Autosar以太網(wǎng)及SOME/IP實(shí)現(xiàn)?

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本文綜合自張弛Autosar以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

MICROSAR ETH 簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)即 ETH （Ethernet） 是 MICROSAR (*MICROSAR 是由Vector 開(kāi)發(fā)的一套符合 AUTOSAR 標(biāo) 準(zhǔn)的基礎(chǔ)軟件代碼包，包含了 MICROSAR.RTE 以及 MICRO- SAR.BSW，覆蓋了 AUTOSAR 的所有標(biāo)準(zhǔn)，還具有一些擴(kuò)展功能模塊，每一個(gè)AUTOSAR 的BSW 模塊都能對(duì)應(yīng)到具體的 MICROSAR 模塊。Vector DaVinci Configurator Pro 工具用于對(duì) MICROSAR 模塊進(jìn)行具體配置，并生成代碼。*)中的一個(gè) BSW 模塊，其概念是由 Xerox 公司創(chuàng)建并由 Xerox、Intel 和 DEC/' 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng) 采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 汽車以太網(wǎng)

圖2 以太網(wǎng)無(wú)線充電

以太網(wǎng)包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng) （10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和 10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。IEEE 組織的 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。圖3 Vector全棧解決方案 

AUTOSAR 對(duì)于車載以太網(wǎng)的架構(gòu)提出了新的解決方案，不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的 7 層 OSI 架構(gòu)模型，AUTOSAR 規(guī)范首次提出了一種適用于車載以太網(wǎng)的 TCP/IP 模型。如圖 4 所示，以太網(wǎng)在 OSI 七層模型定義于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，相對(duì)應(yīng)地在 TCP/IP 模型中處于網(wǎng)絡(luò)接口層。由于 OSl 七層模型對(duì)于車用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言過(guò)于復(fù)雜，而 AUTOSAR 使用的TCP/IP 模型更貼近實(shí)用，故其在車載以太網(wǎng)領(lǐng)域獲得了更廣泛的應(yīng)用。

圖4 OSI 模型與車載以太網(wǎng) TCP/IP 模型

在 TCP/IP 模型中，網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)被分為 4 層，其中應(yīng)用層是應(yīng)用程序訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的通道，常見(jiàn)FTP、HTTP、DNS 和TEL- NET 協(xié)議，AUTOSAR 內(nèi)還包含了 SOME/IP、DoIP 和 XCP 等 協(xié)議；傳輸層主要指的是 TCP 協(xié)議和 UDP 協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層包括 IP 協(xié)議，ARP、RARP 協(xié)議，ICMP 協(xié)議等；網(wǎng)絡(luò)接口層是 TCP/ IP 協(xié)議的基層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。

車載以太網(wǎng) SOME/IP 協(xié)議簡(jiǎn)介

SOME/IP（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP） 是車載以太網(wǎng)通信領(lǐng)域的一個(gè)概念，是一種位于應(yīng)用層的通信協(xié)議。在目前主流的以 CAN 總線為主的車載網(wǎng)絡(luò)中，通信過(guò)程是面向信號(hào)的（除了診斷通信之外），這是一種根據(jù)發(fā)送者需求實(shí)現(xiàn)的通信過(guò)程，當(dāng)發(fā)送者發(fā)現(xiàn)信號(hào)的值變化了或者到達(dá)預(yù)定的發(fā)送周期，就會(huì)向外發(fā)送該信號(hào)，而不考慮接收者是否有需求。而 SOME/IP 則不同，它是在接收方有需求的時(shí)候才發(fā)送，這種協(xié)議使得總線上不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多不必要的數(shù)據(jù)收發(fā)，從而有效地降低總線負(fù)載。在車載網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè) ECU 有時(shí)會(huì)需要調(diào)用實(shí)現(xiàn)在其他 ECU 上的服務(wù)，此時(shí)兩個(gè)ECU 就分別扮演了網(wǎng)絡(luò)通信中client 和 server 的角色，而 SOME/IP 就是實(shí)現(xiàn)這種遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用的接口，如圖 5 所示。

圖 5 SOME/IP 通信示意圖 

從圖 5 和圖 6 可以看出，SOME/IP 本質(zhì)上是構(gòu)架在傳輸層之上的應(yīng)用層通信協(xié)議，它是位于TCP/UDP 報(bào)文的Payload 部分內(nèi)的。

圖 6    SOME/IP報(bào)文位置

SOME/IP數(shù)據(jù)的 Header 部分的 Message Type  字段是 SOME/IP 功能實(shí)現(xiàn)的重要部分，其長(zhǎng)度為 8 bit，有以下五種取值：REQUEST（期待響應(yīng)的請(qǐng)求）、REQUEST_NO_RETURN （不期待響應(yīng)的請(qǐng)求）、NOTIFICATION     （事件通知）、RE- SPONSE（響應(yīng)消息）和 ERROR（報(bào)錯(cuò)消息）。

