以太網(wǎng)在汽車行業(yè)中的挑戰(zhàn)

1、以太網(wǎng)在汽車行業(yè)中的挑戰(zhàn)今年，以太網(wǎng)將會(huì)在一批新車型中作為一個(gè)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，包括：CAN、FlexRay、LIN和 MOST網(wǎng)絡(luò)。目前，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。 今年，以太網(wǎng)將會(huì)在一批新車型中作為一個(gè)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，包括：CAN、FlexRay、LIN和 MOST網(wǎng)絡(luò)。目前，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。但就車載以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，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)

2、要求。因此，迫切需要一些開發(fā)和測(cè)試工具，來(lái)分析和測(cè)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，這些研發(fā)工具的特殊具體技術(shù)要求是什么?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， 100MBits/s速率傳輸影音數(shù)據(jù)。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。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)，到2015年應(yīng)用到汽車的娛樂(lè)和輔助駕駛系統(tǒng)。部分OEM廠商預(yù)測(cè)，最早2018年以太網(wǎng)將成為關(guān)鍵汽車技術(shù)2。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、可擴(kuò)展性、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

3、)。更為重要的是，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(cè)試解決方案的挑戰(zhàn)以太網(wǎng)在汽車上的應(yīng)用，需要開發(fā)人員和測(cè)試工程師在技術(shù)上全新規(guī)劃。首先，必須獲取一個(gè)清晰的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(圖2)。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，主網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再是一個(gè)總線系統(tǒng)，而是使用全雙工連接的交互式網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)，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，圖1)。對(duì)于新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析能力的需求也在增長(zhǎng)，比如開放者希望通過(guò)主網(wǎng)絡(luò)同時(shí)分析所有的傳輸數(shù)據(jù)，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、C、D分支)。 圖

4、1 借鑒通用辦公以太網(wǎng)UDP、TCP/IP，定義了滿足汽車應(yīng)用的以太網(wǎng)協(xié)議，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、合理的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)處理巨大的數(shù)據(jù)。過(guò)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(wèn)題。適合此需求的物理層千兆以太網(wǎng)雙絞線，已在開發(fā)中。最小化接口對(duì)系統(tǒng)性能的影響不同于普通總線系統(tǒng)，以太網(wǎng)測(cè)試必須采取特殊方式避免對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。一方面，開發(fā)者必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期考慮測(cè)試的可行性。另一方面，以太網(wǎng)測(cè)試工具必須最小化測(cè)試接口對(duì)系統(tǒng)的影響。下面是對(duì)分析和測(cè)試所列出的各種測(cè)量步驟;并對(duì)測(cè)試過(guò)程中的不良影響做了解釋，及如何最小化這些不良

5、影響。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(gè)端口作為監(jiān)測(cè)端口。所有交換機(jī)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到這個(gè)監(jiān)測(cè)端口上，這提供了接收的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)在時(shí)間上，沒(méi)有一個(gè)共同的時(shí)間參考。除此之外，只有有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)端口上，這使得錯(cuò)誤分析變得困難。此外，成本原因，產(chǎn)品化的交換機(jī)上沒(méi)有預(yù)留額外的監(jiān)測(cè)端口。 圖2 未來(lái)的汽車上IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了能夠分析以太網(wǎng)所有的數(shù)據(jù)，分析軟件必須能夠同步訪問(wèn)所有以太網(wǎng)路徑。如果交換機(jī)上沒(méi)有預(yù)留額外的端口可用，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接中可以插入一個(gè)額外的交換機(jī)。該交換機(jī)的插入可使數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中添加一個(gè)動(dòng)態(tài)延時(shí)。滿足ABV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)是帶

6、有時(shí)間同步的，而該動(dòng)態(tài)延時(shí)擾亂了AVB網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。對(duì)于這個(gè)測(cè)量設(shè)置，可用使用IT領(lǐng)域里常用的工具和交換機(jī)。然而，對(duì)于在汽車領(lǐng)域里逐漸廣泛應(yīng)用的BroadRReach網(wǎng)絡(luò)，需要執(zhí)行一個(gè)影音以太網(wǎng)向標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的(IEEE802.3)轉(zhuǎn)化。此外，從汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的角度看，這些傳統(tǒng)的以太網(wǎng)測(cè)量工具是孤立的測(cè)試解決方案，因?yàn)樗麄儧](méi)有把汽車上正在使用并尤為重要的總線系統(tǒng)測(cè)試考慮到內(nèi)。透明的以太網(wǎng)分析方法對(duì)于以太網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，盡可能的選用一個(gè)透明的方法，代替額外的交換機(jī)作為接口監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。其主要目的是避免由于時(shí)間延時(shí)的增加及對(duì)故障報(bào)文的過(guò)濾而產(chǎn)生的對(duì)系統(tǒng)的影響。這一問(wèn)題可以通過(guò)直接在以太網(wǎng)物理層獲取或捕捉物理電

