上海(hai)2014年5月20日電(dian) /美通社/ -- 電(dian)子設(she)計(ji)自動化技術的(de)領導廠商 Mentor Graphics 近日發布一份題為《車載(zai)(zai)網(wang)(wang)絡：應用自動化設(she)計(ji)與合成工具(ju)》的(de)研(yan)究(jiu)報(bao)告。中文(wen)版的(de)報(bao)告全文(wen)可(ke)在 Mentor Graphics 的(de)官(guan)方網(wang)(wang)站閱讀和下載(zai)(zai)：。
報告作(zuo)者簡(jian)介
Andrew Patterson 任(ren)職明導嵌(qian)(qian)入式軟件事業部業務(wu)發(fa)展總監，專注于(yu)汽車市場。在加(jia)入明導之(zhi)前(qian)，Andrew 在設(she)計自動化市場上已有25年的經驗，主(zhu)要從(cong)事各(ge)類技術、汽車仿真模型(xing)開(kai)發(fa)，虛擬原型(xing)和(he)機電(dian)一體化。他目前(qian)在明導主(zhu)要采用 Linux 和(he) AUTOSAR 以及其(qi)他在各(ge)類專有硅(gui)基平臺上運行(xing)的系統來執行(xing)嵌(qian)(qian)入式軟件戰(zhan)略。Andrew 持有英國劍橋大學工程和(he)電(dian)氣(qi)科學碩士學位。
背景介紹
自(zi)2003年組建以來，AUTOSAR （汽(qi)車(che)開放系統(tong)架構）聯盟(meng)一(yi)直(zhi)致力于(yu)改變車(che)載網(wang)絡和電子控制單元 (ECU) 的(de)設計方式。AUTOSAR 提出了(le)(le)一(yi)個(ge)符合業(ye)界標準(zhun)的(de)車(che)載網(wang)絡設計方法，使行業(ye)能(neng)夠集成、交(jiao)換(huan)和傳(chuan)輸汽(qi)車(che)網(wang)絡內的(de)功能(neng)、數(shu)據和信息(xi)。這(zhe)一(yi)標準(zhun)極大地促進了(le)(le)汽(qi)車(che)原(yuan)始(shi)設備制造商 (OEM) 及其(qi)一(yi)級供應(ying)商之(zhi)間的(de)合作，使他們能(neng)夠以一(yi)種一(yi)致、明確(que)且機器可讀(du)的(de)格式來交(jiao)換(huan)設計信息(xi)。
全文要點與大綱如下：
一輛典型的現代化汽(qi)車(che)(che)將同(tong)時裝(zhuang)配各類總線和(he)(he)協議并從 LIN、CAN、FlexRay、MOST 和(he)(he)以太網中選擇合(he)適的網絡。多媒體(ti)/視聽信號和(he)(he)汽(qi)車(che)(che)環繞攝像系統需要更高的數(shu)據速率，因此汽(qi)車(che)(che)制造商(shang)和(he)(he) OEM 廠(chang)商(shang)在網絡解決(jue)方案上選擇用以太網代替 MOST。但對于許多標(biao)準汽(qi)車(che)(che)功(gong)能而言，LIN 和(he)(he) CAN 提供的帶寬與性能就足夠(gou)了。
在汽車(che)架構(gou)中，ECU 組(zu)合(he)在一起(qi)形成“集群(qun)”，這些集群(qun)通過通信“網關”相連。集群(qun)通常會共享同一類型(xing)的(de)總(zong)線，因此要達到高(gao)可靠性(xing)、高(gao)速(su)率的(de)標(biao)準，就(jiu)要采用(yong) FlexRay 網絡(luo)，但要求沒那么高(gao)的(de)門鎖 ECU 可以由 CAN 或 LIN 來負責。ECU 網關往(wang)往(wang)要連接不(bu)同類型(xing)的(de)信號(hao)，并執行不(bu)同總(zong)線架構(gou)之(zhi)間的(de)映射和轉換功(gong)能。汽車(che)行業對不(bu)斷提(ti)高(gao)安全性(xing)和 ISO26262等標(biao)準的(de)合(he)規(gui)性(xing)提(ti)出強烈需(xu)求，進而提(ti)升了車(che)載網絡(luo)的(de)性(xing)能，同時也降低了制造和元件(jian)成本。不(bu)斷進步的(de)網絡(luo)標(biao)準可以適(shi)應越來越高(gao)的(de)數據傳輸速(su)率，汽車(che)電纜也達到了安全且低成本的(de)目標(biao)。典(dian)型(xing)汽車(che)網絡(luo)方案的(de)特點及應用(yong)請見表1。