圖 7 SOME/IP 協(xié)議通信方法

 如圖 7 所示，當(dāng) ECU A 作為 Client 端對(duì) ECU B 的某個(gè)服務(wù)有需求時(shí)，發(fā)送一個(gè)Request 消息，之后ECU B 作為Ser- ver 端根據(jù)接收到的 Request 類型決定是否返回一個(gè) Re- sponse 消息。在二者經(jīng)過(guò)上述通信沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤后，首先由 Client 向 Server 訂閱服務(wù)內(nèi)容，然后 Server 向 Client 自動(dòng)發(fā) 布服務(wù)內(nèi)容。3 實(shí)現(xiàn)方法 MICROSAR ETH 模塊功能的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)上位機(jī)與單片機(jī)上的 ETH 模塊進(jìn)行信息交互，為了更好的進(jìn)行交互過(guò)程觀察和單片機(jī)上的變量觀察，本文使用德國(guó) Vector 公司的產(chǎn)品 VN5640 配合電腦上的 CANoe 軟件作為上位機(jī)。

圖 8 實(shí)現(xiàn)方法示意圖

在 MICROSAR 中，DaVinci 配置工具將以太網(wǎng)相關(guān)的配置內(nèi)容分為如圖 9 所示的多個(gè)分層模塊結(jié)構(gòu)。用戶需要自下而上進(jìn)行配置，即從底層的Eth 收發(fā)器、接口和驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始， 之后配置網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議 TCP/IP 模塊，配置對(duì) TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行封裝的SoAd 模塊，然后將其和信號(hào)相關(guān)的PduR、Com 模塊相互配合，最后和上層的 SOME/IP 協(xié)議應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。其設(shè)計(jì)路線與上文 MICROSAR 提出的車載以太網(wǎng) TCP/IP 模型結(jié)構(gòu)的順序基本符合。

圖 9 MICROSAR 配置工具的分層模塊架構(gòu)

 因此，本文采用的技術(shù)路線如下：（1）使用Vector DaVinci 開(kāi)發(fā)工具搭建操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)RTE、任務(wù)配置和運(yùn)行實(shí)體的映射，配置應(yīng)用層用于測(cè)試的簡(jiǎn)單應(yīng)用；
（2）配置 Eth/EthIf/EthTrcv 模塊，即以太網(wǎng)通信底層模塊，包括以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)收發(fā)器和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)配置；
（3）配置 TCP/IP 模塊，即以太網(wǎng)通信協(xié)議，對(duì)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行配置。
（4）配置 SoAd 模塊，每一條 TCP 連接通過(guò)一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，連接的兩個(gè)端點(diǎn)稱為一個(gè) Socket。其本質(zhì)是編程接口（API），即一種對(duì) TCP/IP 的封裝。
（5）配置信號(hào)定義（該步驟用于SOME/IP 通信），主要通過(guò)以太網(wǎng)描述文件(.arxml)完成，通過(guò) Com 相關(guān)模塊和 Pdu 相關(guān)模塊進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)其具體功能。
（6）在 Tasking 編譯器中集成靜態(tài)代碼以及配置工具生成 的代碼，生成可執(zhí)行文件；
（7）使用調(diào)試工具進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，使用 CANoe 對(duì)所需變量進(jìn)行觀測(cè)；
本文設(shè)計(jì)了如下方案以驗(yàn)證 ETH 基礎(chǔ)通信及 SOME/IP 通信的功能的正確性。在驗(yàn)證ETH 基礎(chǔ)通信功能時(shí)，如下圖所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)，即每當(dāng)單片機(jī)成功接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的以太網(wǎng)報(bào)文后，產(chǎn)生一個(gè)二類中斷。為了驗(yàn)證以太網(wǎng) 基礎(chǔ)通信在UDP 和TCP 兩種協(xié)議下均可正常工作，故設(shè)計(jì)適用于 UDP 和 TCP 兩種協(xié)議的中斷服務(wù)程序，在其內(nèi)部調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送函數(shù)SoAd_IfTransmit()，即當(dāng)單片機(jī)成功接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的以太網(wǎng)報(bào)文后，立刻向外發(fā)出一個(gè)以太網(wǎng)報(bào)文，本文設(shè)計(jì)發(fā)送內(nèi)容與接收到的數(shù)據(jù)一致，以此驗(yàn)證以太網(wǎng)基礎(chǔ)通信的收發(fā)功能。

