【導(dǎo)讀】Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《車(chē)載網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)計(jì)與合成工具》的研究報(bào)告。本文將從汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)序分析、定義網(wǎng)絡(luò)時(shí)序、汽車(chē)通信矩陣合成這幾個(gè)方面為大家詳細(xì)介紹。
《車(chē)載網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)計(jì)與合成工具》的中文版報(bào)告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載： http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-vehicle-networking 。
報(bào)告作者簡(jiǎn)介
Andrew Patterson 任職明導(dǎo)嵌入式軟件事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)，專(zhuān)注于汽車(chē)市場(chǎng)。在加入明導(dǎo)之前，Andrew 在設(shè)計(jì)自動(dòng)化市場(chǎng)上已有25年的經(jīng)驗(yàn)，主要從事各類(lèi)技術(shù)、汽車(chē)仿真模型開(kāi)發(fā)，虛擬原型和機(jī)電一體化。他目前在明導(dǎo)主要采用 Linux 和 AUTOSAR 以及其他在各類(lèi)專(zhuān)有硅基平臺(tái)上運(yùn)行的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行嵌入式軟件戰(zhàn)略。Andrew 持有英國(guó)劍橋大學(xué)工程和電氣科學(xué)碩士學(xué)位。
背景介紹
自2003年組建以來(lái)，AUTOSAR （汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟一直致力于改變車(chē)載網(wǎng)絡(luò)和電子控制單元 (ECU) 的設(shè)計(jì)方式。AUTOSAR 提出了一個(gè)符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能、數(shù)據(jù)和信息。這一標(biāo)準(zhǔn)極大地促進(jìn)了汽車(chē)原始設(shè)備制造商 (OEM) 及其一級(jí)供應(yīng)商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機(jī)器可讀的格式來(lái)交換設(shè)計(jì)信息。
全文要點(diǎn)與大綱如下：
●汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)
一輛典型的現(xiàn)代化汽車(chē)將同時(shí)裝配各類(lèi)總線(xiàn)和協(xié)議并從 LIN、CAN、FlexRay、MOST 和以太網(wǎng)中選擇合適的網(wǎng)絡(luò)。多媒體/視聽(tīng)信號(hào)和汽車(chē)環(huán)繞攝像系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)速率，因此汽車(chē)制造商和 OEM 廠商在網(wǎng)絡(luò)解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替 MOST。但對(duì)于許多標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)功能而言，LIN 和 CAN 提供的帶寬與性能就足夠了。
在汽車(chē)架構(gòu)中，ECU 組合在一起形成“集群”，這些集群通過(guò)通信“網(wǎng)關(guān)”相連。集群通常會(huì)共享同一類(lèi)型的總線(xiàn)，因此要達(dá)到高可靠性、高速率的標(biāo)準(zhǔn)，就要采用 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)，但要求沒(méi)那么高的門(mén)鎖 ECU 可以由 CAN 或 LIN 來(lái)負(fù)責(zé)。ECU 網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類(lèi)型的信號(hào)，并執(zhí)行不同總線(xiàn)架構(gòu)之間的映射和轉(zhuǎn)換功能。汽車(chē)行業(yè)對(duì)不斷提高安全性和 ISO26262等標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性提出強(qiáng)烈需求，進(jìn)而提升了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的性能，同時(shí)也降低了制造和元件成本。不斷進(jìn)步的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)可以適應(yīng)越來(lái)越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，汽車(chē)電纜也達(dá)到了安全且低成本的目標(biāo)。典型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)方案的特點(diǎn)及應(yīng)用請(qǐng)見(jiàn)表1。
表1：汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)
●網(wǎng)絡(luò)時(shí)序分析
接下來(lái)讓我們?cè)敿?xì)討論 CAN 和 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序分析。了解這兩種類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)的基本特征和差異是非常有用的。
1、CAN 網(wǎng)絡(luò)：
CAN 是使用較廣泛的一類(lèi)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，以 ISO 15765-2為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。CAN 總線(xiàn)提供了高水平的系統(tǒng)靈活性，能夠相對(duì)容易地將新的 ECU 接收器節(jié)點(diǎn)添加到現(xiàn)有的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，而不對(duì)現(xiàn)有的 ECU 節(jié)點(diǎn)做出大的硬件或軟件改動(dòng)。對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)人員而言，這可以極大地幫助他們擴(kuò)大或升級(jí)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或設(shè)計(jì)出新的變體車(chē)型。
2、FlexRay 網(wǎng)絡(luò)：
