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Über dieses Buch

Dieses Fachbuch enthält die Grundlagen sowie zahlreiche Anregungen und praktische Beispiele zu Prozessen, Methoden und Werkzeugen, die zur sicheren Beherrschbarkeit von elektronischen Systemen und Software im Fahrzeug beitragen. Dabei werden der AUTOSAR-Standard und die Norm ISO 26 262 durchgehend behandelt. Die aktuelle Auflage berücksichtigt Elektro- und Hybridantriebskonzepte sowie Fahrerassistenzsysteme und enthält die Grundlagen zu Produktlinien- und Variantenmanagement.
Seit Anfang der 1970er Jahre ist die Entwicklung von Kraftfahrzeugen geprägt von einem rasanten Anstieg des Einsatzes von Elektronik und Software. Dieser Trend hält bis heute an und wird getrieben von steigenden Kunden- und Umweltanforderungen. Nahezu alle Funktionen des Fahrzeugs werden inzwischen elektronisch gesteuert, geregelt oder überwacht. Die Realisierung von Funktionen durch Software bietet einzigartige Freiheitsgrade beim Entwurf. In der Fahrzeugentwicklung müssen jedoch Randbedingungen wie hohe Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen, lange Produktlebenszyklen, begrenzte Kostenrahmen, kurze Entwicklungszeit und zunehmende Variantenvielfalt berücksichtigt werden. In diesem Spannungsfeld steht Automotive Software Engineering.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung und Überblick

Zusammenfassung
Die Erfüllung steigender Kundenansprüche und strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich
  • der Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen sowie
  • der Erhöhung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort
ist untrennbar mit dem Einzug der Elektronik in modernen Kraftfahrzeugen verbunden.
Das Automobil ist dadurch zum technisch komplexesten Konsumgut geworden. Die Anforderungen an die Automobilelektronik unterscheiden sich jedoch wesentlich von anderen Bereichen der Konsumgüterelektronik. Insbesondere hervorzuheben sind:
  • der Einsatz unter oft rauen und wechselnden Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperaturbereich, Feuchtigkeit, Erschütterungen oder hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV),
  • hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit,
  • hohe Anforderungen an die Sicherheit und
  • vergleichsweise sehr lange Produktlebenszyklen.
Diese Anforderungen müssen bei begrenzten Kosten, verkürzter Entwicklungszeit und zunehmender Variantenvielfalt in Produkte umgesetzt werden, die in sehr großen Stückzahlen hergestellt und gewartet werden können. Unter diesen Randbedingungen stellt die Umsetzung der zahlreichen Anforderungen an elektronische Systeme von Fahrzeugen eine Entwicklungsaufgabe von hohem Schwierigkeitsgrad dar.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

2. Grundlagen

Zusammenfassung
Die Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen – wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektronik und Software-Technik – ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Fahrzeugfunktionen, die sich insbesondere auch auf die Entwicklung von Software für elektronische Fahrzeugsysteme auswirkt. Hieran sind verschiedene Fachgebiete beteiligt, die oft simultan an unterschiedlichen Aufgabenstellungen arbeiten. Dies erfordert ein gemeinsames Problem- und Lösungsverständnis.
In diesem Kapitel erfolgt daher eine Einführung in die Fachgebiete, die wesentlichen Einfluss auf die Software als Subsystem haben. Dies betrifft vor allem die Entwicklung von steuerungs- und regelungstechnischen Systemen, von diskreten, eingebetteten Echtzeitsystemen sowie von verteilten und vernetzten, zuverlässigen und sicherheitsrelevanten Systemen.
Ziel ist die Funktionsweise und das Zusammenwirken der verschiedenen Software-Komponenten eines Mikrocontrollers, wie in Abb. 1.22 dargestellt, verständlich zu machen. Der Anspruch ist nicht die umfassende Behandlung der verschiedenen Gebiete, sondern die Darstellung von Grundlagen und Begriffen, soweit sie für die folgenden Kapitel notwendig sind.
Die gewählte Begriffswelt orientiert sich an den verbreiteten Standards und – soweit möglich und sinnvoll – an deutschen Begriffen. Die englischen Begriffe werden, wo es notwendig erscheint, in Klammern angegeben. Englisch-deutsche Wortzusammensetzungen werden mit Bindestrich geschrieben.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

3. Unterstützungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

Zusammenfassung
In diesem Kapitel stehen die Unterstützungsprozesse zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software im Mittelpunkt (Abb. 3.1). Zunächst werden einige bisher umgangssprachlich verwendete Systembegriffe genauer definiert. Es folgt ein Überblick über die Vorgehensweisen im Konfigurations-, Projekt-, Lieferanten- und Anforderungsmanagement sowie über die Qualitätssicherung. Diese Themengebiete werden dabei weitgehend unabhängig von der Software-Entwicklung behandelt. Dadurch können die vorgestellten Vorgehensweisen auf allen Systemebenen im Fahrzeug sowie für die Entwicklung von Sollwertgebern, Sensoren, Aktuatoren und Hardware, aber auch für die Software-Entwicklung eingesetzt werden.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

