفر اللوحة الرقمية بالكامل العديد من المزايا عن سابقتها الميكانيكية ، بما في ذلك إعادة التكوين الديناميكي لدعم أوضاع القيادة المختلفة أو تفضيلات المعلومات ، والكثير من المجال لتخصيص السيارة في المستقبل.

تعني تحديثات البرامج على مدى عمر السيارة أنه يمكن ترقية تطبيق العرض لتقديم ميزات ووظائف جديدة ، مما قد يفتح تدفقات إيرادات إضافية لمصنعي السيارات. تظهر مجموعة معمارية نموذجية لمجموعة رقمية في الشكل 1 أعلاه.

توحيد بيانات العرض الفردي

يمكن أن تكون شاشة العرض الكبيرة ، مثل المثال الوارد في الشكل 1 ، جذابة بصريًا ولكنها تمثل تحديات كبيرة لمصمم البرامج المضمنة.
مع زيادة دقة الشاشة ، يلزم وجود وحدة معالجة رسومات أكثر قوة (GPU) للحفاظ على تحديث الشاشة خاليًا من الوميض ، مع برنامج التشغيل المحسن المرتبط.

يُعترف عمومًا بأن أداء 60 إطارًا في الثانية هو الحد الأدنى المطلوب للسماح بمشاهدة مريحة.
يعد عرض مجموعة كبيرة من الكائنات الرسومية المعقدة أو موجزات الفيديو من مصادر مختلفة تحديًا أيضًا - كيفية ترتيب المعلومات بنجاح في شاشة واحدة ، والسماح بالتقسيم المناسب لبيانات السلامة الحرجة وما يسمى ببيانات العالم العادي.

مع التركيز المتزايد باستمرار على السلامة ، تصبح الأنظمة التي تعمل باللمس أقل جاذبية عندما يكون هناك كمية كبيرة من البيانات المرئية لتوصيلها إلى السائق. يُفضل استخدام أدوات التحكم في النظام من خلال أزرار عجلة القيادة والإيماءات والأوامر الصوتية لأنها تقلل تشتيت انتباه السائقين.

عادةً ما يتضمن تنظيم مجموعة التطبيقات الكاملة ، من حزم دعم الأجهزة إلى اللوحة وأنظمة التشغيل وتطبيقات واجهة المستخدم (HMI) مساهمات من مختلف موفري التكنولوجيا.

البنى الحرجة للسلامة

عندما يتعلق الأمر بالبنية المدمجة ، فإن عناصر السلامة الحرجة في أي تصميم تحتاج إلى أن تعمل على أنظمة تشغيل معزولة ومعتمدة للسلامة ، مع فصل واضح عن وظائف "العالم الطبيعي" التي قد تعرضها للخطر من خلال التداخل

سيطلب مصنعو السيارات عادةً أن يتم توفير "أدوات السلامة" بواسطة موفري البرامج المضمنة ، جنبًا إلى جنب مع مخرجات البرامج. يمكن أن تتضمن هذه المصنوعات اليدوية إثباتًا للاختبار وتوثيقًا شاملاً لجميع أوضاع التشغيل ، بما في ذلك أوضاع الفشل وإمكانية التتبع للعودة إلى متطلبات البرنامج.

كلما ارتفع تصنيف أمان ASIL ، زادت صرامة عملية التحقق والاعتماد والتكلفة الناتجة عن مكونات البرامج المضمنة. لتلبية متطلبات السلامة الأكثر صرامة من ASIL D بشكل مناسب ، يلزم تصميم يتحمل الأخطاء مع وجود برامج مدمجة وتكرار في الأجهزة.

على مستوى النظام ، يمكن أن يعني هذا مسارات اتصال مكررة للإشارات ، وأجهزة مكررة وأنماط تشغيل آمنة من الفشل. على مستوى البرامج المضمنة ، ستشمل بنية الأمان أنظمة تشغيل منفصلة ، ومراقبة عملية المراقبة والتنبيهات التي يتم تشغيلها في حالة اكتشاف أي حالات شاذة أو فشل.

وحدة نقدية أوروبية موحدة

من المحتمل أن تحتوي السيارة الفاخرة الحديثة على 60 إلى 100 وحدة تحكم إلكترونية (ECUs) ؛ مجموعة متنوعة من أنظمة التشغيل تتراوح من جدولة بسيطة ؛ وأنظمة التشغيل في الوقت الفعلي (RTOS) من خلال أنظمة التشغيل المعقدة القائمة على Linux TM متعددة الوظائف أو الأنظمة الأساسية المضمنة المماثلة التي تدعم بوابات الاتصال ووحدات التحكم بالمجال وأنظمة المعلومات والترفيه وأنظمة معلومات السائق.

يسير الاتجاه نحو دمج الوظائف على قدم وساق في صناعة السيارات ، ومن خلال الجمع بين بعض الوظائف ، يمكن تحسين وزن تسخير الأسلاك وتعقيد الاتصال. قد يكون من الممكن التخلص من بعض أجهزة وحدة التحكم الإلكترونية ، مما يوفر التكلفة الإجمالية وعدد المكونات. يمثل تعقيد تطبيقات البرامج تحديًا للاختبار وإصدار الشهادات - فكلما زاد عدد سطور التعليمات البرمجية المراد اختبارها ، زادت مخاطر فقدان حالة الاستخدام أو الكشف عن سلوك غير متوقع.

