車載網(wǎng)絡(luò)：CAN和FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序分析

汽車數(shù)據(jù)總線

一輛典型的現(xiàn)代化汽車將同時(shí)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(hào)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(duì)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(huì)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(hào)，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(duì)不斷提高安全性和 ISO26262等標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性提出強(qiáng)烈需求，進(jìn)而提升了車載網(wǎng)絡(luò)的性能，同時(shí)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(diǎn)及應(yīng)用請(qǐng)見表1。

表1：汽車網(wǎng)絡(luò)總線

網(wǎng)絡(luò)時(shí)序分析

接下來讓我們?cè)敿?xì)討論 CAN 和 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)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(yùn)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(duì)容易地將新的 ECU 接收器節(jié)點(diǎn)添加到現(xiàn)有的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，而不對(duì)現(xiàn)有的 ECU 節(jié)點(diǎn)做出大的硬件或軟件改動(dòng)。對(duì)汽車設(shè)計(jì)人員而言，這可以極大地幫助他們擴(kuò)大或升級(jí)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或設(shè)計(jì)出新的變體車型。

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1us。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)外部來源；被廣泛使用的汽車標(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。

制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)路徑概覽

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。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。

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%）。

汽車通信矩陣合成

汽車網(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，能夠確保汽車的對(duì)安全要求非常高的功能。

結(jié)論

AUTOSAR 提供了用于車載網(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。通過使用設(shè)計(jì)自動(dòng)化輔助工具來計(jì)算時(shí)序并生成車載通信體系，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)證過程。