4. Kernprozess zur Entwicklung von elektronischen Systemen und Software

Zusammenfassung
Im Gegensatz zur Komponentenentwicklung zielt die Systementwicklung (engl. Systems Engineering) auf die Analyse und den Entwurf des Systems als Ganzes und nicht auf die Analyse und den Entwurf seiner Komponenten. Als Orientierung soll die folgende Definition für Systems Engineering dienen, die an die Definitionen in [14] und [72] angelehnt ist:
Systems Engineering ist die gezielte Anwendung von wissenschaftlichen und technischen Ressourcen:
  • Zur Transformation eines operationellen Bedürfnisses in die Beschreibung einer Systemkonfiguration unter bestmöglicher Berücksichtigung aller operativen Anforderungen und nach den Maßstäben der gebotenen Effektivität,
  • Zur Integration aller technischen Parameter und zur Sicherstellung der Kompatibilität aller physikalischen, funktionalen und technischen Schnittstellen in einer Art und Weise, so dass die gesamte Systemdefinition und der Systementwurf möglichst optimal werden,
  • Zur Integration der Beiträge aller Fachdisziplinen in einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

5. Methoden und Werkzeuge in der Entwicklung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Methoden und Werkzeuge zur durchgängigen Entwicklung von Fahrzeugfunktionen dargestellt, die durch Software realisiert werden. Dieses Kapitel orientiert sich an ausgewählten Prozessschritten nach Kap. 4. Die Auswahl umfasst Prozessschritte, die in der Entwicklung von Funktionen der Anwendungs-Software für elektronische Steuergeräte große Bedeutung haben oder Prozessschritte, welche die besonderen Anforderungen und Randbedingungen in der Fahrzeugentwicklung unterstützen.
In Abschn. 5.1 erfolgt zunächst ein Überblick über die unterschiedlichen Anforderungen und Möglichkeiten zur Realisierung der Offboard-Schnittstellen zwischen Entwicklungswerkzeugen und Steuergeräten. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Methoden und Werkzeuge dargestellt. Manche Methoden unterstützen mehrere Prozessschritte.
In der Entwicklung von Systemen und Software für Anwendungen mit hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen, wie sie im Fahrzeug häufig vorkommen, müssen in allen Phasen Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Systemen und Software getroffen werden. Diese Anforderung wurde deshalb in diesem Kapitel besonders berücksichtigt.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

6. Methoden und Werkzeuge in Produktion und Service

Zusammenfassung
Produktions- und Service-Werkzeuge unterstützen neben den klassischen Offboard-Diagnosefunktionen, wie in Abschn. 2.6.6 dargestellt, vielfach auch Funktionen zur Software-Parametrierung und zum Software-Update.
Im Vergleich zur Entwicklung müssen – insbesondere im Service – einige zusätzliche Anforderungen erfüllt werden. Dazu gehören beispielsweise Maßnahmen zum Manipulationsschutz und zur Datensicherheit, um aus Haftungsgründen unbefugten Zugriff auf Funktionen wie Software-Parametrierung und Software-Update zu verhindern.
Aus Kostengründen müssen im Service möglichst alle Funktionen der Werkzeuge ohne Ausbau des Seriensteuergeräts aus dem Fahrzeug möglich sein. Dies wird vielfach so gelöst, dass die Kommunikation zwischen Service-Werkzeugen und den Seriensteuergeräten im Fahrzeug einheitlich über die so genannte Offboard-Diagnoseschnittstelle des Fahrzeugs erfolgt, wie in Abb. 2.67 dargestellt. Eine weitere Randbedingung ist beim Software-Update im Service die Gewährleistung einer hohen Verfügbarkeit der Werkzeugfunktionen, so dass auch nach Fehlern oder Abbrüchen ein Ausbau des Steuergeräts nicht notwendig wird.
Standards für Kommunikationsprotokolle zwischen Werkzeugen und Steuergeräten – wie „Keyword Protocol 2000“ [24], „Unified Diagnostic Services“ [102] oder „Diagnostics on CAN“ [25] – und Standards für eine einheitliche Datenbasis für die Werkzeuge – wie ASAM-MCD [18] – lösen zunehmend spezifische Lösungen ab.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

7. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
Elektronische Systeme und Software sind ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Fahrzeuge geworden. Der Anteil der Fahrzeugfunktionen, die durch Software unterstützt werden, wird nach allen Voraussagen auch weiterhin wachsen. Der Beitrag, den Elektronik und Software zur besseren Energieeffizienz eines Fahrzeugs leisten können, ist größer denn je.
Für die Realisierung von Fahrzeugfunktionen durch elektronische Systeme und Software sind Grundkenntnisse verschiedener Fachgebiete notwendig. Die Einführung einer einheitlichen Gesamtsicht auf die Elektronik des Fahrzeugs sowie die Grundlagen von steuerungs- und regelungstechnischen Systemen, von Echtzeitsystemen, von verteilten, vernetzten Systemen, von zuverlässigen und sicherheitsrelevanten Systemen als auch eine grundlegende Einführung in das Produktlinien- und Variantenmanagement waren deshalb Schwerpunkte der Kap. 1 und 2.
Die Elektronik- und auch die Software-Entwicklung müssen als Fachdisziplinen innerhalb der Systementwicklung betrachtet werden. Das für die Hardware-Komponenten eines Fahrzeugs ausgeprägte Funktions-, System- und Komponentenverständnis muss deshalb auf die Software ausgedehnt werden. Zudem erfolgt die Entwicklung von Fahrzeugfunktionen verteilt über mehrere Abteilungen und Unternehmen. Dies führt zu einer arbeitsteiligen Entwicklung von Software, wobei verschiedene Entwicklungspartner einen Anteil in Form von Software-Komponenten, wie etwa ein Echtzeitbetriebssystem, liefern.
Jörg Schäuffele, Thomas Zurawka

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