【導讀】Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《車(chē)載網(wǎng)絡(luò )：應用自動(dòng)化設計與合成工具》的研究報告。本文將從汽車(chē)數據總線(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)方面為大家詳細介紹。
《車(chē)載網(wǎng)絡(luò )：應用自動(dòng)化設計與合成工具》的中文版報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載： http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-vehicle-networking 。
報告作者簡(jiǎn)介
Andrew Patterson 任職明導嵌入式軟件事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監，專(zhuān)注于汽車(chē)市場(chǎng)。在加入明導之前，Andrew 在設計自動(dòng)化市場(chǎng)上已有25年的經(jīng)驗，主要從事各類(lèi)技術(shù)、汽車(chē)仿真模型開(kāi)發(fā)，虛擬原型和機電一體化。他目前在明導主要采用 Linux 和 AUTOSAR 以及其他在各類(lèi)專(zhuān)有硅基平臺上運行的系統來(lái)執行嵌入式軟件戰略。Andrew 持有英國劍橋大學(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)放系統架構）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) 的設計方式。AUTOSAR 提出了一個(gè)符合業(yè)界標準的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )內的功能、數據和信息。這一標準極大地促進(jìn)了汽車(chē)原始設備制造商 (OEM) 及其一級供應商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機器可讀的格式來(lái)交換設計信息。
全文要點(diǎn)與大綱如下：
●汽車(chē)數據總線(xiàn)
一輛典型的現代化汽車(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)信號和汽車(chē)環(huán)繞攝像系統需要更高的數據速率，因此汽車(chē)制造商和 OEM 廠(chǎng)商在網(wǎng)絡(luò )解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替 MOST。但對于許多標準汽車(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)，因此要達到高可靠性、高速率的標準，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)負責。ECU 網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類(lèi)型的信號，并執行不同總線(xiàn)架構之間的映射和轉換功能。汽車(chē)行業(yè)對不斷提高安全性和 ISO26262等標準的合規性提出強烈需求，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 )標準可以適應越來(lái)越高的數據傳輸速率，汽車(chē)電纜也達到了安全且低成本的目標。典型汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )方案的特點(diǎn)及應用請見(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)讓我們詳細討論 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為運行標準。CAN 總線(xiàn)提供了高水平的系統靈活性，能夠相對容易地將新的 ECU 接收器節點(diǎn)添加到現有的 CAN 網(wǎng)絡(luò )中，而不對現有的 ECU 節點(diǎn)做出大的硬件或軟件改動(dòng)。對汽車(chē)設計人員而言，這可以極大地幫助他們擴大或升級現有網(wǎng)絡(luò )，或設計出新的變體車(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，讓信息可以在精確的時(shí)間框架內發(fā)送至目標地址 -- 可精確到1us。FlexRay 信息最多可達254個(gè)字節，因此需要在 ECU 之間進(jìn)行交換的復雜信息的容量很大。與 CAN 相比，FlexRay 的數據傳輸速率也更高。由于時(shí)序是預先確定的，信息的安排需要提前規劃好，一般由汽車(chē)OEM廠(chǎng)商或一級供應商合作伙伴預先配置或設計。在采用 CAN 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )中，ECU 節點(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)間幀可以減少錯誤和設計周期時(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，而內部信號則在它們之間傳遞。一旦定義了連接，設計中每個(gè)對象的時(shí)序參數（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)標準是 FIBEX -- 由自動(dòng)化及測量系統標準化協(xié)會(huì ) (ASAM) 定義的一種基于 XML 的標準化文件格式。
示例系統的物理路徑請見(jiàn)圖1和圖2。制動(dòng)位監控器模塊與控制器 ECU 相連，轉而又連接到執行器上。在每個(gè)模塊內部，各個(gè)軟件組件也對延遲造成影響。我們將著(zhù)眼于這些組件對整體系統延遲的影響。
圖1：制動(dòng)系統信號路徑概覽
圖2：采用 AUTOSAR 組件的制動(dòng)系統 -- 可定義詳細的時(shí)序參數
表2：AUTOSAR 制動(dòng)示例的傳輸步驟
在表2提供的示例中，端至端信號路徑最長(cháng)可允許100ms。從實(shí)際測量結果中我們得知，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，但這也是一項艱巨的任務(wù)。另一種方法是從外部數據庫導入時(shí)序和連接信息。
在模擬 CAN 總線(xiàn)數據路徑時(shí)，需要考慮到傳輸開(kāi)始時(shí)的不確定性?？赡艹霈F的情況是，更高優(yōu)先級的信息占用數據總線(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)先級較高的信號可能在總線(xiàn)上，這樣可以盡可能精確預測抖動(dòng)因素。通過(guò)這些參數和進(jìn)行自動(dòng)化設計規則檢查 (DRC)，從第(3)步到第(7)步的最大延遲為74.5毫秒，這樣的設計檢查可以通過(guò)。這是“最壞情況”的測試，設計人員要相信路徑延遲永遠不會(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)序報告，顯示 DRC 違規情況
圖3給出了一個(gè)典型的時(shí)序報告，其中信號路徑違規以紅色突出顯示。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在作為中央網(wǎng)關(guān) ECU 一部分的“通信矩陣”中。明導所開(kāi)發(fā)的設計工具解決方案可用于自動(dòng)合成這個(gè)數據庫并按正確順序將所有不同的信息打包成幀。
AUTOSAR 信號信息組合成協(xié)議數據單元 (PDU)，然后這些數據單元再組合成傳輸幀。對于 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 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，即后續很難有架構上的變化，并可能需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全面的重新設計，但傳輸的高速和確定性等優(yōu)勢讓這種方法對 FlexRay 應用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車(chē)的對安全要求非常高的功能。
結論
AUTOSAR 提供了用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )和 ECU 設計的預定義標準方法。但設計人員在如何提高設計的效率和性能上仍面臨難題。通過(guò)使用設計自動(dòng)化輔助工具來(lái)計算時(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(zhù) CAN、FlexRay 和以太網(wǎng)融合復雜性的增加，使用自動(dòng)化設計規則檢查和時(shí)序性能合成工具將有助于縮短設計時(shí)間，避免繁瑣的人工驗證過(guò)程。