7、平數(shù)據(jù)的TAP(Test Access Point)(圖3)測(cè)試避免。(圖4，Path1)。在該過(guò)程中，延遲時(shí)間不但短而且穩(wěn)定，這樣在分析AVB系統(tǒng)是非常有利的。另一透明的監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)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，可補(bǔ)償由于報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)間延時(shí)。無(wú)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)。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。這些時(shí)間戳必須是與其它接口同步的，因?yàn)閷?duì)網(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)。對(duì)于一個(gè)非激活狀態(tài)的接口必須是透明的，例如，硬件接口裝在車輛上，對(duì)車進(jìn)行試駕，這個(gè)硬件接口即便應(yīng)用程序不工作，也必須主動(dòng)切換到單機(jī)模式

8、下工作，否則行車過(guò)程中以太網(wǎng)通信將被打斷。帶有仿真的TAP在數(shù)據(jù)分析中，測(cè)試者需要通過(guò)有意的發(fā)送某些數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。純監(jiān)測(cè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)應(yīng)該越少越好。然而，這些測(cè)試報(bào)文不會(huì)直接通過(guò)物理層發(fā)送，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)流控制大量報(bào)文的發(fā)送。因此只能通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層來(lái)發(fā)送這些報(bào)文。這就伴隨這動(dòng)態(tài)延時(shí)的產(chǎn)生，該延時(shí)可通過(guò)通信協(xié)議來(lái)消除，如AVB協(xié)議。測(cè)試報(bào)文有兩種用途，其一是在正常通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送補(bǔ)充故障數(shù)據(jù)，來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)(圖4，path3)。這些數(shù)據(jù)也可以通過(guò)測(cè)試軟件發(fā)送，如 CANoe.IP，要么通過(guò)一個(gè)報(bào)文發(fā)生器來(lái)發(fā)送，該發(fā)生器在接口處可直接產(chǎn)生一個(gè)定義的總線負(fù)載(圖4，Path2)&

9、#160;圖3 網(wǎng)絡(luò)分析或殘余總線仿真的以太網(wǎng)接口的布線。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，對(duì)該網(wǎng)段上除該ECU之外的其余網(wǎng)絡(luò)的仿真是測(cè)試各種潛在問(wèn)題的靈活可行方法。首先，硬件測(cè)試是必須的，測(cè)試ECU能夠滿足接入任何高性能網(wǎng)絡(luò)。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，path4)。第三，軟件和硬件的結(jié)合必須接收打包數(shù)據(jù)，解壓數(shù)據(jù)，并且發(fā)送解壓數(shù)據(jù)。這就為ECU的測(cè)試提供了方法，測(cè)試包括ECU錯(cuò)誤處理能力，如協(xié)議錯(cuò)誤。接口/軟件靈活組合的重要性以太網(wǎng)測(cè)試環(huán)境(軟件/硬件)如何處理不同被測(cè)硬件和軟件的需求。為避免測(cè)試環(huán)境為不

10、同的測(cè)試設(shè)置更改接口，最好靈活作將一個(gè)TAP、轉(zhuǎn)換器、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(jiǎn)單情況，當(dāng)接口使用TAP時(shí)，TAP本身只能產(chǎn)生最小的，允許范圍內(nèi)的延時(shí)時(shí)間。 圖4 VN5610結(jié)合CANoe.IP/CANalyzer.IP，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過(guò)靈活配置，支持不同配置需求的以太網(wǎng)分析和測(cè)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，如BroadR-Reach, 快速以太網(wǎng), 千兆以太網(wǎng)及未來(lái)的 RTPGE等等。這就省掉了傳統(tǒng)方法中額外媒體轉(zhuǎn)換器的使用。? 對(duì)于試駕車輛，車上必須安裝接口，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)

11、。? 多包數(shù)據(jù)發(fā)生器的軟件及硬件質(zhì)量非常重要，因?yàn)槌司W(wǎng)絡(luò)分析，汽車開發(fā)也需要可控的激勵(lì)。? 與仿真軟件匹配的硬件接口必須允許真正的媒體訪問(wèn)一個(gè)甚至幾個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(剩余總線仿真)。? 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)，必須能夠同步各類總線系統(tǒng)的;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(guò)于簡(jiǎn)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。 Vector公司的以太網(wǎng)/CAN接口工具VN5600與CANoe.IP軟件是一個(gè)被無(wú)數(shù)實(shí)踐驗(yàn)證的強(qiáng)大的車載以太網(wǎng)仿真、測(cè)試、開發(fā)軟硬件組合工具。該解決方案已被部分整車廠和供應(yīng)商所使用。展望未來(lái)五到十年，汽車上將會(huì)出現(xiàn)更多不同類型網(wǎng)絡(luò)的集成。繼以太網(wǎng)在車載影音領(lǐng)域的應(yīng)用成熟之后，車載以太網(wǎng)將會(huì)應(yīng)用在汽車上的更多