Jorg Schauffele Thomas Zurawka. Automotive Software Engineering

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1 Jorg Schauffele Thomas Zurawka Automotive Software Engineering

2 _ Aus dem Programm Kraftfahrzeugtechnik Handbuch Verbrennungsmotor herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schafer Lexikon Motorentechnik herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schafer Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik herausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert Bremsenhandbuch herausgegeben von B. Breuer und K. H. Bill Verbrennungsmotoren von E. Kohler Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen von F. Kramer Motorradtechnik von J. Stoffregen Omnibustechnik von O.-R A. Blihler, herausgegeben vom VDA Kurbeitriebe von S. Zima i\/lotorkoiben von S. Zima Die BOSCH-Fachbuchreihe Ottomotor-Management Dieseimotor-Management Autoeiektrik/Autoelektronik Sicherheits- und Komfortsysteme Fachworterbuch Kraftfahrzeugtechnik Kraftfahrtechnisches Taschenbuch herausgegeben von ROBERT BOSCH GmbH vieweg

3 Jorg Schauffele Thomas Zurawka Automotive Software Engineering Grundlagen, Prozesse, Methoden und Werkzeuge eff izient einsetzen 3., verbesserte und erweiterte Auflage Mit 277 Abbildungen ATZ/MTZ-Fachbuch» vieweg

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber < abrufbar. 1. Auflagejuli , verbesserte Auflage Oktober , verbesserte und erweiterte Auflage Marz 2006 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006 Lektorat: Thomas Zipsner Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, Druck- und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Zur Bedeutung von Software im Automobil Neue Entwicklungsmethoden zur Beherrschung der Komplexitat erforderlich Auch in Zukunft ist Software die Technik, um komplexe Algorithmen im Kraftfahrzeug umzusetzen. Der nahezu exponentiell wachsende Software-Umfang wird getrieben durch die Funktionszunahme in den Feldem sicher, sauber, sparsam und seit einiger Zeit auch im Bereich der Fahrerassistenz. Die Beherrschung der daraus resultierenden Komplexitat ist fiir Fahrzeughersteller wie Zulieferer eine Herausforderung, die nur mit leistungsfahigen Methoden und Werkzeugen moglich ist. Mit ihrer Hilfe gilt es, die sichere Funktion der Software und der Systeme zu gewahrleisten. Das vorliegende Buch Uefert dazu vielfaltige Anregungen zur Gestaltung von Entwicklungsprozessen und zum Einsatz von Methoden und Werkzeugen. Dr. Siegfried Dais, Stellvertretender Vorsitzender der Geschdftsjuhrung der Robert Bosch GmbH, Stuttgart Software im Fahrzeug als strategisches Produkt Software im Fahrzeug wird mit weiter steigendem Anteil zunehmend mehr zum strategischen Produkt eines Automobilherstellers. Der Elektronik- und Software-Anteil in Fahrzeugen ist ein wesentlicher Innovationsmotor - etwa 90 % der Innovationen im Fahrzeug sind von der Elektronik gepragt. Einerseits werden immer mehr klassische Funktionen des Fahrzeugs durch Software implementiert, andererseits entstehen durch die Vemetzung bisher getrennter Funktionen vouig neue Moglichkeiten. Eine konsequente Anwendung von Systems Engineering ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor, um das Gesamtsystem Fahrzeug" zu beherrschen. Das vorliegende Buch adressiert nun schon in der 3. Auflage diesen Themenkomplex und stellt die Fahrzeugsubsysteme Antrieb, Fahrwerk und Karosserie in den Vordergrund. Hans-Georg Frischkorn, MUnchen Vom Kostentreiber zum Wettbewerbsvorteil Technischer Vorsprung in der Automobilindustrie kann nur durch eine VorreiterroUe in der Software-Technik erreicht werden. Die erfolgreiche Zusammenarbeit von Ingenieuren unterschiedlicher Fachrichtungen in der Systementwicklung erfordert jedoch ein einheitliches Hintergrundwissen, eine gemeinsame Begriffswelt und ein geeignetes Vorgehensmodell. Die in diesem Buch dargestellten Grundlagen und Methoden demonstrieren dies anhand von Beispielen aus der Praxis sehr eindrucksvou. Dr.-Ing. Wolfgang Runge, GeschdftsfUhrer, ZFLenksysteme GmbH, Schwdbisch Gmiind Ausbildung als Chance und Herausforderung Gerade fiir den Raum Stuttgart spielt der Fahrzeugbau eine herausragende RoUe. Die Entwicklungszentren bedeutender Fahrzeughersteller und Zulieferer bieten hier viele Arbeitsplatze. Die Ausbildung in der Software-Technik ist ein fester Bestandteil eines Ingenieurstudienganges an der Universitat Stuttgart. Dieses Buch bietet die Chance, praktische Erfahrungen in der Automobilindustrie bereits in der Ausbildung zu beriicksichtigen. Viele der vorgestellten Vorgehensweisen konnen sogar Vorbildcharakter fiir andere Branchen haben. Prof Dr.-Ing. Dr. h.c. Peter Gohner, Institut fiir Automatisierungs- und Software-Technik, Universitat Stuttgart

