車載網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用自動化設(shè)計與合成工具

在模擬CAN總線數(shù)據(jù)路徑時，需要考慮到傳輸開始時的不確定性。可能出現(xiàn)的情況是，更高優(yōu)先級的信息占用數(shù)據(jù)總線，從而造成傳輸延遲。因此要找出造成延遲變化的抖動因素——通常要提前知道有多少優(yōu)先級較高的信號可能在總線上，這樣可以盡可能精確預(yù)測抖動因素。通過這些參數(shù)和進(jìn)行自動化設(shè)計規(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)計檢查可以通過。這是“最壞情況”的測試，設(shè)計人員要相信路徑延遲永遠(yuǎn)不會比這更糟，實際上會好很多。

圖3：VSA COM時序分析工具給出的典型時序報告，顯示DRC違規(guī)情況。

圖3給出了一個典型的時序報告，其中信號路徑違規(guī)以紅色突出顯示。整體的總線利用率顯示在表的頂部(3.69%)。

此外還可以模擬通過汽車網(wǎng)關(guān)的信號時序路徑預(yù)測。如果信號是通過網(wǎng)關(guān)自動發(fā)送，則需要采取最短的可用路徑，而時序路徑分析算法則需要有關(guān)信號路徑中所有ECU發(fā)送方和接收方的信息。有些網(wǎng)關(guān)可能僅供診斷，而通過這些網(wǎng)關(guān)的信號的優(yōu)先級可能較低。

汽車通信矩陣合成

汽車網(wǎng)絡(luò)時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(dǎo)所開發(fā)的設(shè)計工具解決方案可用于自動合成這個數(shù)據(jù)庫并按正確順序?qū)⑺胁煌男畔⒋虬蓭?p>AUTOSAR信號信息組合成協(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。對于CAN和LIN幀而言，每個幀都有一個PDU，但一個FlexRay幀可能含有多個信號PDU.

在FlexRay架構(gòu)中，時序是確定的，而設(shè)計人員主要面臨的不確定性就是幀打包和傳輸順序。汽車OEM廠商和設(shè)計人員要投入大量時間來測試汽車所有可能出現(xiàn)的情況，以確定最壞情況下的行為，并確保信息傳輸有較大的安全范圍。這意味著，為了確保較高的時序安全范圍，不能占用數(shù)據(jù)總線的全部容量。合成工具查找具有相似路徑以及對于在相似的幀時間空隙中進(jìn)行打包和安排有時序要求的信號，以此來優(yōu)化幀利用率。在使用明導(dǎo)的時序合成工具時，設(shè)計輸入將包括信號和PDU定義、幀的優(yōu)先級和有關(guān)可行的信號路徑的具體OEM設(shè)計決策。在生成完整的時序體系時要將這些都考慮進(jìn)去。

在安裝一個完全定義的通信體系時會面臨一個難題，即后續(xù)很難有架構(gòu)上的變化，并可能需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的重新設(shè)計，但傳輸?shù)母咚俸痛_定性等優(yōu)勢讓這種方法對FlexRay應(yīng)用形成了極大的吸引力，能夠確保汽車的對安全要求非常高的功能。用該合成工具重新建立更先進(jìn)的通信體系可以縮短修復(fù)周期。

總結(jié)

AUTOSAR提供了用于車載網(wǎng)絡(luò)和ECU設(shè)計的預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)方法。但設(shè)計人員在如何提高設(shè)計的效率和性能上仍面臨難題。通過使用設(shè)計自動化輔助工具來計算時序并生成車載通信體系，可以極大提升寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，同時保持汽車性能的安全范圍。隨著CAN、FlexRay和以太網(wǎng)融合復(fù)雜性的增加，使用自動化設(shè)計規(guī)則檢查和時序性能合成工具將有助于縮短設(shè)計時間，避免繁瑣的人工驗證過程。

自2003年組建以來，AUTOSAR(汽車開放系統(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)計方式。AUTOSAR提出了一個符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，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)器可讀的格式來交換設(shè)計信息。

一輛汽車的不同部分對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)來連接豪華汽車上最多100個不同的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)。如果靠手動來管理這些ECU之間數(shù)以千計的信息和交互操作是不可能的，因此汽車設(shè)計人員必然用自動化設(shè)計和合成工具來預(yù)測網(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/視聽信號和汽車環(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”，這些集群通過通信“網(wǎng)關(guān)”相連。集群通常會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)，但要求沒那么高的門鎖ECU可以由CAN或LIN來負(fù)責(zé)。ECU網(wǎng)關(guān)往往要連接不同類型的信號，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)方案的特點及應(yīng)用請見表1.

表1：汽車網(wǎng)絡(luò)總線。

網(wǎng)絡(luò)時序分析

接下來讓我們詳細(xì)討論CAN和FlexRay網(wǎng)絡(luò)的時序分析。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，能夠相對容易地將新的ECU接收器節(jié)點添加到現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)中，而不對現(xiàn)有的ECU節(jié)點做出大的硬件或軟件改動。對汽車設(shè)計人員而言，這可以極大地幫助他們擴(kuò)大或升級現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或設(shè)計出新的變體車型。

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

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