現代汽車更安全、更舒適、更智能的代價是車載ECU（Electronic Control Unit）數量的迅速增長，與之相對應的是ECU上規模軟件越來越大、軟件開發成本在整車制造成本中的占比越來越高。車企可以從規則與方法兩個角度入手來解決上述問題：

【資料圖】

一手抓規則：汽車開放系統架構AUTOSAR； 一手抓方法：通過仿真建模技術搭建虛擬ECU，實現汽車的“數字孿生”。

本文將以此為基礎，分析虛擬ECU在智能汽車駕駛演進過程中，基于AUTOSAR架構的多個種類以及個中優劣。

01.汽車開放系統架構AUTOSAR

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）源自2003年，是由全球知名汽車制造商、零部件供應商及其他電子、半導體和軟件系統公司聯合建立的汽車開放系統架構聯盟，該聯盟所推出的規范被稱為AUTOSAR規范，通過對汽車基礎軟件進行標準化定義，提升汽車ECU的兼容性、復用性與可靠性。

AUTOSAR遵循的是一種自上而下的開發方式，即先進行系統設計，再分別進行開發實現，最終進行系統集成。主要做了以下三件事：

對應用軟件與底層軟件之間以及應用軟件之間的接口進行標準化； 給出一個控制器軟件參考架構； 規范分布式開發流程中的交換格式。

根據AUTOSAR GBR. AUTOSAR layer software architecture R4.4.0的資料顯示，其整體框架呈分層式設計，以中間件RTE（Runtime Environment，RTE）為界，隔離上層的應用層（Application Layer，APPL）與下層的基礎軟件（Basic Software，BSW）。

▲AUTOSAR軟件架構

在20年的長久發展之下，AUTOSAR架構已趨于成熟，汽車嵌入式系統軟硬件的耦合度大大降低，截至目前，AOTOSAR已被廣泛應用于ECU軟件開發和汽車電子設計，如汽車底盤控制系統開發、底層通信軟件設計、整車電子電氣架構設計、汽車電子診斷系統開發及電機控制系統設計等領域，為滿足用戶日益增長的智能駕駛需求提供了新解決方案。

02.虛擬ECU種類及優劣分析

根據AUTOSAR框架的不同層次，虛擬ECU可以分為以下四個大類：

▲虛擬ECU分類

第一類：僅包含ASW和RTE（RTE中可能會包含一個OS）

只仿真RTE環境，僅能測試ASW的基本功能，忽略了基礎軟件中的通信細節。 如果ASW的代碼是AUTOSAR兼容的，則可以對ASW代碼進行測試。

**此類虛擬ECU因為不涉及硬件，所以構造較為簡單，但無法保證與真實ECU同樣的執行行為。

第二類：包含ASW，RTE和虛擬的BSW。

此類虛擬ECU相比第一類更加真實，可以對ASW、RTE代碼進行測試。 虛擬BSW的作用是將底層硬件的特性和復雜性進行抽象和封裝，為上層應用軟件提供簡化的接口和功能，從而實現對底層硬件的虛擬化。

**無法測試真實硬件的一些實際執行行為。

第三類：上述基礎上外加OS及一個虛擬的MCAL（Microcontroller Abstraction Layer）。

相比第二類更加真實，可以測試任務調度以及BSW的功能。 虛擬MCAL負責封裝底層硬件的訪問，通過軟件模擬來完成硬件相關的功能，提供統一的接口給上層軟件，使得軟件開發人員可以更方便地編寫應用程序，無需擔心底層硬件的差異。

**值得注意的是，虛擬MCAL也會帶來一些問題：

性能損失：由于虛擬MCAL是通過軟件模擬來實現底層硬件功能虛擬化的，可能導致仿真性能相對較低于直接訪問實際硬件，尤其是在對實時性要求較高的應用場景下——可能會出現延遲問題。 適配性問題：因其需要針對不同的底層硬件進行開發和適配來實現仿真，原有的虛擬MCAL大概率無法完全涵蓋所有的底層硬件特性和功能，一旦涉及定制化開發就會導致成本上升。 復雜性和維護成本：虛擬MCAL的開發和維護可能需要投入大量的人力和資源。雖然虛擬MCAL可以提供抽象和統一的接口，但其底層實現與硬件相關，需要工程師對硬件規格有著深入理解以落實維護，開發和維護的復雜性和成本也會隨之上升。 功能限制：由于虛擬MCAL的仿真實現很有可能無法完全復現所有底層硬件的功能，在一些復雜功能上會有所受限，無法滿足所有應用場景的需求，尤其是在一些復雜的硬件功能和特性方面。 靈活性較差：此類虛擬ECU也無法直接運行真實ECU的二進制代碼，對于復雜設備驅動（Complex Device Drivers，CDD）支持也較為欠缺。

第四類（最佳）：與第三類相同，但MCAL為真實硬件MCAL。

實現了完全仿真，能夠實現幾乎相同的真實硬件行為。 可通過完全模擬ECU處理器、相關外設及總線等設施實現【真實ECU相同的二進制代碼】的直接運行。 可在此基礎上實現真實硬件無法達成的故障注入，以測試軟件的安全性與可靠性。 靈活性較強，可以增加CDD的建模仿真。

**由于需要模擬硬件的技術細節，因此存在一定的建模工作量和建模周期；同時，為了確保具備一定的實時性，該類虛擬ECU的搭建往往具有較高的技術難度。

基于SkyEye的虛擬ECU解決方案

國產自主可控的天目全數字實時仿真軟件SkyEye，作為基于可視化建模的硬件行為級仿真平臺，支持搭建第四類虛擬ECU，可高度仿真真實控制器。除了第四類虛擬ECU原有的優勢外，基于SkyEye的虛擬ECU解決方案還有著以下特點：

可以將開發任務從路測和臺架轉移到Windows/Linux PC上，以實現ECU軟件的高效軟件在環（SIL）開發。 系統本身同時也是一個強大的實驗環境，可通過協同仿真總線平臺工具與多種工具（包括通過標準化的FMI接口運行MATLAB/Simulink和其他多種工具）的仿真模型進行數據交互。 虛擬ECU的相關配置可以快速復制拓展，復制成本低、比真實硬件也容易得多。 每位工程師都能擁有個人開發環境，不會占用HIL臺架或測試車輛之類的稀缺資源，避免因硬件資源緊張引起的研發周期過長問題，更多工程師能從中受益。

總體而言，基于SkyEye的虛擬ECU解決方案有著如下優勢：

可以在早期開發階段進行軟件開發、集成和測試，加速整個開發過程，提高開發效率。 減少實際車輛測試的需求，降低測試成本和時間，同時減少由于實際車輛測試帶來的風險和損失。 提供可視化的仿真結果，幫助開發人員更直觀地理解控制系統的行為和性能。 可以在模擬環境下進行測試，提高測試的精度和可重復性，并減少測試中的人為誤差。

虛擬ECU作為一種創新性的技術，對于ECU軟件開發具有重要的現實意義。其不僅提高了汽車軟件的開發效率與可重用性，為系統集成與驗證帶來了便利，還為軟件開發和測試提供了更好的環境，對汽車ECU軟件的安全性與隔離性起到了至關重要的保障作用。虛擬ECU將在未來的汽車電子系統開發中發揮越來越重要的作用，推動汽車行業邁向更智能、更安全的未來。

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