6 VI Vorwort Vorwort Auch heute, nach seiner liber 100-jahrigen Geschichte, ist das Kraftfahrzeug durch eine rasante Weiterentwicklung gekennzeichnet. Seit Anfang der 1970er Jahre ist die Entwicklung gepragt von einem - bis heute anhaltenden - stetigen Anstieg des Einsatzes von elektronischen Systemen und von Software im Fahrzeug. Dies flihrt zu gravierenden Veranderungen in der Entwicklung, in der Produktion und im Service von Fahrzeugen. So ermoglicht die zunehmende Realisierung von Fahrzeugfunktionen durch Software neue Freiheitsgrade beim Entwurf und die Auflosung bestehender Zielkonflikte. Zur Beherrschung der dadurch entstehenden Komplexitat sind Prozesse, Methoden und Werkzeuge notwendig, die die fahrzeugspezifischen Anforderungen beriicksichtigen. Grundlegende charakteristische Anforderungen an Software im Automobil sind der Entwurf fiir eingebettete und verteilte Echtzeitsysteme bei hohen Sicherheits- und Verfiigbarkeitsanforderungen sowie grobemr Kostendruck. Diese Anforderungen stehen bei diesem Buch im Vordergrund. Wir freuen uns sehr, dass es wegen hoher Nachfrage bereits in der 3. Auflage erscheinen kann. Zur Entwicklung von Software fiir elektronische Systeme von Fahrzeugen wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Vorgehensweisen und Standards entwickelt, die wohl am besten unter dem Begriff Automotive Software Engineering" zusammengefasst werden konnen. Damit ist eine komplexe Begriffswelt entstanden, mit der wir standig konfrontiert werden. Es wird immer schwieriger, genau zu verstehen, was sich hinter den Vokabeln verbirgt. Erschwerend kommt hinzu, dass manche Begriffe mehrfach in unterschiedlichem Zusammenhang verwendet werden. So etwa der Begriff Prozess, der im Zusammenhang mit der Regelungstechnik, aber auch mit Echtzeitsystemen oder generell mit Vorgehensweisen in der Entwicklung benutzt wird. Nach einem Uberblick zu Beginn werden deshalb in diesem Buch die wichtigsten Begriffe definiert und durchgangig so verwendet. In den folgenden Kapiteln stehen Prozesse, Methoden und Werkzeuge fiir die Entwicklung von Software fiir die elektronischen Systeme des Fahrzeugs im Mittelpunkt. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die Wechselwirkungen zwischen der Software-Entwicklung als Fachdisziplin und der iibergreifenden Systementwicklung, die alle Fahrzeugkomponenten beriicksichtigen muss. Die dargestellten Prozesse haben Modellcharakter. Das bedeutet, die Prozesse sind ein abstraktes, idealisiertes Bild der taglichen Praxis. Sie konnen fur verschiedene Entwicklung sprojekte als Orientierung dienen, miissen aber vor der Einfiihrung in einem konkreten Projekt bewertet und eventuell angepasst werden. Auf eine klare und verstandliche Darstellung haben wir deshalb groben Wert gelegt. Wegen der Breite des Aufgabengebietes konnen nicht alle Themen in der Tiefe behandelt werden. Wir beschranken uns aus diesem Grund auf Gebiete mit automobilspezifischem Charakter. Wir erheben an dieser Stelle nicht den Anspruch, die einzig richtige oder eine vollstandige Vorgehensweise zu beschreiben. Als Mitarbeiter der ETAS GmbH und der SYSTECS GmbH sind wir natiirlich der Uberzeugung, dass die Werkzeuge und Soft ware-komponenten der ETAS zur Unterstiitzung der in diesem Buch vorgestellten Vorgehensweisen bestens geeignet sind.

7 Vorwort VI^ Beispiele aus der Praxis Ein Prozess ist nur dann ein erfolgreiches Instrument fiir ein Entwicklungsteam, wenn die Vorteile der nachvollziehbaren Bearbeitung umfangreicher Aufgabenstellungen in der Praxis anerkannt werden. Dieses Buch soil daher kein theoretisches Lehrbuch sein, das sich jenseits der Praxis bewegt. AUe Anregungen basieren auf praktischen Anwendungsfallen, die wir anhand von Beispielen anschaulich darstellen. Die Vielzahl von Erfahrungen, die wir in enger Zusammenarbeit mit Fahrzeugherstellem und Zulieferern in den letzten Jahren sammeln konnten, wurde dabei beriicksichtigt. Dazu gehoren Serienentwicklungen mit den dazugehorenden Produktions- und Serviceaspekten genauso wie Forschungs- und Vorentwicklungsprojekte. Leserkreis Wir wollen sprechen mit dem vorliegenden Buch alle Mitarbeiter bei Fahrzeugherstellem und ZuUeferem ansprechen, die in der Entwicklung, in der Produktion und im Service mit Software im Fahrzeug konfrontiert sind. Wir hoffen ntitzliche Anregungen weitergeben zu konnen. Dieses Buch soil andererseits auch eine Basis zur Ausbildung von Studierenden und zur Einarbeitung von neuen Mitarbeitem zur Verfugung stellen. Grundkenntnisse in der Steuerungsund Regelungstechnik, in der Systemtheorie und in der Software-Technik sind von Vorteil, aber nicht Voraussetzung. SicherUch wird an einigen Stellen der Wunsch nach einer detaillierteren Darstellung aufkommen. Wir freuen uns deshalb zu alien behandelten Themen uber Hinweise und Verbesserungsvorschlage. Zahlreiche Riickmeldungen der Leser zur 1. und 2. Auflage wurden bei der 3. Auflage des Buches beriicksichtigt. Danksagungen An dieser Stelle mochten wir uns besonders bei alien unseren Kunden fiir die jahrelange, vertrauensvoue Zusammenarbeit bedanken. Ohne diesen Erfahrungsaustausch ware dieses Buch nicht moglich gewesen. Des Weiteren bedanken wir uns bei der BMW Group fiir die freundliche Zustimmung, dass wir in diesem Buch Erfahrungen darstellen diirfen, die wir in BMW Projekten - im Falle des erstgenannten Autors auch als BMW Mitarbeiter - gesammelt haben. Dies schhebt auch Empfehlungen fiir Serienprojekte bei BMW ein. Wir bedanken uns besonders bei Herm Heinz Merkle, Herm Dr. Helmut Hochschwarzer, Herm Dr. Maximilian Fuchs, Herm Prof. Dr. Dieter Nazareth, sowie alien ihren Mitarbeitem. Viele Vorgehensweisen und Methoden entstanden wahrend der jahrelangen, engen und vertrauensvouen Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH. Die dabei entwickelten und inzwischen breit eingesetzten Vorgehensweisen finden sich in diesem Buch an vielen Stellen wieder. Wir sagen dafiir den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitem der Bereiche Chassis Systems, Diesel Systems, Gasoline Systems, sowie der Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH vielen Dank. Wir bedanken uns auberdem herzlich bei Herm Dr. Siegfried Dais, Herm Hans-Georg Frischkom, Herm Dr. Wolfgang Runge und Herm Prof. Dr. Peter Gohner fiir ihre einleitenden Geleitworte. AbschlieBend bedanken wir uns bei alien unseren Kolleginnen und Kollegen, die in den letzten Jahren auf vielfaltige Weise zu diesem Buch beigetragen haben. Fiir die sorgfaltige und kritische Durchsicht des Manuskripts bedanken wir uns insbesondere bei Roland Jeutter,

8 VIII Vorwort Dr. Michael Nicolaou, Dr. Oliver Schliiter, Dr. Kai Werther und Hans-Jorg Wolff. Unser Dank gilt nicht zuletzt dem Vieweg-Verlag und Herrn Thomas Zipsner fiir die sehr gute Zusammenarbeit. Stuttgart, Januar 2006 Jorg Schduffele, Thomas Zurawka

9 IX Inhaltsverzeichnis 1 Einfiihrung und Uberblick Das System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme Elektronische Systeme des Fahrzeugs und der Umwelt Uberblick uber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs Elektronische Systeme des Antriebsstrangs Elektronische Systeme des Fahrwerks Elektronische Systeme der Karosserie Multi-Media-Systeme Verteilte und vemetzte elektronische Systeme Zusammenfassung und Ausblick Uberblick liber die logische Systemarchitektur Funktions- und Steuergeratenetzwerk des Fahrzeugs Logische Systemarchitektur fiir Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungssysteme Prozesse in der Fahrzeugentwicklung Uberblick iiber die Fahrzeugentwicklung Uberblick uber die Entwicklung von elektronischen Systemen Kemprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software Unterstutzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software Produktion und Service von elektronischen Systemen und Software Methoden und Werkzeuge fiir die Entwicklung von Software fiir elektronische Systeme Modellbasierte Entwicklung Integrierte Qualitatssicherung Reduzierung des Entwicklungsrisikos Standardisierung und Automatisierung Entwicklungsschritte im Fahrzeug 34 2 Grundlagen Steuerungs- und regelungstechnische Systeme Modellbildung Blockschaltbilder Diskrete Systeme Zeitdiskrete Systeme und Signale Wertdiskrete Systeme und Signale Zeit- und wertdiskrete Systeme und Signale Zustandsautomaten Eingebettete Systeme Aufbau von Mikrocontrollem 48