| 總線 | CAN | LIN | FLEXRAY | MOST | 以太網 |
| 速度 | 較高1000 kbps（千位/秒） | 較高19.2 kbps | 10 Mbps（兆位/秒） | 較高23 Mbps | 高達Gbps（千兆位/秒） |
| 電纜類型 | 雙絞線，5V | 單線，12V | 2或4條線 | 光纜/同軸電纜 | 一條或多條雙絞線 |
| 成本 | $$ | $ | $$$ | $$$$ | $$ |
| 應用 | 防抱死制動系統 (ABS)、動力總成 (Powertrain)、發動機控制 | 電動座椅、后視鏡、尾門 | 轉向、循跡控制、主動懸架 | 媒體播放器、信息娛樂系統 | 網絡攝像頭、雷達、信息娛樂系統 |
表1：汽車網絡總線
接下來讓我們詳(xiang)細(xi)討(tao)論 CAN 和 FlexRay 網絡的(de)時(shi)序分析(xi)。了解這(zhe)兩種類(lei)型(xing)網絡的(de)基本特征和差異(yi)是非常有(you)用的(de)。
模擬(ni)汽(qi)(qi)車(che)網絡時序的(de)(de)(de)第一(yi)步是準確定義 ECU 之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)連接。AUTOSAR 提出的(de)(de)(de)軟件方法將(jiang)所有(you)汽(qi)(qi)車(che)功(gong)(gong)能定義成軟件組(zu)件的(de)(de)(de)集合(he)并映射到物理 ECU 硬件上。一(yi)個(ge) ECU 可能有(you)幾個(ge)功(gong)(gong)能，而內部信號則(ze)在(zai)它們之(zhi)(zhi)間傳(chuan)遞(di)。一(yi)旦定義了連接，設計中每個(ge)對(dui)象的(de)(de)(de)時序參數（如果(guo)是已知的(de)(de)(de)）都可以被(bei)定義。時序信息(xi)有(you)多個(ge)外部來源(yuan)；被(bei)廣泛使用的(de)(de)(de)汽(qi)(qi)車(che)標(biao)準是 FIBEX -- 由自動化及測(ce)量系統(tong)標(biao)準化協會 (ASAM) 定義的(de)(de)(de)一(yi)種基于 XML 的(de)(de)(de)標(biao)準化文(wen)件格式。
示例系(xi)統(tong)的(de)物理路徑請見圖1和圖2。制動(dong)位監控(kong)器模(mo)(mo)塊與控(kong)制器 ECU 相連，轉而又連接到(dao)執行(xing)器上。在每個(ge)模(mo)(mo)塊內部，各(ge)個(ge)軟件組件也對延(yan)遲造成影(ying)響。我們將(jiang)著眼于這些組件對整體系(xi)統(tong)延(yan)遲的(de)影(ying)響。
| 活動 | 參考編號 | AUTOSAR軟件活動 |
| 發送方 | 1 | 制動監視器發出信號 |
| 2 | 應用軟件將信號寫入通信棧 | |
| 通信路徑 | 3 | 信號在通信棧中做好通過 CAN 總線進行傳輸的準備 |
| 4 | CAN 控制器贏得總線仲裁來發送信息幀 | |
| 5 | 信息幀通過 CAN 總線傳輸 | |
| 6 | 制動控制器 BSW 和 CAN 協議棧接收信息幀 | |
| 7 | 通過 BSW 中的幀處理來提取信號 | |
| 接收方 | 8 | 信號傳遞至制動控制器 ECU |
表2：AUTOSAR 制動示例的傳輸步驟
在表2提供的示例中，端至端信號路徑最長可允許100ms。從實際測量結果中我們得知，發送方需要5ms，而接收方需10ms，因此通信路徑延遲(chi)較(jiao)高(gao)可允許85ms。
如(ru)(ru)果使用先進的(de) AUTOSAR 組件編輯器，如(ru)(ru)明導(dao)的(de) VSA COM Designer 工具，可(ke)以輸入路徑中每個(ge)組件的(de)時序(xu)信(xin)息，但這也是(shi)一(yi)項艱巨的(de)任務。另一(yi)種方法是(shi)從外部(bu)數據庫導(dao)入時序(xu)和(he)連接信(xin)息。
