CN113859352A - Eps监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EPS监控系统，包括：ECU功能模块用于执行ECU功能，包括但不限于力矩控制，ECU组件监控及验证，其仅与功能监控模块进行安全数据交互；功能监控模块根据内部定义算法对ECU功能模块中与安全相关数据和程序执行故障监控及故障管理；控制器监控模块基于硬件对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理和故障监控。本发明在功能安全上，能满足ISO6262规范的ASIL‑D级别功能安全要求，符合转向系统的产品要求，增强了安全性，也减少了因车辆故障给人们带来的生命与财产损害。在软件架构上同时也是满足AUTOSAR规范和E‑GAS规范的最高要求。因此能提升了控制器的安全要求，降低了转向系统软件失效带来的风险。
Description
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种EPS(电动助力转向系统)监控系统。
背景技术
在汽车控制器领域，汽车的功能越来越多、整车的控制单元数量急速增加，与功能安全的联系更为紧密，导致汽车电子失效的安全风险也随之提高，电子控制系统的发展面临着越来越多的挑战。在控制单元ECU的开发过程中，软件部分对硬件和系统配置的依赖程度比较大，硬件的微调可能导致软件重新编写或大量修改。
AUTOSAR，全称为Automotive Open System Architecture，即汽车开放系统架构。它是由全球各家汽车制造商、零部件供应商以及各种研究、服务机构共同参与的一种汽车电子系统的合作开发框架，并建立了一个开放的汽车控制器(ECU)标准软件架构。AUTOSAR规范对车用控制器软件架构的设计定义了统一的要求，与具体的硬件相互独立，可以应用在不同的汽车电子产品中。基于AUTOSAR规范和功能安全的软件架构设计己经成为车载软件未来发展的趋势，对汽车域控制器的发展有重要影响。根据相关研究表明，基于AUTOSAR规范的车载软件，软件可以适用不同的硬件平台，可以有效的减少开发工作，提高软件的可移植性和软件质量。在控制器开发的过程中一个比较重要的概念就是功能安全，功能安全问题在车辆的开发中是一个非常重要的问题，其对驾驶员及乘客的安全有重要影响。
E-GAS是电子节气门的安全监控标准，可以提升技术的整体安全性。因此车用控制器在软件架构中采用AUTOSAR规范和E-GAS标准能够明显提升控制器的安全性和可移植性。
EPS(Electric Power Steering，电动助力转向系统)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering)相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。
如图2所示，所以现有EPS系统的软件架构存在以下几个缺点：
1、扭矩转角传感器和力矩环模块之间能直接进行信号传递，这样降低了模块的高内聚、低耦合特点，且不利于对力矩环的力矩控制功能、输入/输出信号诊断、监控等。
2、传统的软件架构中应用层(APPL)是不含有故障管理功能，这样会造成控制器(ECU)出现故障是对故障的排查十分困难。
3、现有技术中ECU组件(扭矩转角传感器和力矩环的监控模块)是放在软件底层的，而且监控的模式非常简单，在安全等级上达不到ASIL-D等级要求。在汽车控制器的发展中，满足E-GAS规范的安全等级是未来发展的趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种满足E-GAS规范和AUTOSAR功能安全规范，达到ASIL-D安全等级要求，能克服现有EPS系统缺陷的EPS(电动助力转向系统)监控系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的EPS监控系统，包括：
ECU功能模块，其用于执行ECU功能，包括但不限于力矩控制，ECU组件监控及验证，其仅与功能监控模块进行安全数据交互；
功能监控模块，其根据内部定义算法对ECU功能模块中与安全相关数据和程序执行故障监控及故障管理；
控制器监控模块，其基于硬件对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理和故障监控。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，ECU组件监控及验证包括但不限于：
输入和输出数据验证，检测数据是否位于设定范围内；
时序验证，对定义的关键任务进行时序验证，在数据输出时保证执行程序流程正确。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，功能监控模块执行故障监控包括但不限于：
A)ECU功能模块中关键任务运行时间和执行数据是否符合安全规则；