10 X ^_^_ Inhaltsverzeichnis Speichertechnologien Programmierung von Mikrocontrollem Echtzeitsysteme Festlegung von Tasks Festlegung von Echtzeitanforderungen Zustande von Tasks Strategien fiir die Zuteilung des Prozessors Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen Interaktion zwischen Tasks Verteilte und vemetzte Systeme Logische und technische Systemarchitektur Festlegung der logischen Kommunikationsbeziehungen Festlegung der technischen Netzwerktopologie Festlegung von Nachrichten Aufbau der Kommunikation und des Netzwerkmanagements Strategien fiir die Zuteilung des Busses Zuverlassigkeit, Sicherheit, Uberwachung und Diagnose von Systemen Grundbegriffe Zuverlassigkeit und Verfugbarkeit von Systemen Sicherheit von Systemen Uberwachung und Diagnose von Systemen Aufbau des Uberwachungssystems elektronischer Steuergerate Aufbau des Diagnosesystems elektronischer Steuergerate Zusammenfassung Unterstiitzungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software Grundbegriffe der Systemtheorie Vorgehensmodelle und Standards Konfigurationsmanagement Produkt und Lebenszyklus Varianten und Skalierbarkeit Versionen und Konfigurationen Projektmanagement Projektplanung Projektverfolgung und Risikomanagement Lieferantenmanagement System- und Komponentenverantwortung Schnittstellen fiir die Spezifikation und Integration Festlegung des firmeniibergreifenden Entwicklungsprozesses Anforderungsmanagement Erfassen der Benutzeranforderungen Verfolgen von Anforderungen Qualitatssicherung Integrations- und Testschritte MaBnahmen zur Qualitatssicherung von Software 142

11 Inhaltsverzeichnis XI 4 Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software Anfordemngen und Randbedingungen System- und Komponentenverantwortung Abstimmung zwischen System- und Software-Entwicklung Modellbasierte Software-Entwicklung Grundbegriffe Prozesse Methoden und Werkzeuge Analyse der Benutzeranforderungen und Spezifikation der logischen Systemarchitektur Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen Analyse und Spezifikation verteilter und vemetzter Systeme Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme Analyse der Software-Anfordemngen und Spezifikation der Software-Architektur Spezifikation der Software-Komponenten und ihrer Schnittstellen Spezifikation der Software-Schichten Spezifikation der Betriebszustande Spezifikation der Software-Komponenten Spezifikation des Datenmodells Spezifikation des Verhaltensmodells Spezifikation des Echtzeitmodells Design und Implementierung der Software-Komponenten Beriicksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften Design und Implementierung des Datenmodells Design und Implementierung des Verhaltensmodells Design und Implementierung des Echtzeitmodells Test der Software-Komponenten Integration der Software-Komponenten Erzeugung des Programm- und Datenstands Erzeugung der Beschreibungsdateien Erzeugung der Dokumentation Integrationstest der Software Integration der Systemkomponenten Integration von Software und Hardware Integration von Steuergeraten, SoUwertgebem, Sensoren und Aktuatoren Integrationstest des Systems Kalibrierung System- und Akzeptanztest 190

12 XII Inhaltsverzeichnis 5 Methoden und Werkzeuge in der Entwicklung Offboard-Schnittstelle zwischen Steuergerat und Werkzeug Analyse der logischen Systemarchitektur und Spezifikation der technischen Systemarchitektur Analyse und Spezifikation steuerungs- und regelungstechnischer Systeme Analyse und Spezifikation von Echtzeitsystemen Analyse und Spezifikation verteilter und vemetzter Systeme Analyse und Spezifikation zuverlassiger und sicherer Systeme Spezifikation von Software-Funktionen und Validation der Spezifikation Spezifikation der Software-Architektur und der Software-Komponenten Spezifikation des Datenmodells Spezifikation des Verhaltensmodells mit Blockdiagrammen Spezifikation des Verhaltensmodells mit Entscheidungstabellen Spezifikation des Verhaltensmodells mit Zustandsautomaten Spezifikation des Verhaltensmodells mit Programmiersprachen Spezifikation des Echtzeitmodells Validation der Spezifikation durch Simulation und Rapid-Prototyping Design und Implementierung von Software-Funktionen Beriicksichtigung der geforderten nichtfunktionalen Produkteigenschaften Design und Implementierung von Algorithmen in Festpunkt- und Gleitpunktarithmetik Design und Implementierung der Soft ware-architektur Design und Implementierung des Datenmodells Design und Implementierung des Verhaltensmodells Integration und Test von Software-Funktionen Software-in-the-Loop-Simulationen Laborfahrzeuge und Priifstande Experimental-, Prototypen- und Serienfahrzeuge Design und Automatisierung von Experimenten Kalibrierung von Software-Funktionen Arbeitsweisen bei der Offline- und Online-Kalibrierung Software-Update durch Flash-Programmierung Synchrones Messen von Signalen des Mikrocontrollers und der Instrumentierung Auslesen und Auswerten von Onboard-Diagnosedaten Offline-Verstellen von Parametem Online-Verstellen von Parametem Klassifizierung der Offboard-Schnittstellen fiir das Onhne-Verstellen Management des CAL-RAM Management der Parameter und Datenstande Design und Automatisierung von Experimenten 307

13 Inhaltsverzeichnis XIII 6 Methoden und Werkzeuge in Produktion und Service Offboard-Diagnose Parametrierung von Software-Funktionen Software-Update durch Flash-Programmierung Loschen und Progranunieren von Flash-Speichem Flash-Programmierung iiber die Offboard-Diagnoseschnittstelle Sicherheitsanforderungen Verfugbarkeitsanforderungen Auslagerung und Flash-Programmierung des Boot-Blocks Inbetriebnahme und Priifung elektronischer Systeme Zusammenfassung und Ausblick 321 Literaturverzeichnis 323 Abkiirzungsverzeichnis 329 Sachwortverzeichnis 331

