以太網(wǎng)在汽車行業(yè)中的挑戰(zhàn)——靈活的接口及軟件使ECU開發(fā)不再復(fù)雜
以太網(wǎng)將會在一批新車型中作為一個車載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)使用。因此，下一步就是以太網(wǎng)和現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成且预，包括：CAN收奔、FlexRay、LIN和MOST網(wǎng)絡(luò)凡蜻。目前搭综，存在許多開發(fā)工具，可以幫助開發(fā)者完成不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)分析划栓。但就車載以太網(wǎng)來說兑巾，市面上只有分析普通辦公以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工具，這些工具卻不能滿足特殊物理層和IP協(xié)議層的車載以太網(wǎng)的技術(shù)要求忠荞。因此蒋歌，迫切需要一些開發(fā)和測試工具帅掘，來分析和測試現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及車載以太網(wǎng)系統(tǒng)。但是堂油，這些研發(fā)工具的特殊具體技術(shù)要求是什么修档？
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前言
目前在汽車上，最先進(jìn)的車載以太網(wǎng)技術(shù)是使用低廉的非屏蔽雙絞線府框， 100MBits/s速率傳輸影音數(shù)據(jù)吱窝。這一技術(shù)稱為BroadR-Reach技術(shù)，并被OPEN Alliance SIG聯(lián)盟[1]標(biāo)準(zhǔn)化迫靖。該聯(lián)盟的下一目標(biāo)是推廣以太網(wǎng)作為車載網(wǎng)絡(luò)院峡，到2015年應(yīng)用到汽車的娛樂和輔助駕駛系統(tǒng)。部分OEM廠商預(yù)測系宜，最早2018年以太網(wǎng)將成為關(guān)鍵汽車技術(shù)[2]照激。正如一些專業(yè)文章[3,4]報(bào)到的，以太網(wǎng)憑借其靈活性盹牧、可擴(kuò)展性俩垃、廉價(jià)性在汽車應(yīng)用中推廣，并定義了適用汽車應(yīng)用的以太網(wǎng)協(xié)議(圖1,[1])汰寓。更為重要的是口柳，以太網(wǎng)將IT技術(shù)引入到豐富成熟的汽車工業(yè)中。
車載以太網(wǎng)測試解決方案的挑戰(zhàn)
- 以太網(wǎng)在汽車上的應(yīng)用有滑，需要開發(fā)人員和測試工程師在技術(shù)上全新規(guī)劃啄清。首先，必須獲取一個清晰的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖2）俺孙。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中辣卒，主網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再是一個總線系統(tǒng)，而是使用全雙工連接的交互式網(wǎng)絡(luò)睛榄。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)荣茫，同步技術(shù)需要在物理層（OSI第一層）以上的高層協(xié)議上實(shí)現(xiàn)，例如AVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Audio Video Bridging场靴，圖1）啡莉。對于新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析能力的需求也在增長旨剥，比如開放者希望通過主網(wǎng)絡(luò)同時(shí)分析所有的傳輸數(shù)據(jù)咧欣，那么就要求主網(wǎng)絡(luò)可以同步所有分支網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（圖2中A、B轨帜、C魄咕、D分支）。
借鑒通用辦公以太網(wǎng)UDP蚌父、TCP/IP哮兰，定義了滿足汽車應(yīng)用的以太網(wǎng)協(xié)議毛萌，該協(xié)議已被ISO CD17215-1標(biāo)準(zhǔn)化
- 其次，開發(fā)人員必須找到新的喝滞、合理的數(shù)據(jù)處理方法來處理巨大的數(shù)據(jù)阁将。過快的傳輸速率（千兆每秒）加大了快速數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，開發(fā)商亟待解決這一問題右遭。適合此需求的物理層——千兆以太網(wǎng)雙絞線做盅，已在開發(fā)中。
最小化接口對系統(tǒng)性能的影響
不同于普通總線系統(tǒng)窘哈，以太網(wǎng)測試必須采取特殊方式避免對整個系統(tǒng)的影響言蛇。一方面，開發(fā)者必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期考慮測試的可行性宵距。另一方面，以太網(wǎng)測試工具必須最小化測試接口對系統(tǒng)的影響吨拗。下面是對分析和測試所列出的各種測量步驟满哪；并對測試過程中的不良影響做了解釋，及如何最小化這些不良影響劝篷。
