Tại sao chúng ta lại bị mê hoặc bởi ô tô? Nó chắc chắn an toàn hơn thực tế với việc đi từ nơi này đến nơi kia. Và chúng ta biết đó hơn cả việc thử thách công suất của công tơ mét trên một con đường mở. Nó an toàn hơn cả chiếc xe nào bất kỳ– đó là một sự cải tiến tuyệt vời bao trùm hàng thế kỷ của công nghệ khéo léo từ chiếc xe chạy bằng hơi nước đầu tiên đến các xe hơi hiện đại.
Làn sóng chính tiếp theo của sự thay đổi trong công nghiệp ô tô là arriving right now, và nó được lái rộng ra bởi phân mềm nhúng. Sự có mặt phần mềm nhúng trong xe của bạn đang cách mạng hóa con đường xe hoạt động một cách hoàn thiện, không đề cập đến cách chúng được thiết kế, phát triển và kiểm tra. Suy nghĩ về hỗn hợp nhiên liệu khí trong động cơ xe. Cách đây vài năm, bạn lấy đồ nghề ra và vặn bộ chế hòa khí đến khi nó đúng.
Khi nhìn vào lệnh xuất vào các máy tiên tiến, bạn có thể bắt đầu hình dung
ra độ phức tạp của xe hiện đại.
Ngày nay, đó là một câu chuyện hoàn toàn khác biệt. Tỉ lệ nhiên liệu khí trong xe của bạn được điều chỉnh bởi một bộ điều khiển điện tử (ECU), đó là một máy tính bên trong hệ thống quyết định xe bạn sẽ chạy như thế nào. Các bộ truyền động dựa trên phần mềm nhúng không chỉ để đảm bảo cho xe tiêu thụ đúng mà còn chuẩn đoán và gắn kết chúng. Cũng như mức độ phức tạp của các xe hiện nay, điều này là thách thức không nhỏ cho cộng đồng công nghệ. Như một điểm tham chiếu cho độ phức tạp này, không gian có khoảng 500,000 dòng mã chương trình trong đó và ước lượng các xe xa xỉ lên đến 100 triệu dòng lệnh.
Để giúp cho việc bảo dưỡng xe như máy công trình tiên tiến, các nhà phát triển đang tích hợp phần mềm nhúng vào mỗi phần của quá trình sản xuất xe. Gas đắt đỏ và hầu hết các nguồn tự nhiên là có hạn, do đó các kỹ sư đang chuyển sang tàu điện trong tương lai. Giá ga tăng và hậu quả là làm giảm lượng các bon gây áp lực cho nhà sản xuất trong việc sản xuất các xe điện chọn lọc, khác biệt một cách cơ bản với các động cơ đốt trong truyền thống.
Những mẫu thiết kế mới này đang thách thức cho các nhóm phát triển bởi vì mặc dù động cơ đốt trong truyền thống cũng có thể sử dụng phần mềm nhúng để điều khiển các bộ phận quan trọng, hệ truyền động điện đưa ra những khó khăn hoàn toàn khác nhau. Ví dụ, các công cụ truyền thống được sử dụng để tương thích phần mềm thông qua phần cứng trong các vòng lặp mô phỏng (HIL), mô phỏng các thành phần với các thuật toán phức tạp hoặc các mô hình, không cung cấp chi tiết đi sâu hơn cũng như giá trị khi được sử dụng trên các hệ thống động cơ điện. Vấn đề này đến từ sự khác biệt về kỹ thuật, chẳng hạn như cần để mô phỏng tín hiệu PWM nhanh hơn 10 lần, và hệ thống kiểm tra phải xử lý các giá trị điện áp cao về đến giá trị vài trăm volt. Tùy thuộc vào các bộ phận mô phỏng của hệ thống, các yêu cầu này là không thể giải quyết nếu bạn muốn đạt được kết quả có độ chính xác cao. Công cụ truyền thống HIL chỉ đơn giản là không cung cấp độ chính xác cần thiết để nhận diện hệ thống điện. Nhiều công ty đánh giá nền tảng HIL hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến như FPGAs để đảm bảo rằng các mô hình mô phỏng của họ được thực hiện ở tốc độ cần thiết nhanh hơn.