B)校验ECU功能模块中关键数据；
C)实时硬件运行环境是否符合设计要求；
D)指定功能是否按设计运行。
4.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于：功能监控模块执行故障管理包括，若发现故障则执行故障处理并执行故障响应监控，监控是否完成故障处理。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，控制器监控模块对ECU功能模块和功能监控模块执行故障监控包括但不限于；
E)功能监控模块以及安全相关组件是否在工作在设计工况；
F)功能监控模块是否正确运行；
G)故障响应监控是否正确运行；
H)EPS监控系统数据路径是否安全；
I)EPS监控系统能否被调用激活。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，控制器监控模块对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理包括但不限于；
控制器监控模块发现硬件故障，则控制硬件故障管理单元和硬件故障监控单元按故障响应监控处理该故障；
控制器监控模块发现软件故障，则由软件监控管理单元按故障响应监控处理该故障。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，EPS监控系统各功能模块之间通过应用接口形成安全隔离机制，该安全隔离机制能阻止软件故障和硬件故障自故障功能模块传输至其他功能模块。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，安全隔离机制包括但不限于：
J)内存隔离，不同功能模块划分在不同的内存地址；
K)时钟隔离，通过检查点监控安全任务的程序流程，或使用独立硬件看门狗监控时钟；
L)网络隔离，通过预定义保护机制隔离网络中故障。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，ECU功能模块、功能监控模块和控制器监控模块顺序形成三次软件架构，ECU功能模块是该EPS监控系统的最上层。
可选择的，进一步改进所述的EPS监控系统，ECU功能模块、功能监控模块和控制器监控模块的监控均能通过汽车开放系统架构定义。
本发明至少能实现以下技术效果：
1、EPS监控系统各功能模块之间通过应用接口形成安全隔离机制，该安全隔离机制能阻止软件故障和硬件故障自故障功能模块传输至其他功能模块，实现三次结构相互独立互不干扰的要求。
2、通过系统架构中设置应用接口(AUTOSAR实时运行环境RTE)：将ECU功能模块(上层应用)和控制器监控模块(底层操作系统)隔绝开的同时，又能兼容不同的开发软件。提供跨ECU或ECU内部的通信管理，同时具有对可运行实体的管理功能使可运行实体映射到任务上运行。
3、本发明提供的EPS监控系统的软件架构划分为：系统中监控系统有软件中共分为功能应用层(ECU功能模块)、功能监控层(功能监控模块)和控制器监控层(控制器监控模块，能满足ASIL D的安全等级。
4、本发明软件架构设计中，应用组件之间(例如：扭矩转角传感器和力矩环模块之间)不能直接进行数据传递，而是通过应用接口模块进行数据信号传递，这样就形成了两个模块之间的隔离，达到个模块之间相互独立的效果。传统的EPS产品软件架构设计中，应用组件之间(例如：扭矩转角传感器和力矩环模块之间)可以直接相互调用其函数、变量等，这样造成模块之间没有达到相互隔离的效果，在任一模块修改后可能造成其其它模块的大量修改，造成程序的适用性降低，参考图1所示。相应的，本发明的软件架构则能提高模块的高内聚、低耦合特点，且有利于对力矩环的力矩控制功能、输入/输出信号诊断、监控等功能。
5、本发明软件架构中功能应用层(ECU功能模块)通过功能监控层(功能监控模块)实现故障监控及故障管理，有利于控制器(ECU)故障排查。
6、本发明在功能安全上，能满足ISO6262规范的ASIL-D级别功能安全要求，符合转向系统的产品要求，增强了安全性，也减少了因车辆故障给人们带来的生命与财产损害。
在软件架构上同时也是满足AUTOSAR规范和E-GAS规范的最高要求。因此能提升了控制器的安全要求，降低了转向系统软件失效带来的风险。
7、本发明在软件架构上采用了分层和模块化设计，整体架构与AUTOSAR保持一致，又存在一般架构的特点。架构中RTE模块是AUTOSAR的标准模块，适用于AUTOSAR平台，把RTE去除适用于非AUTOSAR平台。所以本架构能同时满足AUTOSAR和非AUTOSAR平台的软件架构方案，使软件能够兼容不同的平台。在不同平台使用时，只需修改软件的平台模式即可完成同一软件在不同平台的应用，提高了软件的可移植性。
8、因为本发明的软件架构，所以在开发时能满足ASIL-D级别的功能安全要求，如果在较低要求的EPS产品需求中，可以减少软件监控模块，降低软件的开发难度。并且，本发明软件架构能够兼容不同的平台，降低了软件的开发费用，同时也便于日后软件的维护。