以前解決方案的局限性
傳統(tǒng)分析以太網(wǎng)的方法是在以太網(wǎng)系統(tǒng)的交換機(jī)上使用一個端口作為監(jiān)測端口哨鸭。所有交換機(jī)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到這個監(jiān)測端口上，這提供了接收的數(shù)據(jù)娇妓，但這些數(shù)據(jù)在時(shí)間上像鸡，沒有一個共同的時(shí)間參考。除此之外哈恰，只有有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)端口上只估，這使得錯誤分析變得困難。此外着绷，成本原因蛔钙，產(chǎn)品化的交換機(jī)上沒有預(yù)留額外的監(jiān)測端口。
未來的汽車上IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)荠医。為了能夠分析以太網(wǎng)所有的數(shù)據(jù)吁脱，分析軟件必須能夠同步訪問所有以太網(wǎng)路徑。
如果交換機(jī)上沒有預(yù)留額外的端口可用彬向，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接中可以插入一個額外的交換機(jī)兼贡。該交換機(jī)的插入可使數(shù)據(jù)在傳輸過程中添加一個動態(tài)延時(shí)。滿足ABV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)是帶有時(shí)間同步的娃胆，而該動態(tài)延時(shí)擾亂了AVB網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步遍希。
對于這個測量設(shè)置，可用使用IT領(lǐng)域里常用的工具和交換機(jī)里烦。然而孵班，對于在汽車領(lǐng)域里逐漸廣泛應(yīng)用的BroadRReach網(wǎng)絡(luò)涉兽，需要執(zhí)行一個影音以太網(wǎng)向標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的（IEEE802.3）轉(zhuǎn)化。此外篙程，從汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的角度看枷畏，這些傳統(tǒng)的以太網(wǎng)測量工具是孤立的測試解決方案，因?yàn)樗麄儧]有把汽車上正在使用并尤為重要的總線系統(tǒng)測試考慮到內(nèi)虱饿。
透明的以太網(wǎng)分析方法
對于以太網(wǎng)的監(jiān)測拥诡，盡可能的選用一個透明的方法，代替額外的交換機(jī)作為接口監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)氮发。其主要目的是避免由于時(shí)間延時(shí)的增加及對故障報(bào)文的過濾而產(chǎn)生的對系統(tǒng)的影響渴肉。這一問題可以通過直接在以太網(wǎng)物理層獲取或捕捉物理電平數(shù)據(jù)的TAP（Test Access Point）（圖3）測試避免。（圖4爽冕，Path1）仇祭。在該過程中，延遲時(shí)間不但短而且穩(wěn)定颈畸，這樣在分析AVB系統(tǒng)是非常有利的乌奇。另一透明的監(jiān)測方法是通過使用支持AVB時(shí)間同步的交換機(jī)。該交換機(jī)支持AVB協(xié)議眯娱，可補(bǔ)償由于報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)間延時(shí)礁苗。
無論選擇哪種方法，目的是準(zhǔn)確分析帶有精確時(shí)間戳的報(bào)文數(shù)據(jù)徙缴。因此我們盡可能的獲取靠近物理層的數(shù)據(jù)是最可靠的试伙。這些時(shí)間戳必須是與其它接口同步的，因?yàn)閷W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析不只僅僅從以太網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)（圖2）于样。
對于一個非激活狀態(tài)的接口必須是透明的疏叨，例如，硬件接口裝在車輛上穿剖，對車進(jìn)行試駕考廉，這個硬件接口即便應(yīng)用程序不工作，也必須主動切換到單機(jī)模式下工作携御，否則行車過程中以太網(wǎng)通信將被打斷柑营。
帶有仿真的TAP
在數(shù)據(jù)分析中寇漫，測試者需要通過有意的發(fā)送某些數(shù)據(jù)報(bào)文來測試網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)务热。純監(jiān)測兩個節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)應(yīng)該越少越好焚辅。然而，這些測試報(bào)文不會直接通過物理層發(fā)送誓军，因?yàn)樾枰ㄟ^流控制大量報(bào)文的發(fā)送袱讹。因此只能通過數(shù)據(jù)鏈路層來發(fā)送這些報(bào)文。這就伴隨這動態(tài)延時(shí)的產(chǎn)生，該延時(shí)可通過通信協(xié)議來消除捷雕，如AVB協(xié)議椒丧。
