上海2014年5月20日電 /美通社/ -- 電子設計自動化技術的領導廠商 Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《車載網(wǎng)絡：應用自動化設計與合成工具》的研究報告。中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：http://automotive.cn.mentor.com/news-publications/mentor-vehicle-networking。
報告作者簡介
Andrew Patterson 任職明導嵌入式軟件事業(yè)部業(yè)務發(fā)展總監(jiān)，專注于汽車市場。在加入明導之前，Andrew 在設計自動化市場上已有25年的經(jīng)驗，主要從事各類技術、汽車仿真模型開發(fā)，虛擬原型和機電一體化。他目前在明導主要采用 Linux 和 AUTOSAR 以及其他在各類專有硅基平臺上運行的系統(tǒng)來執(zhí)行嵌入式軟件戰(zhàn)略。Andrew 持有英國劍橋大學工程和電氣科學碩士學位。
背景介紹
自2003年組建以來，AUTOSAR （汽車開放系統(tǒng)架構）聯(lián)盟一直致力于改變車載網(wǎng)絡和電子控制單元 (ECU) 的設計方式。AUTOSAR 提出了一個符合業(yè)界標準的車載網(wǎng)絡設計方法，使行業(yè)能夠集成、交換和傳輸汽車網(wǎng)絡內(nèi)的功能、數(shù)據(jù)和信息。這一標準極大地促進了汽車原始設備制造商 (OEM) 及其一級供應商之間的合作，使他們能夠以一種一致、明確且機器可讀的格式來交換設計信息。
全文要點與大綱如下：
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。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)絡解決方案上選擇用以太網(wǎng)代替 MOST。但對于許多標準汽車功能而言，LIN 和 CAN 提供的帶寬與性能就足夠了。
在汽車架構中，ECU 組合在一起形成“集群”，這些集群通過通信“網(wǎng)關”相連。集群通常會共享同一類型的總線，因此要達到高可靠性、高速率的標準，就要采用 FlexRay 網(wǎng)絡，但要求沒那么高的門鎖 ECU 可以由 CAN 或 LIN 來負責。ECU 網(wǎng)關往往要連接不同類型的信號，并執(zhí)行不同總線架構之間的映射和轉換功能。汽車行業(yè)對不斷提高安全性和 ISO26262等標準的合規(guī)性提出強烈需求，進而提升了車載網(wǎng)絡的性能，同時也降低了制造和元件成本。不斷進步的網(wǎng)絡標準可以適應越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，汽車電纜也達到了安全且低成本的目標。典型汽車網(wǎng)絡方案的特點及應用請見表1。
| 總線 | CAN | LIN | FLEXRAY | MOST | 以太網(wǎng) |
| 速度 | 較高1000 kbps（千位/秒） | 較高19.2 kbps | 10 Mbps（兆位/秒） | 較高23 Mbps | 高達Gbps（千兆位/秒） |
| 電纜類型 | 雙絞線，5V | 單線，12V | 2或4條線 | 光纜/同軸電纜 | 一條或多條雙絞線 |
| 成本 | $$ | $ | $$$ | $$$$ | $$ |
| 應用 | 防抱死制動系統(tǒng) (ABS)、動力總成 (Powertrain)、發(fā)動機控制 | 電動座椅、后視鏡、尾門 | 轉向、循跡控制、主動懸架 | 媒體播放器、信息娛樂系統(tǒng) | 網(wǎng)絡攝像頭、雷達、信息娛樂系統(tǒng) |
表1：汽車網(wǎng)絡總線
接下來讓我們詳細討論 CAN 和 FlexRay 網(wǎng)絡的時序分析。了解這兩種類型網(wǎng)絡的基本特征和差異是非常有用的。
模擬汽車網(wǎng)絡時序的第一步是準確定義 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準是 FIBEX -- 由自動化及測量系統(tǒng)標準化協(xié)會 (ASAM) 定義的一種基于 XML 的標準化文件格式。
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。
| 活動 | 參考編號 | AUTOSAR軟件活動 |
| 發(fā)送方 | 1 | 制動監(jiān)視器發(fā)出信號 |
| 2 | 應用軟件將信號寫入通信棧 | |
| 通信路徑 | 3 | 信號在通信棧中做好通過 CAN 總線進行傳輸?shù)臏蕚?/td> |
| 4 | CAN 控制器贏得總線仲裁來發(fā)送信息幀 | |
| 5 | 信息幀通過 CAN 總線傳輸 | |
| 6 | 制動控制器 BSW 和 CAN 協(xié)議棧接收信息幀 | |
| 7 | 通過 BSW 中的幀處理來提取信號 | |
| 接收方 | 8 | 信號傳遞至制動控制器 ECU |
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，因此通信路徑延遲較高可允許85ms。
如果使用先進的 AUTOSAR 組件編輯器，如明導的 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。另一種方法是從外部數(shù)據(jù)庫導入時序和連接信息。
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?？赡艹霈F(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測抖動因素。通過這些參數(shù)和進行自動化設計規(guī)則檢查 (DRC)，從第(3)步到第(7)步的較大延遲為74.5毫秒，這樣的設計檢查可以通過。這是“最壞情況”的測試，設計人員要相信路徑延遲永遠不會比這更糟，實際上會好很多。
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%）。
汽車網(wǎng)絡時序安排的總體定義通常存儲在作為中央網(wǎng)關 ECU 一部分的“通信矩陣”中。明導所開發(fā)的設計工具解決方案可用于自動合成這個數(shù)據(jù)庫并按正確順序將所有不同的信息打包成幀。
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)很難有架構上的變化，并可能需要對網(wǎng)絡進行全面的重新設計，但傳輸?shù)母咚俸痛_定性等優(yōu)勢讓這種方法對 FlexRay 應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。
結論
AUTOSAR 提供了用于車載網(wǎng)絡和 ECU 設計的預定義標準方法。但設計人員在如何提高設計的效率和性能上仍面臨難題。通過使用設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)融合復雜性的增加，使用自動化設計規(guī)則檢查和時序性能合成工具將有助于縮短設計時間，避免繁瑣的人工驗證過程。