圖 10 驗(yàn)證通信功能的中斷服務(wù)程序及任務(wù)的簡(jiǎn)單代碼 

在驗(yàn)證SOME/IP 通信功能時(shí)，如圖 10 所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含一個(gè)Runnable 的TASK，該Runnable 運(yùn)行周期為 20ms。在Runnable 外部預(yù)先定義兩個(gè)信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)向外發(fā)送的信號(hào) A 和單片機(jī)接收到的信號(hào) B。信號(hào) A 的數(shù)據(jù)為圖中的結(jié)構(gòu)體 aSOAData_RDA_HSC4_S00，而信號(hào) B 的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)為圖中的結(jié)構(gòu)體aSOAData_IECU_HSC4_RDA_FrP01。每當(dāng)單片機(jī)上的操作系統(tǒng)運(yùn)行 20ms，即進(jìn)行一次對(duì)信號(hào) B 的讀取和對(duì)信號(hào) A 的寫入并發(fā)送。通過(guò)觀察單片機(jī)是否正確接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào) B 數(shù)據(jù)，以及上位機(jī)是否正確接收單片機(jī)發(fā)出的信號(hào) A 數(shù)據(jù)，以此驗(yàn)證以太網(wǎng) SOME/IP 通信的收發(fā)功能。

測(cè)試與驗(yàn)證

測(cè)試與驗(yàn)證 本文測(cè)試硬件平臺(tái)為英飛凌公司生產(chǎn)的 Aurix TC397 單片機(jī)，通過(guò) Mini-Wiggler 與計(jì)算機(jī)上的 pls 公司的 UDE 調(diào)試軟件相連，另以德國(guó) Vector 公司生產(chǎn)的 VN5610 控制器作為測(cè)試上位機(jī)，配合該公司的 CANoe 軟件進(jìn)行測(cè)試。

圖 11 測(cè)試系統(tǒng)示意圖 

• ETH 基礎(chǔ)通信測(cè)試 

通過(guò)網(wǎng)線將 VN5610 與 TC397 單片機(jī)相連接，另一端通過(guò)數(shù)據(jù)線將 VN5610 與電腦相連接。保持單片機(jī)上的程序正常運(yùn)行，建立的 CANoe 工程，測(cè)試 UDP 與 TCP 協(xié)議通信，其中單片機(jī)的 IP 地址設(shè)置為 192.168.1.50，上位機(jī) CANoe 的 IP地址設(shè)置為 192.168.1.254，另外設(shè)置上位機(jī)的 UDP/TCP 報(bào)文以周期 1000ms 進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送的報(bào)文 Payload 部分內(nèi)容為十六進(jìn)制數(shù)值“112233445566778899AABB”。

圖 12 UDP Message 

在單片機(jī)運(yùn)行的程序中添加代碼，目的是使單片機(jī)收到上位機(jī)CANoe 發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，直接將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去， 即發(fā)回 CANoe。這樣只要分別對(duì)比在 UDP 與 TCP 協(xié)議下， 發(fā)送與接收到的 UDP/TCP 的 Payload 數(shù)據(jù)是否一致，以及 UDP/TCP 的Header 部分是否相互匹配，即可確認(rèn)以太網(wǎng)基礎(chǔ) 通信功能是否正常。點(diǎn)擊 CANoe 的運(yùn)行按鍵，在 Trace 窗口可以看到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀，Trace 結(jié)果的片段如下圖所示。在 Trace 窗口中點(diǎn)擊任意一幀接收?qǐng)?bào)文Rx，可以在Detail View 中查看UDP報(bào)文和 TCP 報(bào)文的詳細(xì)信息，從圖 13 中可以看到幀類型、物理地址、本地和目標(biāo)地址及其端口，在 UDP 與 TCP 下的 Pay- load 是主要的用戶數(shù)據(jù)。

圖 13 UDP 報(bào)文 Trace 

在 UDP 協(xié)議下，將 CANoe 接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文與之前預(yù)設(shè)在 CANoe 中發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩者的 Payload 部分相同，其他部分嚴(yán)格對(duì)應(yīng)無(wú)誤。在 UDP 協(xié)議下，將 CANoe 接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文與之前預(yù)設(shè)在 CANoe 中發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩者的 Payload 部分相同，其他部分嚴(yán)格對(duì)應(yīng)無(wú)誤。