測試報(bào)文有兩種用途，其一是在正常通信的兩個節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送補(bǔ)充故障數(shù)據(jù)救巷，來測試網(wǎng)絡(luò)（圖4壶熏，path3）。這些數(shù)據(jù)也可以通過測試軟件發(fā)送浦译，如CANoe.IP棒假，要么通過一個報(bào)文發(fā)生器來發(fā)送，該發(fā)生器在接口處可直接產(chǎn)生一個定義的總線負(fù)載（圖4精盅，Path2）
網(wǎng)絡(luò)分析或殘余總線仿真的以太網(wǎng)接口的布線帽哑。必須實(shí)現(xiàn)和常規(guī)汽車總線系統(tǒng)的同步
剩余總線仿真
在開發(fā)某一單獨(dú)ECU時(shí)，ECU集成到真實(shí)網(wǎng)絡(luò)之前叹俏，對該網(wǎng)段上除該ECU之外的其余網(wǎng)絡(luò)的仿真是測試各種潛在問題的靈活可行方法妻枕。首先，硬件測試是必須的粘驰，測試ECU能夠滿足接入任何高性能網(wǎng)絡(luò)屡谐。其次，應(yīng)用程序必須能夠正向記錄和向硬件發(fā)送數(shù)據(jù)（圖4晴氨，path4）。第三碉输，軟件和硬件的結(jié)合必須接收打包數(shù)據(jù)籽前，解壓數(shù)據(jù)，并且發(fā)送解壓數(shù)據(jù)敷钾。這就為ECU的測試提供了方法枝哄，測試包括ECU錯誤處理能力，如協(xié)議錯誤阻荒。
接口/軟件靈活組合的重要性
以太網(wǎng)測試環(huán)境（軟件/硬件）如何處理不同被測硬件和軟件的需求挠锥。為避免測試環(huán)境為不同的測試設(shè)置更改接口，最好靈活作將一個TAP侨赡、轉(zhuǎn)換器蓖租、或者帶其它功能的交換機(jī)做接口使用。這類接口應(yīng)該具備以下特性：
- 最簡單情況羊壹，當(dāng)接口使用TAP時(shí)蓖宦，TAP本身只能產(chǎn)生最小的，允許范圍內(nèi)的延時(shí)時(shí)間油猫。
VN5610結(jié)合CANoe.IP/CANalyzer.IP稠茂，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過靈活配置情妖，支持不同配置需求的以太網(wǎng)分析和測試
- 接口必須能在不同類型影音之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化睬关，如BroadR-Reach, 快速以太網(wǎng), 千兆以太網(wǎng)及未來的 RTPGE等等诱担。這就省掉了傳統(tǒng)方法中額外媒體轉(zhuǎn)換器的使用。
- 對于試駕車輛电爹，車上必須安裝接口蔫仙，且該接口不被使用時(shí)，不能干擾網(wǎng)絡(luò)的通信（單機(jī)模式）藐不。
- 多包數(shù)據(jù)發(fā)生器的軟件及硬件質(zhì)量非常重要匀哄，因?yàn)槌司W(wǎng)絡(luò)分析，汽車開發(fā)也需要可控的激勵雏蛮。
- 與仿真軟件匹配的硬件接口必須允許真正的媒體訪問一個甚至幾個虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（剩余總線仿真）涎嚼。
- 使用分析和仿真工具必須能夠分析和操作OSI協(xié)議參考模型的所有數(shù)據(jù)。
- 接口必須支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)挑秉，必須能夠同步各類總線系統(tǒng)的法梯；
從辦公通信領(lǐng)域與外部媒體轉(zhuǎn)換器組合使用的以太網(wǎng)分析工具的功能往往過于簡單。車載網(wǎng)絡(luò)工具的特定需求只能是專業(yè)的硬件配合專業(yè)的仿真分析軟件犀概。Vector公司的以太網(wǎng)/CAN接口工具VN5600與CANoe.IP軟件是一個被無數(shù)實(shí)踐驗(yàn)證的強(qiáng)大的車載以太網(wǎng)仿真立哑、測試、開發(fā)軟硬件組合工具姻灶。該解決方案已被部分整車廠和供應(yīng)商所使用铛绰。
展望
未來五到十年，汽車上將會出現(xiàn)更多不同類型網(wǎng)絡(luò)的集成产喉。繼以太網(wǎng)在車載影音領(lǐng)域的應(yīng)用成熟之后捂掰，車載以太網(wǎng)將會應(yīng)用在汽車上的更多領(lǐng)域，并會替換掉部分總線系統(tǒng)曾沈。以太網(wǎng)成為車載主網(wǎng)絡(luò)之后这嚣，以太網(wǎng)與IP技術(shù)將會滲透到汽車的更多其它技術(shù)應(yīng)用中。
多總線交互能力塞俱、殘余總線仿真姐帚、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱訒r(shí)將會是車載網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的重要因素。對于Vector障涯，在以太網(wǎng)及IP領(lǐng)域工具開發(fā)的下一目標(biāo)就是支持用戶在IP協(xié)議的所有層（圖1）實(shí)時(shí)查詢所有信號罐旗，并實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的通信。例如：通過AVB協(xié)議或部分IP協(xié)議唯蝶。
