使用虛擬原型評估基于MOST的先進駕駛輔助系統(tǒng)

高效的通信網(wǎng)絡(luò)是分布式先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的主要組成部分。分析在不同系統(tǒng)參數(shù)下的不同場景中的這類系統(tǒng)是一項非常復(fù)雜的任務(wù)。在早期設(shè)計階段評估關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)以實現(xiàn)最佳系統(tǒng)行為非常重要。本文將討論一種基于虛擬原型的評估架構(gòu)，它可以用來評估基于MOST的先進駕駛輔助系統(tǒng)。

汽車中先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的數(shù)量在不斷增加。這些系統(tǒng)處理來自多種傳感器的信息，比如雷達傳感器、攝像機或全球定位系統(tǒng)（GPS），然后為駕駛提供幫助。因為這些傳感器在全車各個地方都有分布，因此需要一個高效的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來共享不同ADAS之間的信息。另外，這些系統(tǒng)經(jīng)常要求諸如快速傅里葉變換或霍夫變換等處理算法。擁有一個專門的預(yù)處理節(jié)點執(zhí)行這種通用任務(wù)是有好處的，這種節(jié)點可以采用最優(yōu)化的硬件架構(gòu)。不過這會提高對分布式ADAS網(wǎng)絡(luò)的要求。通過優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)可以減少布線的數(shù)量。MOST通信網(wǎng)絡(luò)可以提供這類任務(wù)所需的許多功能。

MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供種類繁多的配置方案。為了找到最優(yōu)的解決方案，必須對這些方案進行評估，并且最好是在早期設(shè)計階段完成。為了支持這些評估，本文推薦一種基于虛擬原型的評估架構(gòu)。它能減少這種基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用的評估復(fù)雜性。

評估架構(gòu)——ADAS使用案例

本文討論的評估架構(gòu)支持功能和時序驗證、性能和可靠性分析，并支持設(shè)計空間開發(fā)。架構(gòu)的主要關(guān)注點之一是模塊化特性以及可用于分析各種不同系統(tǒng)方案的通用方法。基于虛擬原型的架構(gòu)是由眾多的基本模塊構(gòu)建的。這些模塊匯聚起來形成想要的系統(tǒng)，比如ADAS用例就是用大約150個模塊實例組裝而成的。功能提取如圖1所示。這種方案能夠方便地改變系統(tǒng)，例如只需用合適的模塊替換或擴展現(xiàn)有系統(tǒng)就能改變通信通道。借助這種方法可以很容易地使用已有的IP組件集成新的應(yīng)用。虛擬系統(tǒng)是用XML文件配置的，因此能夠在運行時期間方便地完成模塊的組裝和配置。


圖1：虛擬原型的模塊化結(jié)構(gòu)

分布式ADAS用例包含：

。兩個攝像機

。一個預(yù)處理器模塊

。一個圓周檢測模塊

。一個速度標(biāo)志分類模塊

。一個立體深度圖計算模塊

。一個人機界面（HMI）

系統(tǒng)包含兩個ADAS功能：立體深度圖（SDM）和交通標(biāo)志識別（TSR）。這兩個系統(tǒng)功能共享公共的攝像機和圖像預(yù)處理模塊。通信網(wǎng)絡(luò)必須轉(zhuǎn)發(fā)多種不同的圖像流，包括原始攝像圖像，預(yù)處理后的圖像，檢測到的圓周剪輯，立體深度圖或分類的速度值。根據(jù)模塊所發(fā)揮的作用，對基本通信網(wǎng)絡(luò)的要求是不同的。舉例來說，預(yù)處理模塊要求1至n的通信組合來應(yīng)對多個接收器。攝像機圖像流提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。另一方面，剪輯過的交通標(biāo)志以突發(fā)的方式出現(xiàn)。為了揭示這種通信技術(shù)的影響，需要詳細分析立體深度圖應(yīng)用的攝像機數(shù)據(jù)流。

通信技術(shù)對應(yīng)用的影響

立體深度圖的計算需要同步發(fā)送兩個預(yù)處理后的攝像機圖像。如果圖像沒有與諸如順序號等額外信息取得關(guān)聯(lián)，那么接收緩沖器就有必要包含連續(xù)同步的攝像機圖像。因此，通信網(wǎng)絡(luò)必須確保左右攝像機圖像在兩次順序讀取操作之間總能成對發(fā)送。不同種類的通信網(wǎng)絡(luò)可能會影響到這種行為。由于比如具有不確定性訪問行為的共享通信通道而存在置換的可能性。不同通道類型或通道的使用可能導(dǎo)致不同的時延，進而導(dǎo)致使用老的圖像實例。


圖2：左右攝像機圖像之間存在置換時的立體深度圖（a）沒有置換（b）一幀（c）兩幀（d）三幀置換

圖2顯示了左右攝像機圖像之間存在不同置換時的立體深度圖。近的物體顯示為從紅色開始的暖色調(diào)，遠的物體顯示為冷色調(diào)，如藍色。物體越近，顏色越暖，反之亦然。圖中的左上角是左右圖像同步的結(jié)果圖像。從圖中可以看到前面的樹（圖像的右邊角落）被很好地檢測到。在右上方的圖像中，左右攝像機之間引入了一幀的置換。深度信息沒有覆蓋完整的樹。在右下的圖像中，插入了三幀的置換。從圖中可以看到，樹幾乎沒有檢測出來，有關(guān)距離的信息也出現(xiàn)了差異。