14 1 Einfiihrung und Uberblick Die Erfiillung steigender Kundenanspruche und strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen, sowie der Erhohung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort ist untrennbar mit dem Einzug der Elektronik in modemen Kraftfahrzeugen verbunden. Das Automobil ist dadurch zum technisch komplexesten Konsumgut geworden. Die Anforderungen an die Automobilelektronik unterscheiden sich jedoch wesentlich von anderen Bereichen der Konsumgiiterelektronik. Insbesondere hervorzuheben sind: der Einsatz unter oft rauen und wechselnden Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperaturbereich, Feuchtigkeit, Erschutterungen oder hohe Anforderungen an die elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV) hohe Anforderungen an die Zuverlassigkeit und Verfiigbarkeit hohe Anforderungen an die Sicherheit und vergleichsweise sehr lange Produktlebenszyklen. Diese Anforderungen miissen bei begrenzten Kosten, verktirzter Entwicklungszeit und zunehmender Variantenvielfalt in Produkte umgesetzt werden, die in sehr groben Stuckzahlen hergestellt und gewartet werden konnen. Unter diesen Randbedingungen stellt die Umsetzung der zahlreichen Anforderungen an el^ktronische Systeme von Fahrzeugen eine Entwicklungsaufgabe von hohem Schwierigkeitsgrad dar. In der Entwicklung von Fahrzeugelektronik ist neben der Beherrschung der zunehmenden Komplexitat vor allem ein konsequentes Qualitats-, Risiko- und Kostenmanagement eine wichtige Voraussetzung fiir den erfolgreichen Abschluss von Projekten. Ein grundlegendes Verstandnis der Anforderungen und Trends in der Fahrzeugentwicklung ist die wichtigste Voraussetzung, um geeignete Methoden fiir Entwicklung, Produktion und Service von elektronischen Systemen zu entwickeln und durch praxistauguche Standards und Werkzeuge unterstiitzen zu konnen. In diesem Ubersichtskapitel erfolgt ausgehend von einer Analyse der aktuellen Situation eine Darstellung der zukiinftigen Perspektiven und Herausforderungen. Neben der Organisation der interdisziplinaren und firmeniibergreifenden Zusammenarbeit miissen auch viele Zielkonflikte gelost werden. Nach einem Uberblick iiber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs und deren Funktionen folgt eine Einfiihrung in Vorgehensweisen zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software fiir Fahrzeuge. Dabei miissen zahlreiche Wechselwirkungen zwischen der Systementwicklung in der Automobilindustrie (engl. Automotive Systems Engineering) und der Software-Entwicklung (engl. Automotive Software Engineering) beachtet werden. AbschlieBend werden modellbasierte Entwicklungsmethoden vorgestellt, welche die verschiedenen Aspekte beriicksichtigen. In den weiteren Kapiteln des Buches erfolgt eine ausfiihrliche Behandlung von Grundlagen, Prozessen, Methoden und Werkzeugen fiir Entwicklung, Produktion und Service von Software fiir die elektronischen Systeme von Fahrzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Fahr-

15 1 Einfuhrung und Uberblick zeugsubsystemen Antriebsstrang, Fahrwerk und Karosserie. Der Bereich der Multi-Media- Systeme wird dagegen nicht behandelt. 1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umweit Das Ziel jeder Entwicklung ist die Fertigstellung einer neuen oder die Verbesserung einer vorhandenen Funktion des Fahrzeugs. Unter Funktionen werden dabei alle Funktionsmerkmale des Fahrzeugs verstanden. Diese Funktionen werden vom Benutzer, etwa dem Fahrer des Fahrzeugs, direkt oder indirekt wahrgenommen und stellen einen Wert oder Nutzen fiir ihn dar. Die technische Realisierung einer Funktion, ob es sich also letztendlich um ein mechanisches, hydraulisches, elektrisches oder elektronisches System im Fahrzeug handeu, hat dabei zunachst eine untergeordnete Bedeutung. Elektronische Komponenten in Kombination mit mechanischen, elektrischen oder hydrauhschen Bauteilen bieten jedoch bei der technischen Reahsierung viele Vorteile, etwa in Bezug auf die erreichbare Zuverlassigkeit, das Gewicht, den benotigten Bauraum und die Kosten. Wie keine andere Technologie ist deshalb heute die Elektronik die Schliisseltechnologie zur Realisierung vieler Innovationen im Fahrzeugbau. Fast alle Funktionen des Fahrzeugs werden inzwischen elektronisch gesteuert, geregelt oder iiberwacht Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme Auf Aufbau und Wirkungsweise elektronischer Systeme des Fahrzeugs soil daher am Beispiel des elektrohydraulischen Bremssystems naher eingegangen werden. Beispiel: Aufbau des elektrohydraulischen Bremssystems [1] In Bild 1-1 ist der Aufbau des elektrohydraulischen Bremssystems (engl. Sensotronic Brake Control, kurz SBC) von Bosch [1] dargestellt. Die elektrohydrauusche Bremse vereint die Funktionen des Bremskraftverstarkers, des Antiblockiersystems (ABS) und der Fahrdynamikregelung, auch elektronisches Stabilitatsprogramm (ESP) genannt. Die mechanische Betatigung des Bremspedals durch den Fahrer wird in der Bremspedaleinheit erfasst und elektrisch an das so genannte elektronische Steuergerat iibertragen. In diesem Steuergerat werden unter Verwendung dieses Sollwertes und verschiedener Sensorsignale, wie z. B. dem Lenkwinkelsignal oder den Raddrehzahlsignalen, AusgangsgroBen berechnet, die wiederum elektrisch zum Hydroaggregat iibertragen werden und dort durch Druckmodulation in StellgroBen fur die Radbremsen umgesetzt werden. Uber die Radbremsen wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs, die so genannte Strecke, beeinflusst. Die Radbremsen werden daher als Aktuatoren bezeichnet. Das Steuergerat kommuniziert iiber einen Bus, etwa iiber CAN [2], mit anderen Steuergeraten des Fahrzeugs. Dadurch konnen Funktionen realisiert werden, die iiber die bisher genannten Funktionen hinausgehen. Ein Beispiel dafiir ist die Funktion der Antriebsschlupfregelung (ASR), die eine iibergreifende Funktion zwischen Motorsteuerung und Bremssystem darstellt.

16 1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt Bild 1-1: Aufbau der elektrohydraulischen Bremse SBC [1] Der am Beispiel der elektrohydraulischen Bremse dargestellte Systemaufbau ist typisch fiir alle elektronischen Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungssysteme des Fahrzeugs. Im AUgemeinen kann zwischen den folgenden Komponenten des Fahrzeugs unterschieden werden: SoUwertgeber, Sensoren, Aktuatoren, elektronische Steuergerate und Strecke. Die elektronischen Steuergerate sind miteinander vemetzt und konnen so Daten austauschen. Fahrer und Umwelt konnen das Verhalten des Fahrzeugs beeinflussen und sind Komponenten des iibergeordneten Systems Fahrer-Fahrzeug-Umwelt. Fur sich allein genonmien ist ein elektronisches Steuergerat also lediglich ein Mittel zum Zweck. AUeine stellt es fiir den Fahrzeugbenutzer keinen Wert dar. Erst ein voustandiges elektronisches System aus Steuergeraten, SoUwertgebem, Sensoren und Aktuatoren beeinflusst oder iiberwacht die Strecke und erfiillt so die Benutzererwartungen. In vielen Fallen ist die Realisierung mittels Elektronik fiir den Fahrzeugbenutzer nicht einmal sichtbar, wenn es sich - wie haufig - um so genannte eingebettete Systeme handelt. Steuerungs-ZRegelungs- und tjberwachungssysteme des Fahrzeugs konnen iibersichtlich in Form eines Blockdiagramms gezeichnet werden, wie in Bild 1-2 dargestellt. Die Komponenten werden dabei als Blocke und die zwischen ihnen bestehenden Signalfliisse als Pfeile darge-

