探討AUTOSAR中信號(hào)通信的高級(jí)機(jī)制和術(shù)語(yǔ)

1 系列目標(biāo)

本系列文章的目的是解釋 AUTOSAR 系列中基于信號(hào)的通信的基本概念，但不深入 AUTOSAR 本身。當(dāng)我為一家 2 級(jí)汽車供應(yīng)商從事基于信號(hào)的通信項(xiàng)目時(shí)，我意識(shí)到我對(duì) AUTOSAR 的了解并不能幫助我順利開(kāi)始該項(xiàng)目。相反，自始至終，這是一段艱難的旅程，我通過(guò)翻閱來(lái)自組織內(nèi)部和外部的大量文件來(lái)了解車輛通信的細(xì)節(jié)。

大多數(shù)時(shí)候，我分散了必須處理的信息片段，卻不知道它與另一條信息之間的關(guān)系，以及當(dāng)信息穿過(guò) AUTOSAR 軟件組件的各個(gè)層時(shí)它如何影響其他東西。通過(guò)系列文章，我試圖帶來(lái)與車輛基于信號(hào)的通信概念相關(guān)的非常底層的信息。

本系列文章的目標(biāo)受眾是汽車軟件開(kāi)發(fā)人員，他們必須在經(jīng)典 AUTOSAR 框架內(nèi)處理車輛通信，并且需要對(duì)需要解析信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信的軟件組件進(jìn)行建?；蚴褂?，以將其稱為應(yīng)用軟件。祝讀者閱讀愉快。

2 簡(jiǎn)介

AUTOSAR（汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)）是領(lǐng)先的汽車制造商和供應(yīng)商的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)劃，成立于 2003 年秋季。目標(biāo)是開(kāi)發(fā) ECU 軟件的參考架構(gòu)，以管理現(xiàn)代車輛中日益復(fù)雜的 ECU。

AUTOSAR 體系結(jié)構(gòu)的基本元素包括正式定義的軟件組件 (SWC)，具有與基本軟件 (BSW) 的明確指定接口，進(jìn)而提供基本的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，例如總線通信、內(nèi)存管理、IO 訪問(wèn)、系統(tǒng)和診斷服務(wù)。

另一個(gè)基本元素是將 SWC 與 BSW 連接起來(lái)的運(yùn)行時(shí)環(huán)境 RTE。人們可能遇到的最高級(jí)別的分層架構(gòu)圖如下圖所示。



AUTOSAR 架構(gòu)中的重要層。

通過(guò)這樣的標(biāo)準(zhǔn)，汽車軟件社區(qū)的開(kāi)發(fā)人員在應(yīng)用層上競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化硬件及其接口，從而消除開(kāi)發(fā)硬件（例如 ECU）和后來(lái)可以運(yùn)行的應(yīng)用軟件的巨大成本在新硬件之上。

從車主的角度來(lái)看，他可以選擇從他選擇的供應(yīng)商處更換ECU，而不限于車輛公司指定的供應(yīng)商。

綠色的 BSW 層進(jìn)一步細(xì)分為 4 個(gè)重要的分層組件，即服務(wù)層、ECU 抽象層 (ECUAL)、微控制器抽象層 (MCAL) 和復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層



BSW 中的層。

BSW 中的每一層還包含標(biāo)準(zhǔn)化的軟件組件，這些組件為車輛的安全運(yùn)行提供關(guān)鍵功能。此類組件從最頂層開(kāi)始直接或通過(guò)其下層提供的通道與硬件交互。

BSW 中的組件。

3 BSW 內(nèi)部的通信架構(gòu)

我這篇文章的重點(diǎn)是AUTOSAR中基于信號(hào)的通信，其BSW層的相關(guān)組件在上圖中的黑框中突出顯示?？梢栽谙聢D中看到對(duì)這一層的仔細(xì)觀察。



AUTOSAR 中的通信層。

因此，從通信的角度來(lái)看，與 AUTOSAR 中的幾種通信機(jī)制（或汽車術(shù)語(yǔ)中的總線系統(tǒng)）相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序和接口，即以太網(wǎng)、FlexRay、CAN 和 LIN 可以在上圖中看到。

