車載網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)計(jì)與合成工具

自2003年組建以來(lái)，AUTOSAR(汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu))聯(lián)盟一直致力于改變車載網(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。

一輛汽車的不同部分對(duì)安全及性能有不同要求，而支持它們的車載網(wǎng)絡(luò)必須具備可預(yù)測(cè)的安全性能。隨著汽車技術(shù)的不斷演變，人們已經(jīng)可以用一系列總線技術(shù)來(lái)連接豪華汽車上最多100個(gè)不同的ECU，這些總線技術(shù)通常包括LIN、CAN、FlexRay、MOST和基于以太網(wǎng)的架構(gòu)。如果靠手動(dòng)來(lái)管理這些ECU之間數(shù)以千計(jì)的信息和交互操作是不可能的，因此汽車設(shè)計(jì)人員必然用自動(dòng)化設(shè)計(jì)和合成工具來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能和調(diào)整車載功能。

汽車數(shù)據(jù)總線

一輛典型的現(xiàn)代化汽車將同時(shí)裝配各類總線和協(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)和汽車環(huán)繞攝像系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)速率，因此汽車制造商和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)汽車功能而言，LIN和CAN提供的帶寬與性能就足夠了。

在汽車架構(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)共享同一類型的總線，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)往往要連接不同類型的信號(hào)，并執(zhí)行不同總線架構(gòu)之間的映射和轉(zhuǎn)換功能。汽車行業(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，汽車電纜也達(dá)到了安全且低成本的目標(biāo)。典型汽車網(wǎng)絡(luò)方案的特點(diǎn)及應(yīng)用請(qǐng)見(jiàn)表1.

表1：汽車網(wǎng)絡(luò)總線。

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。了解這兩種類型網(wǎng)絡(luò)的基本特征和差異是非常有用的。

CAN網(wǎng)絡(luò)：

CAN是使用較廣泛的一類車載網(wǎng)絡(luò)，以ISO 15765-2為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線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)出新的變體車型。

在CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換的不同類型信息的緊迫性相差很大。例如對(duì)于管理發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射的ECU而言，必須立即獲得發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)負(fù)載反饋，相比而言則不需要那么頻繁地獲知發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度等參數(shù)。

要傳輸?shù)男畔⒌膬?yōu)先級(jí)是由包含在每條信息中的“標(biāo)識(shí)符”決定的。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)就要確定傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，并且不能隨意改變。在CAN架構(gòu)中，總線訪問(wèn)爭(zhēng)用的問(wèn)題可以通過(guò)標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁來(lái)解決。CAN總線沒(méi)有主控器，因此連接至總線的所有ECU節(jié)點(diǎn)都需要接受網(wǎng)絡(luò)使用方面的仲裁。如果第一個(gè)位元是“0”，則這條信息優(yōu)先于其他信息。這就是所謂的“顯性”信息，如果第一個(gè)位元是“1”，則優(yōu)先級(jí)降低(“隱性”信息)。因此，最高優(yōu)先級(jí)的信息總能傳輸至預(yù)期的目標(biāo)地址，但優(yōu)先級(jí)較低的信息可能會(huì)暫時(shí)退出總線發(fā)送，直到總線空閑下來(lái)。只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，要發(fā)送較低優(yōu)先級(jí)的信息的ECU節(jié)點(diǎn)才會(huì)重新嘗試發(fā)送。CAN總線可以傳輸?shù)腅CU之間的信息大小最多為8個(gè)字節(jié)，而通過(guò)CAN發(fā)送的信號(hào)被打包成信息“幀”。

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1μs.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。

定義網(wǎng)絡(luò)時(shí)序

模擬汽車網(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。