9、本发明通过安全隔离机制，减少了EPS产品开发过程中因软件出现问题而造成的产品浪费，同时也降低了因软件故障导致EPS产品报废的概率，提高了资源的有效利用率降低了对环境的破坏。
附图说明
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有EPS监控系统软件架构示意图。
图2是本发明第二实施的软件架构示意图。
图3是本发明第二实施的系统结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。
应当理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。不同的是，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。在全部附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。此外，还应当理解的是，尽管在这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离根据本发明的示例性实施例的教导的情况下，以下所讨论的第一元件、组件、区域、层或部分也可以被称作第二元件、组件、区域、层或部分。需要说明的是，下述各实施例中所述的“模块”即包含软件模块，也包含硬件模块。
第一实施例；
本发明提供一种EPS监控系统的可行实施例，包括：
ECU功能模块，其用于执行ECU功能，包括但不限于力矩控制，ECU组件监控及验证，其仅与功能监控模块进行安全数据交互；
功能监控模块，其根据内部定义算法对ECU功能模块中与安全相关数据和程序执行故障监控及故障管理；
控制器监控模块，其基于硬件对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理和故障监控。
本发明提供的EPS监控系统的软件架构划分为：功能应用层(ECU功能模块)、功能监控层(功能监控模块)和控制器监控层(控制器监控模块，能满足ASIL D的安全等级。本发明软件架构中功能应用层(ECU功能模块)通过功能监控层(功能监控模块)实现故障监控及故障管理，有利于控制器(ECU)故障排查。本发明在功能安全上，能满足ISO6262规范的ASIL-D级别功能安全要求，符合转向系统的产品要求，增强了安全性，也减少了因车辆故障给人们带来的生命与财产损害。在软件架构上同时也是满足AUTOSAR规范和E-GAS规范的最高要求。因此能提升了控制器的安全要求，降低了转向系统软件失效带来的风险。
第二实施例；
基于本发明总的设计系统提供一种EPS监控系统的可行实施例，软件架构参考图2所示，系统结构参考图3所示，包括：
ECU功能模块即应用组件1，作为架构第一层，示例性的包括：扭矩角度传感器、力矩环、应用接口、通信管理；图2中AUTOSAR实时运行环境RTE传递的属于是用于扭矩传感器、力矩环的，扭矩传感器、力矩环的数据是用于执行扭矩控制的，其并不是作为安全数据使用，因此ECU功能模块即应用组件1仅与功能监控模块即应用安全组件2进行安全数据交互；
应用组件1在整个监控系统的最上层，实现EPS转向系统力矩控制、ECU组件输入/输出数据监控，在整个在监控系统运行时保持相对独立，保证功能层的安全是整个监控系统的主要目的。ECU组件监控及验证示例性的包括但不限于：对输入/输出数据验证，检测数据是否在设定的范围之内；对关键任务运行时序验证，在数据输出时确保ECU执行的程序流是否正确；
功能监控模块即应用安全组件2，作为架构第二层，示例性的包括：扭矩角度传感器监控、力矩环监控、电流环监控、故障响应监控、应用安全组件接口、安全通信；
功能监控模块即应用安全组件2中与安全相关的数据、程序等是否正确合理，为ECU功能模块即应用组件1提供运行时的验证服务的功能。其根据内部定义算法对ECU功能模块中与安全相关数据和程序执行故障监控及故障管理；
功能监控模块执行故障管理包括，若发现故障则执行故障处理并执行故障响应监控，监控是否完成故障处理；
功能监控模块执行故障监控包括但不限于：
A)监控运行任务是否安全，ECU功能模块中关键任务运行时间和执行数据是否符合安全规则；
B)校验ECU功能模块中关键数据，监控数据是否安全，对ECU功能模块即应用组件1中关键的数据进行监控，利用设定的算法机制来校验ECU功能模块即应用组件1输出的数据；
C)实时硬件运行环境是否符合设计要求，对ECU中实时运行环境、Flash、Register等底层硬件监控；
D)指定功能是否按设计运行，例如：特殊功能监控，根据项目或研发特定功能，对特定功能的运行条件、执行结果，通过逻辑计算其值是否是预先设定；
基础服务组件3根据实际系统需要设计，包括：故障管理、系统管理等实现EPS系统常规管理功能；
应用组件1、应用安全组件2和基础服务组件3通过AUTOSAR实时运行环境RTE与架构第三层进行数据交互；
