精品方案 | GCKontrolGCAir在汽车ECU协同开发中的应用

摘要

本文针对汽车ECU开发中的多ECU交互复杂、供应商协同困难及测试验证局限等问题，提出基于GCKontrol与GCAir的协同开发解决方案。通过GCKontrol实现VCU与PEPS的精确建模与验证，利用GCAir完成系统集成与仿真测试，显著提升开发效率与质量。以VCU与PEPS间的防盗认证功能为例，展示了从组件级建模到系统级验证的全流程。GCKontrol建模实现VCU生成随机数并比对密文，PEPS加密随机数并反馈密文等逻辑，GCAir集成系统，最终通过TestManager完成自动化测试，验证功能正确性与状态跳转逻辑。

一、汽车ECU开发特点与面临的瓶颈

1.多ECU间复杂交互功能设计

现代汽车电子控制系统日益复杂，众多关键功能需要多个电子控制单元（ECU）协同工作才能实现。例如，自适应巡航控制（ACC）功能不仅涉及整车控制器VCU来调节动力输出，还需要制动控制ECU实现精准减速，同时毫米波雷达传感器负责实时监测前方车辆距离和速度，并将数据传递给其他相关ECU进行决策。这种跨多个ECU的交互设计使得系统架构变得极为复杂，任何一个环节出现问题都可能影响整个功能的正常运行。

2.多供应商协同开发的挑战

汽车制造是一个高度分工的产业，不同ECU通常由不同的供应商负责开发。每个供应商都有自己独立的设计流程、开发工具和标准规范。例如，VCU可能由一家专注于动力系统控制的专业供应商开发，而车载娱乐系统ECU则可能由另一家擅长消费电子集成的供应商负责。这种分散的开发模式虽然能够充分发挥各供应商的专业优势，但也带来了诸多挑战。不同供应商对知识产权的保护、项目开发进度不一致，增加了系统集成和协同开发的难度。

3.整车集成测试阶段的局限性

在目前的汽车ECU开发流程中，各供应商通常先完成各自ECU的开发工作，然后才在整车集成测试阶段进行ECU间交互的测试。这种开发模式存在明显的局限性。首先，在整车集成测试之前，各ECU的功能虽然经过了单独测试，但由于缺乏真实的交互环境，一些潜在的问题可能无法被及时发现。例如，某个ECU的通信延迟可能在单独测试时并不明显，但在与其他ECU协同工作时，可能会导致整个系统的响应速度变慢，甚至出现功能失效的情况。其次，整车集成测试阶段发现问题后，由于涉及到多个供应商和复杂的系统架构，问题定位和解决的成本高昂且耗时。可能需要各供应商反复沟通协调，对各自的ECU进行修改和重新测试，严重影响产品的开发周期和质量。

二、汽车ECU协同开发解决方案

针对汽车ECU开发中的多ECU交互复杂、多供应商协同困难以及传统测试验证局限等问题，我们提出基于GCKontrol与GCAir的协同开发解决方案。该方案通过将GCKontrol的精确建模与GCAir的系统集成能力相结合，实现从组件级建模到系统级验证的全流程覆盖，显著提升了汽车ECU开发效率和质量。

1.GCKontrol提供直观高效的可视化建模环境，支持拖拽式操作构建控制模型。具备全流程仿真验证能力，能精准建模并自动生成高质量代码，支持FMU导出，为后续集成做准备。

2.GCAir基于MBSE理念，是仿真测试验证一体化平台。各ECU团队用GCKontrol完成建模后，通过FMU导入GCAir，如图2.1，设置通讯矩阵实现多ECU系统集成。该平台覆盖组件级到系统级的全面测试验证，包括功能、性能、故障注入等方面。

图2.1 跨平台FMU导出

3.GCKontrol&GCAir协同工作流程
（1）组件级开发与验证，各ECU供应商使用GCKontrol完成控制算法建模、硬件接口定义、组件级功能验证、自动生成标准化模型文档与测试报告。
（2）系统级集成与验证，将GCKontrol模型导出为FMU格式，在GCAir中完成：多ECU系统集成、通讯矩阵配置、系统级仿真测试、实现从模型到硬件在环的全流程验证。
（3）全生命周期管理，通过GCKontrol&GCAir完成需求追溯与验证、模型版本控制、测试用例管理、问题追踪。

三、实际应用案例

本文以VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器）与PEPS（Passive Entry Passive Start，无钥匙进入一键式启动单元）间的防盗认证功能为例，介绍GCKontrol与GCAir在从软件开发到系统仿真验证的应用。

3.1 系统需求说明
整个防盗认证的交互流程具体步骤如下：

1.PEPS发起认证
PEPS将按照设定的规则发起认证。当PEPS未发起防盗认证时，密文的信号数值处于特定的默认状态，即所有信号的数值都为255。当PEPS需要发起防盗认证时，密文的信号数值都设为0，表示请求进行防盗认证。

2.VCU生成随机数并发起认证
在接收到PEPS的认证请求后，VCU会根据设定的算法生成8个0 - 255之间的随机数。这些随机数将作为加密的基础数据，确保每一次加密过程的随机性和安全性。生成随机数后，VCU会通过报文发送给PEPS。