Bánh răng chuyển động nhờ điện hoặc động cơ đốt trong đều xem xét việc tiết kiệm nhiên liệu. Bạn vẫn sẽ thấy xu hướng này đang được thúc đẩy bởi chi phí nhiên liệu và các vấn đề liên quan đến môi trường, nhưng những yếu tố này được kết hợp với những quy định linh hoạt. Ví dụ, ở Mỹ đặt ra mục tiêu cho các phương tiện đạt được trung bình 54,5 MPG vào năm 2025. Đối với hầu hết các xe trên đường ngày hôm nay, đạt được một con số cao như 54,5 MPG là điều không tưởng.
Ở các động cơ đốt trong, ECUs sử dụng các thuật toán để đảm bảo rằng tỷ lệ không khí-nhiên liệu phải được gửi đến động cơ để đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu thích hợp trong khi hạn chế lượng khí thải. Sự cần thiết phải liên tục thử nghiệm, kiểm tra, và hoàn thiện các thuật toán để đáp ứng mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu tạo thêm áp lực cho các nhà phát triển phần mềm ECU.
Kỹ sư ô tô cần nền tảng tạo mẫu linh hoạt kết hợp các thành phần hệ thống mô phỏng
với các thành phần vật lý thực tế trong các giai đoạn thử nghiệm khác nhau.
Họ phải đổi mới và làm đi làm lại vô cùng nhanh chóng, có nghĩa là họ cần nền tảng tạo mẫu linh hoạt kết hợp mô-đun I/O với khả năng chạy các mô hình mô phỏng trong thời gian thực. Trong số rất nhiều các bộ phận của phần mềm nhúng ECU, các thuật toán điều khiển là quan trọng nhất để tạo nên các phương pháp xử lý đúng đắn dựa trên các dữ liệu đến. Ví dụ, các thuật toán đã trở nên phức tạp hơn đáng kể do sự phổ biến ngày càng tăng của phun nhiên liệu trực tiếp trong các công cụ sản xuất. Kể từ khi bộ phận phun trực tiếp cung cấp nhiên liệu trong môi trường khắc nghiệt của động cơ xi lanh ngay lập tức trước khi đốt phải tính toán cực kỳ chính xác và xử lý các thông tin phản hồi từ nhiều cảm biến áp suất tiên tiến được đưa vào cho mỗi chu kỳ động cơ. Đối với một động cơ V8 chạy tại 6.000 RPM, một ECU sẽ cần phải thực hiện tính toán này và thực tế chỉ xử lý trong ít hơn 3 phần nghìn giây.
Như đã đề cập trước đó, thử nghiệm HIL mô phỏng các thành phần hệ thống với các mô hình thay vì các thành phần vật lý để giảm chi phí kiểm tra toàn bộ và xác nhận tính khả thi. Một loại xét nghiệm truyền thống trong ngành công nghiệp ô tô liên quan đến việc bằng cách sử dụng các thành phần vật lý và cơ học như thiết bị đo lực trong một thiết bị thử nghiệm.
Tuy nhiên, bạn có thể áp dụng những lợi ích mà bạn có được từ việc sử dụng các mô hình mô phỏng với các thử nghiệm HIL đến thử nghiệm cơ học trong các thiết bị thử nghiệm. Ví dụ, nó đang trở nên phổ biến hơn để nhìn thấy một thiết bị thử nghiệm kết hợp các mô hình với các thành phần vật lý thực tế để kiểm tra một thiết bị như một ECU, thường được gọi là một thiết bị thử nghiệm dựa trên mô hình. Điều này thay đổi các mô hình thử nghiệm truyền thống và đội ngũ kỹ sư kết hợp các phương pháp thử nghiệm trong giai đoạn này cùng với xác nhận tính khả thi của phần mềm nhúng.