17 1 Einfiihrung und Uberblick stellt. Eine Einfiihrung in die Grundlagen und Begriffe der Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungstechnik erfolgt in den Abschnitten 2.1 und 2.6. Bild 1-2: Blockdiagramm zur Darstellung von Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungssystemen Wie in Bild 1-2 ersichtlich, konnen zwischen den Komponenten Fahrzeug, Fahrer und Umwelt zahlreiche Signalfliisse bestehen. Der Fahrer steht in dieser Darstellung stellvertretend auch fiir alle anderen Benutzer einer Fahrzeugfunktion, etwa fiir weitere Passagiere. Zur Umwelt zahlen auch andere Fahrzeuge oder elektronische Systeme in der Umgebung des Fahrzeugs - etwa Werkzeuge, wie z. B. Diagnosetester, die in der Servicewerkstatt mit den elektronischen Systemen des Fahrzeugs verbunden werden (Bild 1-1). Neue Technologien zum Informationsaustausch zwischen Fahrer und Fahrzeug, zwischen Fahrer und Umwelt, sowie zwischen Fahrzeug und Umwelt ermoglichen viele innovative Funktionen - etwa durch eine Vernetzung liber die Fahrzeuggrenze hinweg mit drahdosen Ubertragungssystemen. Daran kann der Ubergang zu einer ganz neuen Klasse von Systemen erkannt werden - zu Systemen, die eine Vernetzung von Fahrer und Fahrzeug mit der Umwelt nutzen und damit die Grundlage bilden fiir viele den Fahrer unterstiitzende Funktionen, die Fahrerassistenzsysteme. Insbesondere im Bereich der Multi-Media-Systeme wurden in den letzten Jahren viele Funktionen eingefuhrt, die erst durch diese Vernetzung von Fahrzeug und Umwelt moglich wurden. Ein Beispiel ist die dynamische Navigation, die Informationen der Umwelt - wie Staumeldungen - bei der Routenberechnung beriicksichtigt. Auch der Bereich der Schnittstellen zwischen Fahrer bzw. Passagieren und Fahrzeug, die so genannten Benutzerschnittstellen, ist in letzter Zeit von vielen Innovationen gepragt. So basieren Bedien- und Anzeigesysteme inzwischen auf Sprachein- und Sprachausgabesystemen und neuartigen Bedienkonzepten. Der Begriff der Vernetzung soil deshalb in diesem Buch nicht auf die elektronischen Steuergerate des Fahrzeugs beschrankt, sondem waiter gefasst werden. Hilfreich ist dazu die Unterscheidung zwischen der Vernetzung der Systeme innerhalb des Fahrzeugs und der Vernetzung liber die Fahrzeuggrenze hinweg.

18 1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt Elektronische Systeme des Fahrzeugs und der Umwelt In den folgenden Kapiteln wird die Kommunikation zwischen elektronischen Systemen des Fahrzeugs als Onboard-Kommunikation bezeichnet. Die Kommunikation zwischen Systemen des Fahrzeugs und Systemen der Umwelt als Offboard-Kommunikation. Bei den Schnittstellen der elektronischen Systeme des Fahrzeugs wird entsprechend zwischen Onboard- und Offboard-Schnittstellen unterschieden. Einen Uberblick zeigt Bild 1-3. Bild 1-3: Elektronische Systeme des Fahrzeugs und der Umwelt Bei den Funktionen der elektronischen Systeme wird zwischen Funktionen, die von Systemen des Fahrzeugs ausgefuhrt werden, den so genannten Onboard-Funktionen, und Funktionen, die von Systemen der Umwelt ausgefuhrt werden, den so genannten Offboard-Funktionen, unterschieden. Auch die Aufteilung von Funktionen in Teilfunktionen und die verteilte Realisierung dieser Teilfunktionen durch Systeme im Fahrzeug und in der Umwelt ist moglich. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist der Zeitpunkt der Ausfiihrung einer Funktion durch ein System der Umwelt in Bezug zur Ausfiihrung einer Funktion eines Fahrzeugsystems. Hier wird zwischen der synchronisierten Ausfiihrung von Funktionen, auch Online-Ausfiihrung genannt, und der nicht synchronisierten Ausfiihrung einer Funktion, auch als Offline-Ausfuhrung bezeichnet, unterschieden. Diese beiden Unterscheidungskriterien onboard/offboard und online/offline betreffen schon seit Jahren die Systeme zur Diagnose von Fahrzeugfunktionen, so etwa die Unterscheidung zwischen Onboard- und Offboard-Diagnose, und in ahnlicher Weise auch viele in der Entwicklung elektronischer Systeme eingesetzte Entwurfsmethoden und Werkzeuge.

19 1 Einfiihrung und Uberblick 1.2 Uberblick iiber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs Zunachst sollen die verschiedenen elektronischen Systeme eines Fahrzeugs in einem Uberblick dargestellt werden. Zu Beginn des Einsatzes von Elektronik im Fahrzeug arbeiteten die verschiedenen elektronischen Steuergerate weitgehend autonom und ohne gegenseitige Wechselwirkungen. Die Funktionen konnten deshalb eindeutig einem Steuergerat und meist eindeutig den Fahrzeugsubsystemen Antriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie und Multi-Media zugeordnet werden (Bild 1-4). Bild 1-4: Zuordnung der elektronischen Steuergerate zu den Subsystemen des Fahrzeugs Die Motor- und Getriebesteuerung werden z. B. als klassische Systeme dem Antriebsstrang zugeordnet, das Anti-Blockier-System (ABS) dem Fahrwerksbereich, die Heizungs- und Klimatisierungssteuerung, Zentralverriegelung, Sitz- und Spiegelverstellung dem Komfortbereich der Karosseriesysteme. Die Airbag- und Riickhaltesysteme tragen zur Erhohung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen im Falle eines Unfalls bei und zahlen zu den passiven Sicherheitssystemen. Radio oder Telefon gehoren zu den Multi-Media-Systemen. Die bis heute anhaltenden Technologic- und Leistungssprlinge in der Hardware erlauben die Realisierung zahlreicher neuer und immer leistungsfahigerer Funktionen des Fahrzeugs durch Software. Diese Funktionen werden als Software-Funktionen bezeichnet. Mit der Vemetzung der elektronischen Systeme im zweiten Schritt etwa ab Beginn der 90er Jahre durch die Einfiihrung leistungsfahiger Bussysteme im Fahrzeug, wie CAN [2], wurden die Realisierung neuer, iibergeordneter Software-Funktionen sowie Kosteneinsparungen moglich. Kosteneinsparungen sind beispielsweise durch die Verwendung von Sensorsignalen in mehreren Systemen ohne aufwandigen Verkabelungsaufwand moglich.