3.PEPS加密并反馈密文
PEPS在收到VCU发送的随机数后，会调用与VCU相同的加密算法对收到的随机数进行加密处理。加密完成后，PEPS会将生成的密文发送给VCU

4.VCU对比密文并判断认证结果
VCU在收到PEPS发送的密文后，会将其与自身根据相同加密算法生成的密文进行逐个字节的对比。如果两个密文的数值完全一致，则判定通过认证，VCU会通过防盗认证。如果密文不一致，则判定为密文不一致认证失败，并将失败原因标识为PEPS回复的密文错误。

5.超时处理
在VCU发出随机数后，会启动一个内部计时器，等待PEPS的反馈。如果在2s内没有收到PEPS反馈的密文，VCU会判断为PEPS超时回复，认证失败，并将失败原因标识为PEPS回复密文超时。
3.2 使用GCKontrol完成软件模型开发
使用GCKontrol分别完成VCU与PEPS功能的模型开发。
1.VCU功能模型，如图3.1。

图3.1 VCU防盗功能模块

在整个防盗认证过程中，VCU的防盗认证状态会根据不同的情况在多个状态之间进行跳转，如图3.2。VCU防盗认证过程具有以下状态：

（1）InitESKCheck：初始化ESK检查状态

（2）Standby：预备状态，等待PEPS发起防盗认证流程

（3）RandomNumGen：随机数生成状态，进入此状态生成随机数

（4）WaitAndCheck：等待检查状态，等待PEPS回复密文并对比密文

（5）Released：防盗认证成功解锁状态

（6）Locked_NoEskErr：未写入ESK码上锁状态

（7）Locked_SecretNumErr：PEPS回复密文错误上锁状态

（8）Locked_OverTimeErr：PEPS回复密文超时上锁状态

图3.2 VCU防盗认证状态跳转逻辑

对于随机数生成算法与加密算法，可以选择通过C-Code模块调用自定义的C代码，如图3.3。C-Code模块支持用户将C/C++代码导入，并支持C/C++代码对第三方库或依赖的调用，提高了系统建模的灵活性、通用性、扩展性。

图3.3 VCU生成密文模块

2.PEPS功能模型，如图3.4

PEPS需要发起认证流程，并在收到VCU发出的随机数后对其进行加密生成密文。

图3.4 GCKontrol搭建PEPS系统

3.3 跨平台FMU导出
在GCKontrol导出界面中，分别将VCU与PEPS的软件模型配置好FMU名称、导出路径、模块参数等，导出FMU文件，如图3.5。

图3.5 GCKontrol中FMU导出界面

3.4 使用GCAir完成系统集成测试
在GCAir中可进行防盗系统的模型库管理、架构设计、模型接口定义及管理、故障配置等操作，以实现防盗系统仿真模型的集成仿真。基于防盗系统架构，在GCAir中构建防盗系统模型，如图3.6。导入对应的FMU后，创建CAN总线报文和信号，以此实现VCU和PEPS之间防盗认证功能的交互逻辑的仿真。

图3.6 GCAir模型
 

3.5 系统集成测试
TestManager工具是一款基于GCAir仿真平台的自动化测试工具，可以实现测试用例的编写，执行测试用例，收集并分析测试用例的仿真结果。在GCAir中完成系统集成后，可使用TestManager进行系统集成测试。
本案例以创建Python脚本的方式编写测试用例，具体步骤如下：

1.设置自定义变量，与工程变量关联。python变量类型Input，关联GCA模型的输出量，作为Python脚本的输入。python变量类型Output，关联GCA模型的输入量，是Python脚本的输出量，如图3.7。

图3.7 自定义Python变量

2.用例参数设计，在Python脚本中定义的Parameter变量，可以配置此测试用例参数的取值，如图3.8。本示例中使用到的参数包括：
（1）root.PEPS_bIMMOStart，取值0表示不发起防盗认证，取值1表示发起防盗认证；

（2）root.imf_bESKWriten，取值0表示VCU未写入ESK码，取值1表示VCU已写入ESK码；

（3）root.icpeps_bReplace，取值0表示VCU采用PEPS发出的总线信号，取值1表示VCU内部使用替代值替代PEPS发出的总线信号；

图3.8 用例参数设计

3.创建python脚本，添加测试步骤，如图3.9。

图3.9 创建python脚本

4.设置曲线观测信号变化，测试仿真完成后会在曲线界面上显示仿真结果。

5.编写好测试用例后，通过“开始”按钮测试所有用例，可以在TestManager界面上看到所有用例的测试结果，如图3.10。

图3.10 TestManager测试界面

四、总结

世冠科技GCKontrol与GCAir在汽车ECU协同开发中优势显著。针对多ECU交互的复杂系统，它能提升跨团队软件开发与验证效率。各团队完成功能软件模型开发后，借助跨平台FMU，在GCAir组合成完整系统仿真模型，对软件功能、交互逻辑和通讯矩阵进行复合验证，可提前发现并拦截软件缺陷，有效避免传统开发后期问题集中爆发的情况，大幅缩短开发迭代周期，为汽车ECU开发提供高效、可靠且质量有保障的协同开发方案。