基于服務(wù)的車載以太網(wǎng)研究與開發(fā)

郭燦 崔根群 唐風(fēng)敏

摘? 要： 隨著汽車功能的逐步增加，尤其是信息娛樂功能和智能駕駛輔助功能的增加，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)瓶頸，無法滿足汽車的發(fā)展需求，因此將車載以太網(wǎng)作為下一代網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點。車載以太網(wǎng)應(yīng)用層選用SOME/IP協(xié)議，開發(fā)基于服務(wù)的車載以太網(wǎng)總線通信協(xié)議;進行車載以太網(wǎng)軟件設(shè)計及硬件設(shè)計，搭建基于服務(wù)的車載以太網(wǎng)仿真系統(tǒng)，使用CANoe軟件進行仿真模擬實驗并進行測試實驗。結(jié)果表明，服務(wù)可以應(yīng)用到車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸中并且滿足SOME/IP報文的一致性測試。

關(guān)鍵詞： 車載以太網(wǎng); SOME/IP協(xié)議; CANoe; 服務(wù); 仿真實驗; 一致性測試

中圖分類號： TN915.02?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）05?0025?05

Research and development of service?based automotive Ethernet

GUO Can1， CUI Genqun1， TANG Fengmin2

（1. Hebei University of Technology， Tianjin 300310， China; 2. China Automotive Technology & Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： With the gradual increase of automobile functions， especially the information entertainment function and intelligent driving auxiliaryfunction， a bottleneck occur to the traditional automotive network technology， which cant meet the development demand of automobile. Therefore， automotive Ethernet will be taken as the next generation network， which has become a research focus in academia. In the application layer of automotive Ethernet， Scalable service?Oriented Middleware over IP （SOME/IP） protocolis selected to develop the communication protocol of service?based automotive Ethernet bus. The software design and hardware design of automotive Ethernet are performed， the simulation system of service?based automotive Ethernet is built， and the simulation experiment and test experiment are performed by CANoe software. The results show that the service can be applied to the network transmission of automotive Ethernet and satisfy the conformance test of SOME/IP message.

Keywords： automotive Ethernet; SOME/IP protocol; CANoe; service; simulation experiment; consistency test

0? 引? 言

現(xiàn)代汽車工業(yè)將嵌入式系統(tǒng)及電控單元（ECU）用于實現(xiàn)車輛控制及信息娛樂等功能，但是隨著汽車功能的大幅增加，電控單元也逐步增多，嵌入式系統(tǒng)的性能嚴重影響了整車的性能，汽車行業(yè)試圖開發(fā)全新高效的系統(tǒng)來提高性能。電控單元之間的傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)增加到非常龐大的范圍，汽車行業(yè)決定選用車載以太網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)，為電控單元提供更高的帶寬，從而解決這個問題。面向服務(wù)的體系架構(gòu)（Service?Oriented Architecture，SOA）在計算機行業(yè)已經(jīng)被證明是一種高效、靈活的高級別系統(tǒng)軟件設(shè)計架構(gòu)，車載以太網(wǎng)中期望獲取

SOA平臺提供的可擴展性和重用性，從而降低汽車系統(tǒng)開發(fā)的難度，因此選用SOME/IP協(xié)議（Scalable service?Oriented Middleware over IP，簡稱SOME/IP協(xié)議）作為車載以太網(wǎng)的上層協(xié)議。

文獻[1]分析了現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題，車載以太網(wǎng)的適用性，車載網(wǎng)絡(luò)的變化過程，車載以太網(wǎng)包括現(xiàn)有主流車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、車載以太網(wǎng)物理層技術(shù)、車載以太網(wǎng)鏈路層協(xié)議、車載以太網(wǎng)拓撲在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)。文獻[2]分析了車載電子領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了CAN總線協(xié)議，車載以太網(wǎng)協(xié)議，車載以太網(wǎng)協(xié)議的應(yīng)用，車載以太網(wǎng)的仿真系統(tǒng)搭建及驗證。文獻[3]描述了面向服務(wù)的架構(gòu)概述、Web服務(wù)相關(guān)規(guī)范、消息中間件，對面向SOA的消息中間件進行了分析，進行了面向SOA的消息中間件的總體設(shè)計及詳細設(shè)計，研究了面向SOA的消息中間件的應(yīng)用實例。但是還缺少將面向服務(wù)體系架構(gòu)引用到車載以太網(wǎng)上的相關(guān)文獻。

定義好SOME/IP報頭后需要依次定義傳輸層協(xié)議報頭、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議報頭、以太網(wǎng)報頭及以太網(wǎng)報尾。車載以太網(wǎng)幀中用戶數(shù)據(jù)范圍在1 500 B以內(nèi)，傳輸層協(xié)議包含TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，如圖5所示，傳輸層協(xié)議選用UDP協(xié)議，UDP協(xié)議既支持單播也支持組播。傳輸層幀格式需要定義UDP報頭，主要定義源端口和目標端口;網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為IP協(xié)議，包含IPv4和IPv6協(xié)議，IPv4協(xié)議共32位而IPv6協(xié)議有128位，本文選用IPv4協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層定義目標地址和源地址;以太網(wǎng)報頭主要定義MAC地址和VLAN，根據(jù)MAC地址將傳播形式劃分成單播、組播和廣播。

車載以太網(wǎng)收發(fā)器選型有TJA1100，BCM89810和BCM89811，本文選用恩智浦公司生產(chǎn)的芯片TJA1100來實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)傳輸，可以驗證車載以太網(wǎng)傳輸速度是否符合預(yù)期帶寬，相對于傳統(tǒng)百兆以太網(wǎng)更節(jié)約成本，增強了RMII接口或MII接口的輸出驅(qū)動強度，滿足EMC需求。車載以太網(wǎng)收發(fā)傳輸圖如圖6所示，傳輸距離最小是15 m。單對非屏蔽雙絞線及TJA1100車載以太網(wǎng)收發(fā)器的應(yīng)用使得汽車線束成本降低、減輕了汽車重量。