يتيح تطبيق التحلل على البرامج المضمنة تشغيل مكونات السلامة الحيوية بشكل منفصل ، على نظام تشغيل معتمد من السلامة ، بينما يمكن تشغيل مكونات العالم الطبيعي الأكثر تعقيدًا على نظام تشغيل معقد مثل Linux TM ، والذي يمكن أن يستضيف دعم غني بالرسومات والتطبيقات المعقدة.

يعني تقديم شهادة أمان لنظام التشغيل التحقق من جميع الاستجابات الممكنة لأي مجموعة معينة من المدخلات. بالنسبة لأنظمة التشغيل المتطورة ، مثل Linux ، يصبح عدد الحالات والاستجابات المحتملة كبيرًا جدًا ، كما أن تلبية معايير الاختبار والشهادات الصارمة يستغرق وقتًا طويلاً ومكلفًا.

من خلال تقليل حجم ونطاق نظام التشغيل ، تصبح عملية شهادة السلامة أكثر قابلية للإدارة ، وستسمح معماريات النطاق المختلط بأن تعمل أنظمة التشغيل ذات الأثر الصغير والتي يمكن اعتمادها للسلامة جنبًا إلى جنب مع المجالات الأكثر تعقيدًا القائمة على Linux أو تشغيل متعدد الوظائف أنظمة.

تحتاج التطبيقات مثل شاشات مجموعة الأدوات إلى التكامل مع أنظمة اتصالات السيارة ، وتمرير البيانات عبر شبكات اتصالات CAN و CAN-FD و FlexRay و Ethernet.

بما في ذلك مجموعة اتصالات برمجيات بنية نظام مفتوح للسيارات (Autosar) تعمل كمجال منفصل وآمن يسمح بجمع معلومات أداء السيارة وتمريرها إلى مجموعة الأدوات.

يوفر الجمع بين المجالات المضمنة المختلفة ، مع قنوات الاتصال الآمنة بينها ، منصة أمان مختلطة قابلة للتطوير يمكن أن تلبي توقعات المستهلكين للرسومات عالية الأداء ، فضلاً عن متطلبات السلامة الحرجة لصناعة السيارات.

تقنيات تبادل المعلومات

توجد عدة آليات لمشاركة المعلومات إما بين وحدات التحكم الإلكترونية المادية المنفصلة ، أو داخل وحدة تحكم إلكترونية واحدة تستضيف تطبيقات متعددة تتقارب في شاشة عرض واحدة.

تسمح معماريات الحافلات ذات النطاق الترددي العالي في الجيل التالي من تصميمات المركبات بنقل الفيديو وكائنات البيانات الرسومية كبيرة الحجم الأخرى بسرعة بين العقد الموجودة في ناقل السيارة.

تتضمن هذه الآليات الذاكرة المشتركة ، التي يمكن الوصول إليها من كلا التطبيقين ، أو آلية الاتصال بين العمليات (IPC) ، أو بروتوكول الرسائل الآمنة مثل DDS (خدمة توزيع البيانات) أو RPMsg (رسالة إذن مقيد).

يوفر نهج الذاكرة المشتركة معدل نقل بيانات مرتفعًا ، وغالبًا ما يكون مفضلاً للتطبيقات القائمة على الرسومات.

أصبحت شاشات العرض المعقدة اللافتة للنظر في السيارات نقطة بيع مميزة للمصنعين ، وهناك حاجة إلى تقنيات جديدة للجمع بين الرسومات ثنائية الأبعاد / ثلاثية الأبعاد مع المعلومات الهامة للسلامة.

يتيح تطبيق تفكير جديد على أطر البرامج المضمنة أن تتعايش تطبيقات العالم العادية والحرجة للسلامة.

أصبحت البنى المدمجة ذات الأهمية الحيوية المختلطة مع حلول HMI القادرة شائعة جدًا لدى مصممي السيارات ، وهي قابلة للتطوير لتلبية احتياجات الجيل التالي - والمركبات ذاتية القيادة بشكل متزايد.

تعاونت Mentor مع Socionext مزود HMI لإنشاء شاشات معلومات موحدة معتمدة من السلامة.

يمكن استخدام وحدة السلامة الوظيفية Candera Safety المعتمدة من Socionext's ISO26262 لعرض المحتوى الحرج للسلامة وفقًا لمستوى سلامة السيارات (ASIL) A أو B وتوفر عرضًا آمنًا للمسار الثاني.

تم تطوير جميع المكونات المضمنة باتباع هذا المعيار وتسمح Candera بتقديم محتوى رسومي حرج للسلامة على طبقة تصور مخصصة للسلامة الوظيفية.

تسمح بنية العرض بتنفيذ تطبيق الأمان الحرج داخل مساحة العنوان الافتراضية (VAS) المخصصة لعرض ISO26262 ASIL B.

الجدول 1: آليات الاتصال لوحدات التحكم الإلكترونية ذات معدل البيانات العالي

نبذة عن الكاتب

أندرو باترسون هو مدير تطوير الأعمال في قسم البرامج المدمجة في Mentor ، وهو متخصص في حلول السيارات (Mentor Automotive)