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

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(chē)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(chē)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(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(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(chē)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。

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(chē)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(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(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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(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。