20 1.2 Uberblick tiber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs Wirken diese tibergeordneten Software-Funktionen weiter innerhalb der Subsysteme, so wird dieser ganzheitiiche Ansatz auch als integriertes Antriebsstrang-, integriertes Fahrwerks-, integriertes Karosserie- oder integriertes Sicherheitsmanagement bezeichnet. In solchen verteilten und vemetzten Systemen konnen Software-Funktionen oft nicht mehr einem einzigen Steuergerat zugeordnet werden. Software-Funktionen werden dann in Teilfunktionen aufgeteilt und in verschiedenen Steuergeraten realisiert. Wirken die tibergeordneten Software-Funktionen iiber die Grenzen eines Subsystems hinaus im Netzwerk, dann konnen sie auch nicht mehr einem bestimmten Subsystem zugeordnet werden. Wie bereits im einfuhrenden Beispiel angesprochen, ist die Antriebsschlupfregelung eine antriebsstrang- und fahrwerkiibergreifende Funktion. Aber auch viele Fahrerassistenzsysteme, wie die verkehrsflussangepasste Geschwindigkeitsregelung (engl. Adaptive Cruise Control), fallen in diese Kategorie. Ebenso gibt es im Komfort- und passiven Sicherheitsbereich subsystemiibergreifende Funktionen. Bin Beispiel ist das Fahrzeugzugangssystem einschliel31ich der SchlieBanlage und der Diebstahlsicherung. Aus Funktionssicht werden die Ubergange zwischen den Subsystemen also fliebend. Die Voraussetzung zur Realisierung von subsystemiibergreifenden Funktionen ist die Vemetzung der Steuergerate iiber Subsystemgrenzen hinweg. Dies erfolgt durch so genannte Gateway-Steuergerate (Bild 1-4). Ist die ubergreifende Verwendung von Sensorsignalen meist noch unproblematisch, so stellt der konkurrierende" Zugriff mehrerer Software-Funktionen auf dieselben Aktuatoren jedoch vielfaltige Herausforderungen dar - insbesondere an eine geeignete Spezifikationsmethodik. Dabei muss die Definition eindeutiger Daten- und Auftragsschnittstellen zwischen den verschiedenen Funktionen und Systemen gleichermafien berucksichtigt werden. Die verschiedenen Auftrage etwa an Aktuatoren mtissen koordiniert werden. Einen Beitrag zu diesem Themengebiet liefert beispielsweise CARTRONIC [3]. Nach einem tjberblick iiber die elektronischen Systeme des Antriebsstrangs, des Fahrwerks und der Karosserie werden in diesem Abschnitt auch die Multi-Media-Systeme dargestellt. Diese werden im Rahmen dieses Buches zwar nicht weiter beriicksichtigt, eine Ubersicht ist dennoch zur Abgrenzung gegeniiber den anderen Anwendungsbereichen hilfreich. SchlieBHch werden einige Beispiele fiir Funktionen behandelt, die erst durch die Vemetzung der elektronischen Systeme moglich wurden. Dabei erfolgt eine Klassifizierung der Systeme nach typischen Merkmalen wie Benutzerschnittstellen und SoUwertgeber, Sensoren und Aktuatoren, Software-Funktionen, Bauraum, sowie Varianten und Skalierbarkeit. Auch aktuell erkennbare Trends werden beriicksichtigt. Bei der technischen ReaUsierung miissen in vielen Fallen eine Reihe von gesetzlichen Vorgaben beriicksichtigt werden. So stehen etwa im Bereich des Antriebsstrangs, insbesondere bei den Software-Funktionen der Motorsteuergerate, haufig Vorgaben beziiglich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen im Vordergrund. Bei den Fahrwerks- und Karosseriefunktionen spielen dagegen Sicherheits- und Komfortanforderungen oft eine grobe RoUe. Dieser Abschnitt beschrankt sich auf einen Uberblick iiber die elektronischen Fahrzeugsysteme und ihre Funktionen. Einzelne Aspekte werden anhand von Beispielen in den weiteren Kapiteln des Buches wieder aufgegriffen. Fiir eine ausfiihrliche Darstellung wird auf die umfangreiche Fachliteratur, z. B. [4], verwiesen.

21 1 Einfiihrung und Uberblick Elektronische Systeme des Antriebsstrangs Der Antriebsstrang eines Fahrzeuges umfasst folgende Aggregate und Komponenten: Antrieb - also Verbrennungsmotor, Elektromotor, Hybridantrieb oder Brennstoffzelle - Kupplung und Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe Verteilergetriebe, Vorderachs- und Hinterachsgetriebe Antriebs- und Gelenkwellen, sowie die zum Motor gehorenden Nebenaggregate, wie Starter und Generator. Unter die elektronischen Systeme des Antriebsstrangs fallen beispielsweise Motorsteuergerate und Getriebesteuergerate. Die vielfaltigen Steuerungs-ZRegelungs- und Uberwachungsfunktionen fiir Motor, Getriebe und Nebenaggregate verwenden als EingangsgroBen den Fahrerwunsch und eine Reihe von Sensorsignalen und steuern damit die Aktuatoren im Antriebsstrang Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber Kennzeichnend fiir die Funktionen im Antriebsstrang sind wenige Benutzerschnittstellen. Der Fahrer kann auber dem Starten und Abstellen des Motors seinen Fahrerwunsch nur iiber die Fahrpedalstellung vorgeben. Im Falle eines Handschaltgetriebes sind Kupplungspedal und Gangwahlhebel weitere Bedienschnittstellen, bei Automatikgetrieben nur der Gangwahlhebel. In Sonderfallen konnen weitere Bedienelemente hinzukommen Sensoren und Aktuatoren Die Anzahl der Sensoren - etwa zur Erfassung von Lage und Position, Drehzahlen, Driicken, Temperaturen, Lambdawerten oder Klopfintensitat - und auch die Anzahl der Aktuatoren - zur Ansteuerung von Ziindung, Einspritzung, Drosselklappe, Kupplungen oder Ventilen - ist vergleichsweise hoch. Dies fiihrt zu einer hohen Anzahl von Schnittstellen der Steuergerate. In Bild 1-5 sind die Schnittstellen eines Motorsteuergerats dargestellt. Fiir die Onboard-Kommunikation wird meist CAN [2] eingesetzt; fiir die Offboard-Kommunikation mit dem Diagnosetester wird die K-Leitung [5] zunehmend durch CAN [2] ersetzt Software-Funktionen Die Anzahl der Software-Funktionen eines Motorsteuergerats ist hoch; sie liegt mittlerweile im dreistelligen Bereich. Es mussen leistungsfahige Software-Funktionen realisiert werden, die intern zusammenwirken, aber auch zahlreiche Schnittstellen zu Funktionen im Fahrwerksoder Karosseriebereich, beispielsweise zur Antriebsschlupfregelung oder zur Klimaautomatik, besitzen. Charakteristisch fur viele Software-Funktionen ist eine hohe Anzahl an Parametem, wie Kennwerte, Kennlinien und Kennfelder, die zur Abstimmung der Software-Funktionen fur die jeweilige Motor-, Getriebe- oder Fahrzeugvariante, aber auch fiir die verschiedenen Betriebspunkte notwendig sind.