MOST的同步通道是最適合完成上述任務(wù)的通道。它能提供具有確定性時延的非共享通道。由于是連續(xù)的圖像流，帶寬是一定要分配的。這種通道的最大好處是允許1至n的通信，因而預(yù)處理器件和HMI都能接收攝像機圖像，并利用深度信息計算重疊。

系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

可以根據(jù)實際使用情況用虛擬原型確定最優(yōu)的配置參數(shù)。ADAS場合中最重要的緩沖器位于MOST器件和應(yīng)用之間，如圖1所示。緩沖器被分為接收和發(fā)送緩沖器。接收緩沖器的使用被用作例子。模擬INIC基本行為的MOST數(shù)據(jù)處理器從MOST幀提取/向MOST幀寫入數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)每隔20.833？s存儲到接收緩沖器中。在應(yīng)用側(cè)，以應(yīng)用中斷速率讀取緩沖器。為了避免緩沖器溢出和隨之而來的數(shù)據(jù)丟失或重傳，必須平衡這些讀寫訪問。在虛擬原型中，可以很容易地監(jiān)視緩沖器的使用，例如使用不同的應(yīng)用中斷速率，或影響幀使用的各種業(yè)務(wù)情景。

數(shù)據(jù)包通道共享應(yīng)用的評估

虛擬原型的巨大潛力在于能夠分析依賴于各種參數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。評估架構(gòu)允許捕獲、監(jiān)視、比較和分析不同節(jié)點處的數(shù)據(jù)，如應(yīng)用發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理器，不同類型的緩沖器或MOST總線自身上的數(shù)據(jù)。用戶可以在配置文件中方便地定義數(shù)據(jù)訪問點，從而允許用戶分析整個系統(tǒng)行為。

下面的使用案例分析了共享數(shù)據(jù)包通道的兩個應(yīng)用的行為。在TSR場合，剪輯后的圖像通過數(shù)據(jù)包通道傳送，因為沒有必要采用固定的帶寬分配。這種場合可以評估額外連接的影響。第一個連接基于MOST高協(xié)議（MHP），第二個連接基于MOST以太網(wǎng)協(xié)議（MEP）之上的TCP/IP.MHP是通過封裝源自NetServices的協(xié)議實現(xiàn)的，TCP/IP協(xié)議則是通過封裝開源lwIP——輕量級TCP/IP棧實現(xiàn)的。


圖3：使用不同工具評估TCP/IP和MHP數(shù)據(jù)連接

圖3顯示了一個發(fā)送器和一個接收器場合下所產(chǎn)生的跟蹤數(shù)據(jù)的提取。最底下的圖顯示了共享接收緩沖器中的四次緩沖器溢出。倒數(shù)第二張圖顯示了以字節(jié)為單位的緩沖器使用情況。中間兩張圖分別顯示了用比如圓周檢測、（MHPOutNode01）發(fā)送的數(shù)據(jù)以及用比如接收器HMI（MHPInNode00）接收的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出由于緩沖器溢出而丟失了兩個消息（圖中用紅色圓圈標(biāo)志），并且MHP在塊末尾重傳了數(shù)據(jù)。為了驗證行為的正確性，可以用OptoLyzer工具套件額外地觀察MHP業(yè)務(wù)軌跡。如圖所示，MHP通過發(fā)送MultipleFramRequest來重傳0x02和0x09幀。

最上面兩張圖顯示了由MEP通信完成的數(shù)據(jù)交換。為了分析這些通信，使用了開源數(shù)據(jù)包分析儀Wireshark.在提交的使用案例中可以看出，TCP/IP重傳超時（由第三個緩沖器溢出引起的丟幀觸發(fā)）時間長度足夠MHP連接發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)集。這個簡單例子展示了如何使用評估架構(gòu)詳細地觀察系統(tǒng)行為。借助到已有分析工具的鏈接，可以實現(xiàn)虛擬原型方法的完整集成。

本文小結(jié)

上述ADAS例子表明，在系統(tǒng)設(shè)計期間必須確定各種系統(tǒng)參數(shù)。上述不同例子表明，虛擬原型能夠通過提供基于仿真的分析評估不同替代方案來支持各種決策。虛擬原型允許詳細的觀察系統(tǒng)行為。在已有分析工具的幫助下，可以分析在不同系統(tǒng)約束條件下的系統(tǒng)行為。在TSR和SDM情景分析中，使用到了MOST總線的諸多好處，比如在獨特的同步通道上以及在共享的數(shù)據(jù)包通道上并發(fā)傳送數(shù)據(jù)的能力，用一個發(fā)送器或集成額外通信協(xié)議（如TCP/IP）解決多個接收器的能力。