所有這些都將數(shù)據(jù)（此處的信號(hào)）傳遞到稱為 PDU 路由器的基本軟件組件，然后信號(hào)再次通過(guò) AUTOSAR COM 傳遞到 RTE，從 RTE 將信號(hào)發(fā)送到應(yīng)用層內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用軟件。

4 汽車中的總線系統(tǒng)

在不深入了解車輛通信協(xié)議在過(guò)去幾十年中如何演變的歷史細(xì)節(jié)的情況下，我想重點(diǎn)介紹廣泛用于車輛通信并受 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)支持的重要總線系統(tǒng)。

1.CAN或控制器局域網(wǎng)： 這個(gè)繁忙的系統(tǒng)由 Robert Bosch GmbH 在八十年代初開(kāi)發(fā)，并于 1994 年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化 (ISO 11898)。CAN 總線系統(tǒng)支持高達(dá) 1 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。

2.CAN FD或控制器局域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率： 這是 CAN 總線系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。它支持更高的數(shù)據(jù)速率（最大 8 Mbit/s）和多達(dá) 64 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

3.LIN或本地互連網(wǎng)絡(luò)： 專為汽車中智能傳感器和執(zhí)行器的經(jīng)濟(jì)高效通信而開(kāi)發(fā)。LIN 總線系統(tǒng)特性：主/從架構(gòu)（單主和多達(dá) 16 個(gè)從屬）、保證延遲時(shí)間、數(shù)據(jù)幀的可變長(zhǎng)度、配置靈活性等等。

4.FlexRay： 該總線系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為用于所有與安全相關(guān)的應(yīng)用程序以及在汽車中傳輸大量數(shù)據(jù)的總線系統(tǒng)。FlexRay 總線系統(tǒng)特性包括高達(dá) 10 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸、所有網(wǎng)絡(luò)的冗余實(shí)現(xiàn)、確定性傳輸行為。

5.以太網(wǎng)：這是我們都知道的術(shù)語(yǔ)，并且已經(jīng)過(guò)時(shí)了，由于其架構(gòu)的固有性質(zhì)，它很容易適應(yīng)車輛通信的需求。對(duì)于汽車應(yīng)用，使用以太網(wǎng)的特定標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3。它們的優(yōu)勢(shì)在于它們的大帶寬、網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性以及使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的通信協(xié)議。

5 AUTOSAR中對(duì)通信概念的需求

AUTOSAR 中對(duì)通信概念的需求源于這樣一個(gè)事實(shí)，即現(xiàn)代車輛依靠軟件來(lái)感知其內(nèi)部和外部環(huán)境并采取/計(jì)劃可能是先發(fā)制人的糾正措施或可能是駕駛員計(jì)劃的行動(dòng)過(guò)程或車輛本身。

由于我們正處于自動(dòng)駕駛汽車的風(fēng)口浪尖，而且汽車中的軟件都是針對(duì)自動(dòng)駕駛功能的，所以我會(huì)堅(jiān)持汽車可以在一定程度上控制自己的想法。 在任何情況下，車輛從傳感器收集的數(shù)據(jù)都必須在某處進(jìn)行處理，以便車輛可以決定需要采取什么行動(dòng)才能安全運(yùn)行并同時(shí)達(dá)到目標(biāo)，例如從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)。

在這一點(diǎn)上，我喜歡將自動(dòng)駕駛汽車與人體進(jìn)行類比： 車輛通信基礎(chǔ)設(shè)施與人類神經(jīng)系統(tǒng)的類比

1. 人體具有眼睛、鼻子、皮膚、觸覺(jué)和耳朵等形式的傳感器，用于感知外部環(huán)境，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央單元，即我們的大腦，稍后可以采取行動(dòng)向我們的身體部位發(fā)送信號(hào)的形式，例如手和腿向某個(gè)方向移動(dòng)。同樣，車輛具有雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器，它們可以感知外部環(huán)境，將信號(hào)發(fā)送到可以處理這些數(shù)據(jù)的 ECU。