物理層選型為BroadR?Reach，100Base?TX/1000Base?T，本文選用非屏蔽雙絞線（UTP）傳輸，單對導(dǎo)線在BroadR?Reach網(wǎng)絡(luò)中可以全雙工傳輸數(shù)據(jù)，BroadR?Reach采用額定速率為100 Mb/s的銅纜，滿足汽車系統(tǒng)功能的需求。銅纜的衰減使用相對測量值來表示，衰減測量公式為：

[A（dB）=20×lg（V1V2）]

式中：[A]為衰減值;[V1]為輸入電壓;[V2]為輸出電壓;衰減量代表信號的丟失量，所以衰減值越低越好。6 dB的衰減量表示信號強度降低了約50%，20 dB的衰減量表示信號的電壓電平減少了10%，通過測試信號電壓電平來計算衰減量。

2.3? 模型仿真實驗

汽車行業(yè)使用總線描述文件如AUTOSAR XML（ARXML）格式或者現(xiàn)場總線交換（FIBEX）格式來解決不同軟件間的模型導(dǎo)入及導(dǎo)出。本文中車載以太網(wǎng)模型搭建與模型仿真使用的是不同的軟件，ARXML文件中包含車載以太網(wǎng)軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，通過ARXML文件將設(shè)計模型導(dǎo)入到仿真軟件CANoe中進行仿真實驗。仿真數(shù)據(jù)如圖7所示，包含4種服務(wù)，分別是：發(fā)現(xiàn)服務(wù)、提供服務(wù)、訂閱事件組和訂閱事件組反饋，提供服務(wù)及訂閱事件組反饋是由CAMF模塊發(fā)送，發(fā)現(xiàn)服務(wù)及訂閱事件組是由ADAS模塊發(fā)送。

2.4? 測試實驗驗證

SOME/IP測試平臺包含VN5640，VT系統(tǒng)和電腦。VN5640作為車載以太網(wǎng)接口收發(fā)車載以太網(wǎng)報文，VT是供電系統(tǒng)，負責(zé)給測試設(shè)備供電，電腦對測試樣件執(zhí)行測試數(shù)據(jù)軟件包。測試設(shè)備如圖8所示。

測試項目有協(xié)議版本測試、服務(wù)ID測試、接口版本測試、方法ID測試、報文類型測試、報文類型響應(yīng)測試、客戶端/會話端ID測試及用戶數(shù)據(jù)解析測試。

分別對服務(wù)發(fā)現(xiàn)報文、服務(wù)提供報文、訂閱事件組報文及訂閱事件組反饋報文進行測試，為保障所有測試項目都通過，需要測試4幀報文，每幀報文測試9個項目，共測試36個項目，測試結(jié)果如圖10所示。

3? 結(jié)? 語

以車載以太網(wǎng)為研究對象，選定了SOME/IP協(xié)議，定義SOME/IP報頭，實現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸。搭建基于服務(wù)的車載以太網(wǎng)模型，在軟件層定義服務(wù)、服務(wù)接口并建立服務(wù)軟件部件，將服務(wù)接口類型與服務(wù)軟件部件接口類型一一關(guān)聯(lián)。在軟件層實現(xiàn)服務(wù)后，進行網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計并將服務(wù)軟件部件關(guān)聯(lián)到硬件層電控單元上，將服務(wù)安裝到部件層;定義傳輸層報頭、網(wǎng)絡(luò)層報頭、以太網(wǎng)報頭及報尾;將基于服務(wù)的車載以太網(wǎng)模型以ARXML形式導(dǎo)出并導(dǎo)入到CANoe軟件中進行仿真實驗。

搭建SOME/IP測試平臺，測試協(xié)議版本、接口版本、方法ID、報文類型、報文類型響應(yīng)、客戶端/會話端ID及用戶數(shù)據(jù)解析，調(diào)試報文數(shù)據(jù)直至所有測試項目通過，從而保證服務(wù)在車載以太網(wǎng)中的有效傳輸。

注：本文通訊作者為崔根群。

參考文獻

[1] 呼布欽，秦貴和，劉穎，等.下一代汽車網(wǎng)絡(luò)：車載以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].計算機工程與應(yīng)用，2016，52（24）：29?36.

[2] 趙剛.基于車載以太網(wǎng)的協(xié)議研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 陶小麗.面向SOA的消息中間件的研究與實現(xiàn)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 鄭子健，張殿明，戎輝，等.車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互硬件設(shè)計[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（9）：48?50.

[5] 李巍，張麗靜，王燕芳.車載以太網(wǎng)技術(shù)及標準化[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016（6）：1?5.

[6] 晏欣煒，周奎，朱政澤，等.新能源汽車車內(nèi)實時以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（1）：4?7.

[7] 崔馨宇.車載以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（24）：156?157.

[8] Mash C.車載以太網(wǎng)為汽車網(wǎng)絡(luò)帶來根本性變革[J].汽車與配件，2018（8）：62?63.

[9] 李志濤.車載以太網(wǎng)的研究與分析[J].汽車電器，2018（3）：9?12.

[10] THIELE D， SCHLATOW J， AXER P， et al. Formal timing analysis of CAN?to?Ethernet gateway strategies in automotive networks [J]. Real?time systems， 2016，52（1）：88?112.

[11] NOACK D I A. Data under control challenges to be met during the migration to automotive Ethernet [J]. ATZelektronik worldwide， 2016，11（6）： 46?49.