Thường xuyên nhất là quảng cáo tính năng chiếc xe hiện đại với hệ thống thông tin giải trí và sự hỗ trợ của trình điều khiển nâng cao. Phần mềm nhúng đóng một vai trò quan trọng trong việc hiển thị thông tin, kết nối với các thiết bị bên ngoài, phát hiện các vấn đề tiềm tàng, và sửa chữa hành vi của lái xe. Khi ranh giới giữa điện thoại di động và chiếc xe của bạn bắt đầu mờ nhạt, phần mềm điều khiển hệ thống giải trí trong xe của bạn và có khả năng bảo vệ cuộc sống của bạn bằng cách phát hiện nếu bạn rẽ ra khỏi làn đường hoặc bạn rơi vào giấc ngủ thì xe vẫn sẽ tiếp tục hành trình.
Ngoài ra với số lượng ngày càng tăng của phần mềm với các tính năng theo yêu cầu này, các hệ thống sử dụng một loạt các I/O và phải được thử nghiệm có hiệu quả. Ví dụ, thử nghiệm một hệ thống giao tiếp qua một loạt các giao thức RF, có sự kết hợp của các mạng trong xe, và có đầu vào từ các cảm biến phân phối có thể vô cùng phức tạp. Đồng thời, một số I/O này trong lịch sử đã không được phổ biến cho ngành công nghiệp ô tô, có nghĩa là thường có một đường cong tiêu chuẩn dốc khi kiểm tra yêu cầu hệ thống. Một cách để giải quyết đường cong đó là sử dụng một nền tảng đồng bộ hóa tất cả các I/O trong một hệ thống duy nhất chia sẻ dựa vào cùng một thời gian chuẩn. Đồng thời thử nghiệm trên tất cả các I/O nhanh chóng cung cấp hình ảnh, đầy đủ nhất chính xác về những gì đang diễn ra trong xe.
Sự an toàn của hành khách là một trong những yếu tố phải được đề cao và quan trọng nhất để các kỹ sư cải thiện ô tô, không chỉ ở khía cạnh cảm xúc bảo vệ bạn bè và gia đình, mà nó còn thể hiện những thách thức về phần mềm. Số lượng các bộ phận an toàn quan trọng được điều khiển điện tử trong xe đã phát triển theo cấp số nhân, có nghĩa là phải luôn thử nghiệm để đảm bảo các chức năng của tất cả những bộ phận đó đáp ứng tốt.
Bảng điều khiển của bạn sẽ trở thành một trung tâm cho cả giải trí và thông tin, phần mềm nhúng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong xe của bạn thể hiện tình trạng lái xe an toàn.
Một nỗ lực gần đây của ngành công nghiệp ô tô đảm bảo rằng chiếc xe được phát triển theo tiêu chuẩn chức năng an toàn ISO 26262. Tương tự như các tiêu chuẩn an toàn trong các ngành công nghiệp khác như hàng không vũ trụ, ISO 26262 định nghĩa một quá trình đánh giá tác động của các thành phần điện tử về mặt an toàn, cùng với các thành phần cần được phát triển và thử nghiệm như thế nào. Tiêu chuẩn mới chắc chắn ảnh hưởng đến quá trình dự án, nhưng bằng cách sử dụng kỹ thuật kiểm tra thông minh như tối đa hóa tái sử dụng thành phần, các kỹ sư ô tô có thể ưu tiên an toàn của người tiêu dùng với tiêu chuẩn ISO 26262 mà không phải hy sinh sự an toàn của quá trình dự án.
Những điều này hầu hết nói về tính năng sáng tạo của mô hình chiếc xe hiện đại đang bị ảnh hưởng trực tiếp và được điều khiển bởi phần mềm nhúng. Tuy nhiên, mỗi một ứng dụng này khác nhau và xử lý một thách thức mới. Tại National Instruments, chúng ta thấy những khó khăn thách thức, các kỹ sư và các nhà khoa học trong ngành công nghiệp ô tô đang đầu tư để đảm bảo rằng xác thực hiệu quả các phần mềm nhúng trong tất cả các khu vực bên trong xe đều hiệu quả.
MT