2. 大腦還通過(guò)向身體的各個(gè)部位發(fā)送信號(hào)來(lái)控制身體內(nèi)部功能，例如消化食物、泵血、從血液中提取二氧化碳和許多其他功能，使我們能夠過(guò)上健康的生活，我們'不知道在我們的日常生活中。但是大腦能夠完成這些任務(wù)，因?yàn)樗哂猩窠?jīng)系統(tǒng)形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

同樣，車輛還需要執(zhí)行數(shù)百個(gè)基本功能以持續(xù)監(jiān)控其內(nèi)部環(huán)境，例如電池功耗、溫度以保持傳感器和 ECU 的安全運(yùn)行水平等等，并且必須根據(jù)數(shù)據(jù)做出有凝聚力的決策保持車輛健康用于故障安全操作（自動(dòng)駕駛汽車行業(yè)的流行詞）。為了實(shí)現(xiàn)這種連貫的功能，將所有傳感器信息傳送到中央單元或?qū)⑿畔⒎职l(fā)到不同的單元，車輛需要一個(gè)通信基礎(chǔ)設(shè)施，可以認(rèn)為傳感器通過(guò)電纜和電線連接到一個(gè)或多個(gè)處理 ECU。

為了標(biāo)準(zhǔn)化通信基礎(chǔ)設(shè)施的接口，需要一個(gè)通信概念，而 AUTOSAR 已經(jīng)成功地提出了一個(gè)。

6 通信在車輛中的工作原理

在非常普遍的意義上，車輛傳感器檢測(cè)到這些變化。傳感器在此過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是信號(hào)形式的原始數(shù)據(jù)。正是這個(gè)信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換為適合通過(guò)傳感器內(nèi)的較小 ECU 通過(guò)通信基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)男盘?hào)。然后該信號(hào)通過(guò)電纜和電線發(fā)送，也稱為物理通道， 分配給處理它的ECU。在 AUTOSAR 術(shù)語(yǔ)中，它通常稱為通信總線。ECU 在其硬件層中接收原始信號(hào)數(shù)據(jù)，并在 MCAL、HWAL、服務(wù)層中進(jìn)行處理，最后轉(zhuǎn)發(fā)到 AUTOSAR 運(yùn)行時(shí)環(huán)境 (AUTOSAR RTE)，然后再將其發(fā)送到運(yùn)行基于傳感器數(shù)據(jù)輸入的決策算法。如下圖所示。




AUTOSAR 中通信基礎(chǔ)設(shè)施的總體示意圖

在上圖中，已說(shuō)明了一般草圖。實(shí)際上，車輛可能不支持所有通信系統(tǒng)和協(xié)議。但是應(yīng)該帶走的信息是，通信發(fā)生在特定通道上，該通道旨在支持特定系統(tǒng)（LIN、CAN、FlexRay 或以太網(wǎng)）。

7 通信基礎(chǔ)設(shè)施

在第 5 節(jié)中，我介紹了通信基礎(chǔ)設(shè)施這一術(shù)語(yǔ)，它包含所有元素，包括高級(jí)和低級(jí)，可用于和定制以實(shí)現(xiàn)與依賴于車輛通信的通信和車輛服務(wù)相關(guān)的所需車輛功能。

在 AUTOSAR 中，通信基礎(chǔ)設(shè)施可以再次分解為高級(jí)元素，例如通信拓?fù)?，這只是意味著通信點(diǎn)的布局（請(qǐng)參閱本文以了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母攀觯┖陀?AUTOSAR 元素組成的通信控制，即通信集群，物理通道和控制通過(guò)車輛通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流的ECU 。

8 結(jié)論

在本文中，我深入探討了 AUTOSAR 中信號(hào)通信的高級(jí)機(jī)制和術(shù)語(yǔ)，并解釋了這些高級(jí)元素是如何組合在一起的。



審核編輯：劉清