在(zai)模擬 CAN 總(zong)線(xian)(xian)數(shu)據(ju)路徑時(shi)(shi)，需要考(kao)慮到傳輸開始(shi)時(shi)(shi)的(de)(de)不(bu)確定性。可(ke)能(neng)出(chu)現的(de)(de)情(qing)況是，更高優先級(ji)的(de)(de)信(xin)息占用數(shu)據(ju)總(zong)線(xian)(xian)，從(cong)而(er)造成傳輸延遲(chi)。因(yin)(yin)此(ci)要找出(chu)造成延遲(chi)變化的(de)(de)抖動(dong)因(yin)(yin)素 -- 通常要提前知道(dao)有多少(shao)優先級(ji)較(jiao)高的(de)(de)信(xin)號可(ke)能(neng)在(zai)總(zong)線(xian)(xian)上(shang)，這樣(yang)可(ke)以盡可(ke)能(neng)精確預(yu)測抖動(dong)因(yin)(yin)素。通過這些參數(shu)和進行(xing)自(zi)動(dong)化設(she)計規則(ze)檢查(cha) (DRC)，從(cong)第(3)步到第(7)步的(de)(de)較(jiao)大延遲(chi)為74.5毫秒(miao)，這樣(yang)的(de)(de)設(she)計檢查(cha)可(ke)以通過。這是“最壞(huai)情(qing)況”的(de)(de)測試，設(she)計人(ren)員要相信(xin)路徑延遲(chi)永遠(yuan)不(bu)會比這更糟，實際(ji)上(shang)會好很多。
圖3給(gei)出了一個典(dian)型(xing)的(de)時序報告，其(qi)中信號路徑違規以紅(hong)色突出顯示。整體的(de)總線利(li)用率顯示在表的(de)頂部（3.69%）。
汽車網絡時序(xu)安排的總(zong)體定義通常存(cun)儲(chu)在作為中央網關 ECU 一部(bu)分的“通信(xin)矩陣”中。明導所(suo)開(kai)發的設計工具解決方案可用于自動合成這個數(shu)據(ju)庫并(bing)按正確(que)順序(xu)將所(suo)有(you)不同的信(xin)息打包成幀。
AUTOSAR 信(xin)號信(xin)息組合(he)(he)成協議數據單(dan)(dan)元(yuan) (PDU)，然后這(zhe)些數據單(dan)(dan)元(yuan)再組合(he)(he)成傳輸幀。對于 CAN 和(he) LIN 幀而(er)言，每個幀都有一(yi)個 PDU，但一(yi)個 FlexRay 幀可能含有多(duo)個信(xin)號 PDU。
在安裝一個完全(quan)定(ding)(ding)義(yi)的(de)(de)通信體系(xi)時會面(mian)臨(lin)一個難(nan)題(ti)，即后續很難(nan)有架(jia)構上的(de)(de)變(bian)化(hua)，并可能需要對網絡(luo)進行全(quan)面(mian)的(de)(de)重新設計，但傳輸(shu)的(de)(de)高(gao)速(su)和確定(ding)(ding)性(xing)等優勢讓這種方法對 FlexRay 應用形成了極大(da)的(de)(de)吸引力，能夠確保汽車的(de)(de)對安全(quan)要求(qiu)非常(chang)高(gao)的(de)(de)功能。
結論
AUTOSAR 提(ti)供了(le)用(yong)于車載(zai)網絡(luo)和 ECU 設(she)(she)(she)(she)計的(de)(de)(de)預定(ding)義(yi)標準方法。但設(she)(she)(she)(she)計人(ren)(ren)員(yuan)在如何提(ti)高(gao)設(she)(she)(she)(she)計的(de)(de)(de)效率和性(xing)能(neng)上仍(reng)面臨難題。通(tong)過使用(yong)設(she)(she)(she)(she)計自動(dong)化輔(fu)助工具來計算時(shi)序并生成車載(zai)通(tong)信體系，可以(yi)極大提(ti)升寶貴的(de)(de)(de)網絡(luo)帶寬的(de)(de)(de)利用(yong)率，同時(shi)保(bao)持(chi)汽車性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)安全范圍。隨著 CAN、FlexRay 和以(yi)太網融合(he)(he)復雜性(xing)的(de)(de)(de)增加，使用(yong)自動(dong)化設(she)(she)(she)(she)計規則檢查和時(shi)序性(xing)能(neng)合(he)(he)成工具將有助于縮短(duan)設(she)(she)(she)(she)計時(shi)間，避(bi)免(mian)繁瑣的(de)(de)(de)人(ren)(ren)工驗證(zheng)過程。