控制器监控模块，作为架构第三层，包括：服务层、控制器抽象层Ecal、硬件抽象层Mcal和复杂驱动模块CDD；
控制器监控模块(即架构第三层)主要监控ECU功能模块(即架构第一层)和功能监控模块(即架构第二层)的运行，这样可以保证在功能监控模块(即架构第二层)出现故障时，控制器监控模块(即架构第三层)能正常监控ECU功能模块(即架构第一层)的安全。因控制器监控模块(即架构第三层)是基于硬件结构，控制器监控模块对ECU功能模块和功能监控模块执行故障监控包括但不限于:
E)功能监控模块以及安全相关组件是否在工作在设计工况，例如电压是否工作在设计范围之内；
F)功能监控模块是否正确运行；
G)故障响应监控是否正确运行；
H)EPS监控系统数据路径是否安全；
I)EPS监控系统能否被调用激活。
其中，控制器监控模块发现硬件故障，则控制硬件故障管理单元和硬件故障监控单元按故障响应监控处理该故障；
控制器监控模块发现软件故障，则由软件监控管理单元按故障响应监控处理该故障。
参考下述表1，本发明提供的EPS监控系统软件架构的功能安全按照E-GAS规范示例性的包含了几个模块；
可选择的进一步改进上述第一实施例或第二实施例的EPS监控系统，各功能模块之间通过应用接口形成安全隔机制离，该安全隔离机制能阻止软件故障和硬件故障自故障功能模块传输至其他功能模块，安全隔离机制包括但不限于：
J)内存隔离，不同功能模块划分在不同的内存地址；
K)时钟隔离，通过检查点监控安全任务的程序流程，或使用独立硬件看门狗监控时钟；
L)网络隔离，通过预定义保护机制隔离网络中故障。
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种EPS监控系统，其特征在于，包括：
ECU功能模块，其用于执行ECU功能，包括但不限于力矩控制，ECU组件监控及验证，其仅与功能监控模块进行安全数据交互；
功能监控模块，其根据内部定义算法对ECU功能模块中与安全相关数据和程序执行故障监控及故障管理；
控制器监控模块，其基于硬件对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理和故障监控。
2.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于，ECU组件监控及验证包括但不限于：
输入和输出数据验证，检测数据是否位于设定范围内；
时序验证，对定义的关键任务进行时序验证，在数据输出时保证执行程序流程正确。
3.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于，功能监控模块执行故障监控包括但不限于：
A）ECU功能模块中关键任务运行时间和执行数据是否符合安全规则；
B）校验ECU功能模块中关键数据；
C）实时硬件运行环境是否符合设计要求；
D）指定功能是否按设计运行。
4.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于：功能监控模块执行故障管理包括，若发现故障则执行故障处理并执行故障响应监控，监控是否完成故障处理。
5.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于：控制器监控模块对ECU功能模块和功能监控模块执行故障监控包括但不限于；
E）功能监控模块以及安全相关组件是否在工作在设计工况；
F）功能监控模块是否正确运行；
G）故障响应监控是否正确运行；
H）EPS监控系统数据路径是否安全；
I）EPS监控系统能否被调用激活。
6.如权利要求5述的EPS监控系统，其特征在于：控制器监控模块对ECU功能模块和功能监控模块执行故障管理包括但不限于；
控制器监控模块发现硬件故障，则控制硬件故障管理单元和硬件故障监控单元按故障响应监控处理该故障；
控制器监控模块发现软件故障，则由软件监控管理单元按故障响应监控处理该故障。
7.如权利要求1所述的EPS监控系统，其特征在于：EPS监控系统各功能模块之间通过应用接口形成安全隔机制离，该安全隔离机制能阻止软件故障和硬件故障自故障功能模块传输至其他功能模块。
8.如权利要求7所述的EPS监控系统，其特征在于，安全隔离机制包括但不限于：
J）内存隔离，不同功能模块划分在不同的内存地址；
K）时钟隔离，通过检查点监控安全任务的程序流程，或使用独立硬件看门狗监控时钟；
L）网络隔离，通过预定义保护机制隔离网络中故障。
9.如权利要求1-8任意一项所述的EPS监控系统，其特征在于：ECU功能模块、功能监控模块和控制器监控模块顺序形成三次软件架构，ECU功能模块是该EPS监控系统的最上层。
10.如权利要求1-8任意一项所述的EPS监控系统，其特征在于：ECU功能模块、功能监控模块和控制器监控模块的监控均能通过汽车开放系统架构定义。
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