22 1.2 Uberblick iiber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs Bild 1-5: Schnittstellen eines Motorsteuergerats fiir Ottomotoren [6] Bauraum Wegen der zahlreichen Schnittstellen zu den Sensoren und Aktuatoren, die sich meist am Motor Oder Getriebe befinden, wird fiir die Steuergerate vorteilhaft ein Bauort in der Nahe des jeweiligen Aggregates gewahlt. Die raumliche Verteilung im Fahrzeug ist daher eher gering, die Umgebungsbedingungen der Steuergerate sind meist rau. Sie sind in vielen Fallen einem erweiterten Temperaturbereich, Feuchtigkeit und hoher Erschiitterungsbeanspruchung ausgesetzt Varianten und Skalierbarkeit Skalierbarkeitsanforderungen miissen kaum erfiillt werden. Der Fahrzeugkunde kann in der Regel aber zwischen einer Reihe von Motor- und Getriebevarianten auswahlen und kombinieren. Typischerweise findet man aus diesen Griinden eine geringe Anzahl von Steuergeraten im Antriebsstrang vor - also wenige, aber leistungsfahige Steuergerate, die zahlreiche Software- Funktionen ausfuhren. Dazu gehort immer ein Motorsteuergerat und im Falle eines Automatikgetriebes auch ein Getriebesteuergerat [4, 6, 7, 8] Elektronische Systeme des Fahrwerks Das Fahrwerk umfasst folgende Fahrzeugkomponenten: Achsen und Rader Bremsen Federung und Dampfung, sowie Lenkung.

23 10 1 Einfuhrung und Uberblick Unter die elektronischen Systeme des Fahrwerks fallen damit z. B. Antiblockiersystem (ABS) Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) Fahrdynamikregelung oder Elektronisches Stabilitatsprogramm (ESP) Feststellbremse Reifendrucktiberwachung Luftfederung Wankstabilisierung Servolenkung Uberlagerungslenkung Elektrohydraulische oder elektromechanische Bremse Brake-By-Wire- und Steer-By-Wire-Systeme. Mogliche Fehlfunktionen der Bremssysteme sind Versagen der Bremsen oder auch unbeabsichtigtes Bremsen. Mogliche Fehlfunktionen der Lenksysteme sind Versagen der Lenkung Oder auch ungewolltes Lenken. Daraus folgen unter Umstanden der vollige Verlust der Beherrschbarkeit des Fahrzeugs und die Gefahr von Unfallen mit Toten und Verletzten. Die Sicherheitsanforderungen an diese Systeme sind deshalb sehr hoch. Entwurfsprinzipien fiir sicherheitsrelevante Systeme, wie beispielsweise die Minimierung der notwendigen Schnittstellen zu anderen Systemen, Modularisierung, Uberwachungs- und Sicherheitskonzepte haben oft sehr groben Einfluss auf den Systementwurf Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber Auch die Funktionen im Fahrwerksbereich weisen nur wenige Benutzerschnittstellen auf. Der Fahrer kann auber dem Bremspedal und dem Lenkrad nur die Feststellbremse betatigen. Riickmeldungen erfolgen iiber Anzeigen beispielsweise im Kombiinstrument. Manche Fahrwerkssysteme, wie etwa die Luftfederung, konnen liber zusatzliche Bedienelemente ein- und ausgeschaltet werden Sensoren und Aktuatoren EingangsgroBen des ABS-Steuergerats sind u. a. die Raddrehzahlen. Die Aktuatoren sind die Radbremsen. Das ESP-Steuergerat verwendet zusatzliche Sensorsignale, etwa Lenk- und Gierwinkelsignale, als EingangsgroBen [1]. Die Anzahl der Sensoren und Aktuatoren ist im Vergleich mit typischen Antriebsstrangsystemen, wie Motorsteuergeraten, geringer. Bild 1-6 zeigt die Schnittstellen eines ABS-Steuergerats [1].

24 1.2 Uberblick liber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs 1J_ Bild 1-6: Schnittstellen eines ABS-Steuergerats [1] Software-Funktionen Auch im Fahrwerksbereich mussen in den Steuergeraten umfangreiche Software-Funktionen realisiert werden, die intern zusammenwirken, aber auch zahlreiche Schnittstellen zu anderen Software-Funktionen im Fahrwerks-, AntriebsStrang- oder Karosseriebereich besitzen. Es wird erwartet, dass in Zukunft bisher hydraulisch oder mechanisch realisierte Funktionen teilweise durch Software-Funktionen reausiert werden Bauraum Als Folge der hohen Sicherheitsanforderungen und wegen der Schnittstellen zu den Sensoren und Aktuatoren, die im Fahrwerk raumlich weit verteilt sind, ist die Anzahl der Steuergerate hoher als im Antriebs Strang. Dazu gehort ein ABS-, ein ABS/ASR-Steuergerat oder ein ESP-Steuergerat, sowie - haufig optional - Steuergerate ftir Lenkungs-, Federungs- und Dampfungsfunktionen oder fur die Reifendruckiiberwachung. Die Umgebungsbedingungen der Steuergerate sind vergleichbar rau wie im Antriebsstrang [1] Varianten und Skalierbarkeit Die Grundausstattung unterscheidet sich in vielen Fallen fiir verschiedene Absatzlander. Viele Funktionen konnen als Sonderausstattung gewahlt werden. Skalierbarkeitsanforderungen miissen aus diesem Grund haufig erfuut werden. Der Fahrzeugkunde kann in der Regel verschiedene Sonderausstattungsoptionen auswahlen und kombinieren Elektronische Systeme der Karosserie Bei den Karosseriesystemen werden haufig die Segmente Passive Sicherheit" und Komfort" unterschieden. Die Komfortsysteme umfassen beispielsweise das Fahrzeugzugangssystem - wie Zentralverriegelung, Funkschlussel und Diebstahlwamanlage -

