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

在模擬CAN總線數(shù)據(jù)路徑時(shí)，需要考慮到傳輸開(kāi)始時(shí)的不確定性?？赡艹霈F(xiàn)的情況是，更高優(yōu)先級(jí)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(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。整體的總線利用率顯示在表的頂部(3.69%)。

此外還可以模擬通過(guò)汽車網(wǎng)關(guān)的信號(hào)時(shí)序路徑預(yù)測(cè)。如果信號(hào)是通過(guò)網(wǎng)關(guān)自動(dòng)發(fā)送，則需要采取最短的可用路徑，而時(shí)序路徑分析算法則需要有關(guān)信號(hào)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(guò)這些網(wǎng)關(guān)的信號(hào)的優(yōu)先級(jí)可能較低。

汽車通信矩陣合成

汽車網(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?p>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FlexRay架構(gòu)中，時(shí)序是確定的，而設(shè)計(jì)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(jì)人員要投入大量時(shí)間來(lái)測(cè)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(shí)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(duì)于在相似的幀時(shí)間空隙中進(jìn)行打包和安排有時(shí)序要求的信號(hào)，以此來(lái)優(yōu)化幀利用率。在使用明導(dǎo)的時(shí)序合成工具時(shí)，設(shè)計(jì)輸入將包括信號(hào)和PDU定義、幀的優(yōu)先級(jí)和有關(guān)可行的信號(hào)路徑的具體OEM設(shè)計(jì)決策。在生成完整的時(shí)序體系時(shí)要將這些都考慮進(jìn)去。

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，能夠確保汽車的對(duì)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(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。

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”。