圖 14 TCP 報(bào)文 Trace 

在 TCP 協(xié)議下，可以看出 TCP 協(xié)議特有的識(shí)別過(guò)程，首先進(jìn)行 ARP 協(xié)議傳輸，根據(jù) IP 地址解析 MAC 地址，之后是客戶端（CANoe）與服務(wù)端（TC397）建立連接的“三次握手”。與 UDP 協(xié)議不同的是，TCP 協(xié)議中的任何以此收發(fā)均會(huì)給對(duì)方產(chǎn)生一個(gè)反饋信息，由于在代碼中設(shè)置了將單片機(jī)收到的報(bào)文數(shù)據(jù)立刻發(fā)送出去，因此該報(bào)文數(shù)據(jù)會(huì)與反饋信息相結(jié)合形成一個(gè)報(bào)文，故在上位機(jī)中以此完整通信只收到一次 Rx 報(bào)文。將 CANoe 接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文與之前預(yù)設(shè)在 CANoe 中發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩者的Payload 部分相同， 其他部分嚴(yán)格對(duì)應(yīng)無(wú)誤。綜上所述，驗(yàn)證了以太網(wǎng)基礎(chǔ)通信功能的正確實(shí)現(xiàn)。

• 以太網(wǎng) SOME/IP 通信測(cè)試 

通過(guò)網(wǎng)線將 VN5610 與 TC397 單片機(jī)相連接，另一端通過(guò)數(shù)據(jù)線將 VN5610 與電腦相連接。首先測(cè)試從 TC397 單片機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，在代碼中聲明要發(fā)送的信號(hào)為如圖 10 所示結(jié)構(gòu)體 aSOAData_RDA_HSC4_S00，賦值為｛1，0，0，4｝。正常運(yùn)行單片機(jī)之后，可以在 UDE 調(diào)試器中通過(guò) Watches 窗口查看到代碼中設(shè)置好的信號(hào)的值。保持單片機(jī)上的程序正常運(yùn)行，建立 CANoe 工程。只要分別對(duì)比：（1）上位機(jī) CANoe 發(fā)送出的報(bào)文，即上述結(jié)構(gòu)體的值，是否被單片機(jī)正確接收，即單片機(jī)內(nèi)存中該結(jié)構(gòu)體的值與發(fā)送 報(bào)文的相應(yīng)值是否一致。（2）上位機(jī) CANoe 接收到的報(bào)文，即上述結(jié)構(gòu)體的值，是否與單片機(jī)發(fā)出的報(bào)文相應(yīng)值一致，即上位機(jī)中收到的數(shù)據(jù) 是否與單片機(jī)內(nèi)存中該結(jié)構(gòu)體的值一致。以及各自的 Header 部分是否相互匹配，即可確認(rèn)以太網(wǎng)SOME/IP 通信功能是否正常。

圖 15 SOME/IP 通信接收測(cè)試

 使用 CANoe 的 Trace 窗口觀測(cè)報(bào)文，和 UDE 調(diào)試器中看到的單片機(jī)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?？梢钥吹?CANoe 收到的信號(hào)中的結(jié)構(gòu)體與代碼中設(shè)置的名稱相同，數(shù)據(jù)｛1，0，0，4｝一致，報(bào)文其他部分互相對(duì)應(yīng)無(wú)誤。之后測(cè)試從上位機(jī)CANoe 向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在CANoe 中利用 CAPL 語(yǔ)言手寫代碼，聲明要發(fā)送的信號(hào)為如圖 10 所示結(jié)構(gòu)體 aSOAData_IECU_HSC4_RDA_FrP01，賦值為｛1， 34，51，68｝。正常運(yùn)行單片機(jī)和 CANoe 工程之后，可以在 CA- Noe 的 Trace 窗口查看在 CAPL 語(yǔ)言中設(shè)置好的信號(hào)的內(nèi)容。

圖 16 SOME/IP 通信發(fā)送測(cè)試

 使用 UDE 調(diào)試器的 Watches 窗口查看單片機(jī)收到的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，和 CANoe 中預(yù)設(shè)的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?？梢钥吹絾纹瑱C(jī)收到的信號(hào)中的結(jié)構(gòu)體與 CANoe 中設(shè)置的名稱相同，數(shù)據(jù)｛1，34，51，68｝一致，報(bào)文其他部分互相對(duì)應(yīng)無(wú)誤。綜上所述，驗(yàn)證了以太網(wǎng) SOME/IP 通信功能的正確實(shí)現(xiàn)。

小結(jié)

本文概述了 AUTOSAR 規(guī)范的架構(gòu)，基于該規(guī)范內(nèi)容 在 Aurix TC397 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了 ETH 基礎(chǔ)通信和 SOME/ IP 通信。本文為兩類通信模式分別設(shè)計(jì)了技術(shù)路線和測(cè)試方案，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了以太網(wǎng) TCP/UDP 基礎(chǔ)通信和SOME/IP 通信功能的正確性和有效性?；?AUTOSAR 的以太網(wǎng)通信軟件開(kāi)發(fā)可以為智能交通、ADAS 等領(lǐng)域的信息交互提供極大便利，具有廣闊的發(fā)展前途和極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。