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

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)動機燃料噴射的ECU而言，必須立即獲得發(fā)動機瞬時負(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”。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)：

FlexRay協(xié)議比CAN更具確定性。FlexRay是一種“時間觸發(fā)”協(xié)議，它提供不同選項，讓信息可以在精確的時間框架內(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廠商或一級供應(yīng)商合作伙伴預(yù)先配置或設(shè)計。在采用CAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，ECU節(jié)點只需要知道通信時的正確波特率，但FlexRay網(wǎng)絡(luò)上的ECU節(jié)點在通信時必須知道網(wǎng)絡(luò)各個部分是如何配置和連接的。檢查和驗證FlexRay網(wǎng)絡(luò)的時序比較耗時——因此，自動化的時序分析和將信息合成打包成時間幀可以減少錯誤和設(shè)計周期時間。

定義網(wǎng)絡(luò)時序

模擬汽車網(wǎng)絡(luò)時序的第一步是準(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ECU可能有幾個功能，而內(nèi)部信號則在它們之間傳遞。一旦定義了連接，設(shè)計中每個對象的時序參數(shù)(如果是已知的)都可以被定義。時序信息有多個外部來源;被廣泛使用的汽車標(biāo)準(zhǔn)是FIBEX——由自動化及測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ASAM)定義的一種基于XML的標(biāo)準(zhǔn)化文件格式。

示例系統(tǒng)的物理路徑請見圖1和圖2.制動位監(jiān)控器模塊與控制器ECU相連，轉(zhuǎn)而又連接到執(zhí)行器上。在每個模塊內(nèi)部，各個軟件組件也對延遲造成影響。我們將著眼于這些組件對整體系統(tǒng)延遲的影響。

圖1：制動系統(tǒng)信號路徑概覽。

圖2：采用AUTOSAR組件的制動系統(tǒng)——可定義詳細(xì)的時序參數(shù)。

表2：AUTOSAR制動示例的傳輸步驟。

在表2提供的示例中，端至端信號路徑最長可允許100ms.從實際測量結(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組件的時序信息，但這也是一項艱巨的任務(wù)。另一種方法是從外部數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入時序和連接信息。