25 12 1 Einfiihrung und Uberblick sowie die Systeme zur Steuerung von Fensterhebem und Heckklappe Schiebe-Hebe-Dach Cabrioverdeck Wischern und Regensensor Spiegelverstellung, -abblendung und -heizung Sitzverstellung und -heizung Lenkradverstellung Heizung und Klimatisierung des Innenraums Beleuchtung des Innenraums Steuerung der Fahrzeugscheinwerfer und Scheinwerferreinigung, sowie Einparkhilfen. Als passive Sicherheitssysteme werden alle Systeme im Fahrzeug bezeichnet, die im Falle eines Unfalls zur Erhohung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen beitragen. Darunter fallen Riickhaltesysteme mit Funktionen wie z. B. Gurtstraffer Airbagsteuerung einschlieblich der Sitzbelegungserkennung aktive Sicherheitsiiberrollbiigel. Dagegen umfassen die aktiven Sicherheitssysteme alle Systeme im Fahrzeug, die vor allem die Sicherheit der Fahrzeuginsassen wahrend des Fahrens erhohen, also zur Beherrschung kritischer Fahrsituationen und damit zur Unfallvermeidung beitragen. Dazu werden beispielsweise das Antiblockiersystem oder die Fahrdynamikregelung gezahlt Benutzerschnittstellen und Sollwertgeber Kennzeichnend flir die Komfortsysteme sind umfangreiche Benutzerschnittstellen. Der Fahrer und die Passagiere konnen tiber zahlreiche Bedienelemente - wie Schalter, Knopfe, Schiebeund Drehregler - die Komfortfunktionen nach ihren Wiinschen einstellen. Die Benutzerwahrnehmung der Komfortfunktionen ist deshalb hoch. Dagegen haben die passiven Sicherheitssysteme fast keine Benutzerschnittstellen. Die Benutzerwahrnehmung dieser Funktionen basiert ausschlieblich auf dem Sicherheitsbewusstsein des Fahrers und der Fahrzeuginsassen Sensoren und Aktuatoren Die verschiedenen Karosseriefunktionen verwenden als EingangsgroBen die jeweiligen Sollwerte und verschiedene Sensorsignale. Die Aktuatoren werden vielfach durch elektrische Antriebe realisiert Software-Funktionen Im Karosseriebereich findet man die hochste Anzahl eigenstandiger Software-Funktionen. Typischerweise werden heute Mikrocontroller mit begrenzter Leistungsfahigkeit und mit einer relativ geringen Anzahl von Ein- und Ausgangsschnittstellen in den Steuergeraten eingesetzt.

26 1.2 Uberblick tiber die elektronischen Systeme des Fahrzeugs 13 Auf diese Weise konnen eigenstandige Software-Funktionen durch getrennte Steuergerate realisiert werden. Die Anzahl der Steuergerate ist bei einer derartigen Realisierung vergleichsweise hoch. Die Vemetzung der verschiedenen Steuergerate ermoglicht auch hier die Realisierung von steuergerate- und subsystemiibergreifenden Software-Funktionen, wie beispielsweise ein zentrales Zugangs- und SchlieBsystem. Die Anzahl der Abstimmparameter ist geringer als bei den Software-Funktionen im Bereich des Antriebsstrangs oder des Fahrwerks Bauraum Die verschiedenen Steuergerate sind raumlich weit im Fahrzeug verteilt und ubemehmen oft sozusagen eine Funktion direkt vor Ort. Die Ubergange zu inteuigenten Sensoren und Aktuatoren sind dadurch haufig fliebend. Aktuatoren und Sensoren in den Tiiren, in den AuBenspiegeln, im Dach, im Heck- und Frontbereich, sowie im Innenraum des Fahrzeugs miissen mit den Steuergeraten verbunden werden. In vielen Fallen ist der Bauraum fiir die Steuergerate und die Verkabelung auberst begrenzt, etwa in den Tiiren oder Sitzen. Manchmal konkurrieren sogar mehrere Sensoren, Aktuatoren und Steuergerate um den gleichen Bauraum. Beispielsweise miissen Airbag- und Komfortsensoren und -aktuatoren in den Tiiren, Sitzen oder im Dach untergebracht werden. Diese geometrischen" Randbedingungen haben daher groben Einfluss auf den Systementwurf Varianten und Skalierbarkeit Die verschiedenen Karosserievarianten einer Fahrzeugbaureihe beeinflussen auch die Architektur der Elektronik. Beispiel: Einfluss von Karosserievarianten auf die Architektur der Elektronik Manche Ausstattungsoptionen schueben sich gegenseitig aus. Fiir ein Cabrio braucht kein Schiebedach vorgesehen werden, fiir eine Limousine kein Cabrioverdeck. Ahnliche Zusammenhange kann man auch fiir Kombi und Coupe finden. Auch aus diesem Grund findet man viele Steuergerate mit begrenztem Funktionsumfang. Neben diesen Variantenanforderungen miissen meist auch Skalierbarkeitsanforderungen erfiillt werden, da der Fahrzeugkunde zwischen einer Vielzahl von Sonderausstattungen an Karosseriefunktionen auswahlen und kombinieren kann Multi-Media-Systeme Zu den Multi-Media-Systemen zahlen Tuner und Antennen Navigations system CD-Wechsler Telefon Verstarker und Audiosystem Sprachbedienung Videosystem Internetzugang.

27 14 1 Einflihrung und Uberblick Der Mehrwert vieler Funktionen dieser Systeme im Fahrzeug entsteht erst durch eine Vernetzung mit den ubrigen elektronischen Systemen, etwa durch die Sprachbedienung oder Visualisierungskonzepte fiir Komfortfunktionen Verteilte und vernetzte elektronische Systeme Die Vemetzung der Steuergerate ermoglicht die Realisierung libergreifender Software-Funktionen. Dies soil an zwei weiteren Beispielen dargestellt werden. Beispiel: Adaptive-Cruise-Control-System Das Adaptive-Cruise-Control-System (ACC-System) ist eine Weiterentwicklung des klassischen Tempomaten. Es besteht aus einem Sensor - beispielsweise einem Radarsensor -, der Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkellage vorausfahrender Fahrzeuge erfasst. Das ACC-Steuergerat berechnet daraus die relative Position zu den verschiedenen vorausfahrenden Fahrzeugen und steuert die Langsdynamik durch gezieltes Beschleunigen und Verzogem des Fahrzeugs zur Einhaltung eines konstanten Sicherheitsabstands zum kritischen" vorausfahrenden Fahrzeug. Das ACC-System beeinflusst dazu das Motormoment liber das Motorsteuergerat, das Getriebe iiber das Getriebesteuergerat und das Bremsmoment liber das ESP-Steuergerat. ACC ist deshalb eine antriebs- und fahrv^erkslibergreifende Funktion (Bild 1-7). Bild 1-7: ACC-Steuergerat und ACC-System Beispiel: Anzeigesystem flir Hinweise, Wamungen und Fehlermeldungen An der Darstellung von Hinweisen, Wamungen und Fehlermeldungen durch das Kombiinstrument sind verschiedene Steuergerate beteiligt. Das Kombiinstrument ist zum Beispiel nicht nur flir die Anzeige von Hinweisen, Wamungen und Fehlermeldungen aller Steuergerate des Fahrzeugs zustandig, sondem auch flir deren Priorisiemng. Es wertet dazu die empfangenen Nachrichten aller Steuergerate aus, bevor die Hinweise, Wamungen und Fehlermeldungen in einem zentralen Anzeigefeld nach einer festgelegten Strategic dargestellt werden (Bild 1-8).