FlexRay 協(xié)議比 CAN 更具確定性。FlexRay 是一種“時(shí)間觸發(fā)”協(xié)議，它提供不同選項(xiàng)，讓信息可以在精確的時(shí)間框架內(nèi)發(fā)送至目標(biāo)地址 -- 可精確到1us。FlexRay 信息最多可達(dá)254個(gè)字節(jié)，因此需要在 ECU 之間進(jìn)行交換的復(fù)雜信息的容量很大。與 CAN 相比，F(xiàn)lexRay 的數(shù)據(jù)傳輸速率也更高。由于時(shí)序是預(yù)先確定的，信息的安排需要提前規(guī)劃好，一般由汽車(chē)OEM廠商或一級(jí)供應(yīng)商合作伙伴預(yù)先配置或設(shè)計(jì)。在采用 CAN 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，ECU 節(jié)點(diǎn)只需要知道通信時(shí)的正確波特率，但 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)上的 ECU 節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)必須知道網(wǎng)絡(luò)各個(gè)部分是如何配置和連接的。檢查和驗(yàn)證 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序比較耗時(shí) -- 因此，自動(dòng)化的時(shí)序分析和將信息合成打包成時(shí)間幀可以減少錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)周期時(shí)間。
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●定義網(wǎng)絡(luò)時(shí)序
模擬汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序的第一步是準(zhǔn)確定義 ECU 之間的連接。AUTOSAR 提出的軟件方法將所有汽車(chē)功能定義成軟件組件的集合并映射到物理 ECU 硬件上。一個(gè) ECU 可能有幾個(gè)功能，而內(nèi)部信號(hào)則在它們之間傳遞。一旦定義了連接，設(shè)計(jì)中每個(gè)對(duì)象的時(shí)序參數(shù)（如果是已知的）都可以被定義。時(shí)序信息有多個(gè)外部來(lái)源；被廣泛使用的汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)是 FIBEX -- 由自動(dòng)化及測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì) (ASAM) 定義的一種基于 XML 的標(biāo)準(zhǔn)化文件格式。
示例系統(tǒng)的物理路徑請(qǐng)見(jiàn)圖1和圖2。制動(dòng)位監(jiān)控器模塊與控制器 ECU 相連，轉(zhuǎn)而又連接到執(zhí)行器上。在每個(gè)模塊內(nèi)部，各個(gè)軟件組件也對(duì)延遲造成影響。我們將著眼于這些組件對(duì)整體系統(tǒng)延遲的影響。
圖1：制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)路徑概覽
圖2：采用 AUTOSAR 組件的制動(dòng)系統(tǒng) -- 可定義詳細(xì)的時(shí)序參數(shù)
表2：AUTOSAR 制動(dòng)示例的傳輸步驟
在表2提供的示例中，端至端信號(hào)路徑最長(zhǎng)可允許100ms。從實(shí)際測(cè)量結(jié)果中我們得知，發(fā)送方需要5ms，而接收方需10ms，因此通信路徑延遲最高可允許85ms。
如果使用先進(jìn)的 AUTOSAR 組件編輯器，如明導(dǎo)的 VSA COM Designer 工具，可以輸入路徑中每個(gè)組件的時(shí)序信息，但這也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。另一種方法是從外部數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入時(shí)序和連接信息。
在模擬 CAN 總線(xiàn)數(shù)據(jù)路徑時(shí)，需要考慮到傳輸開(kāi)始時(shí)的不確定性。可能出現(xiàn)的情況是，更高優(yōu)先級(jí)的信息占用數(shù)據(jù)總線(xiàn)，從而造成傳輸延遲。因此要找出造成延遲變化的抖動(dòng)因素 -- 通常要提前知道有多少優(yōu)先級(jí)較高的信號(hào)可能在總線(xiàn)上，這樣可以盡可能精確預(yù)測(cè)抖動(dòng)因素。通過(guò)這些參數(shù)和進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC)，從第(3)步到第(7)步的最大延遲為74.5毫秒，這樣的設(shè)計(jì)檢查可以通過(guò)。這是“最壞情況”的測(cè)試，設(shè)計(jì)人員要相信路徑延遲永遠(yuǎn)不會(huì)比這更糟，實(shí)際上會(huì)好很多。
圖3：VSA COM 時(shí)序分析工具給出的典型時(shí)序報(bào)告，顯示 DRC 違規(guī)情況
圖3給出了一個(gè)典型的時(shí)序報(bào)告，其中信號(hào)路徑違規(guī)以紅色突出顯示。整體的總線(xiàn)利用率顯示在表的頂部（3.69%）。
●汽車(chē)通信矩陣合成
汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序安排的總體定義通常存儲(chǔ)在作為中央網(wǎng)關(guān) ECU 一部分的“通信矩陣”中。明導(dǎo)所開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)工具解決方案可用于自動(dòng)合成這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并按正確順序?qū)⑺胁煌男畔⒋虬蓭?/div>
AUTOSAR 信號(hào)信息組合成協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU)，然后這些數(shù)據(jù)單元再組合成傳輸幀。對(duì)于 CAN 和 LIN 幀而言，每個(gè)幀都有一個(gè) PDU，但一個(gè) FlexRay 幀可能含有多個(gè)信號(hào) PDU。
在安裝一個(gè)完全定義的通信體系時(shí)會(huì)面臨一個(gè)難題，即后續(xù)很難有架構(gòu)上的變化，并可能需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的重新設(shè)計(jì)，但傳輸?shù)母咚俸痛_定性等優(yōu)勢(shì)讓這種方法對(duì) FlexRay 應(yīng)用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車(chē)的對(duì)安全要求非常高的功能。
結(jié)論
AUTOSAR 提供了用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)和 ECU 設(shè)計(jì)的預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)方法。但設(shè)計(jì)人員在如何提高設(shè)計(jì)的效率和性能上仍面臨難題。通過(guò)使用設(shè)計(jì)自動(dòng)化輔助工具來(lái)計(jì)算時(shí)序并生成車(chē)載通信體系，可以極大提升寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，同時(shí)保持汽車(chē)性能的安全范圍。隨著 CAN、FlexRay 和以太網(wǎng)融合復(fù)雜性的增加，使用自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和時(shí)序性能合成工具將有助于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，避免繁瑣的人工驗(yàn)證過(guò)程。
