以太网技术在汽车网络中的发展

原文首发于公众号：车载诊断技术

首先，对于汽车而言，决定其整体功能的首要因素来源于市场，而非车载网络技术可以提供的功能。不过，一旦确定了汽车应具备的功能，接下来的重点就是车载网络技术啦！因为它决定了车辆的灵活性、可扩展性或分配功能的方法等重要性能。
本文将探讨汽车以太网技术可以为汽车系统带来那些机遇和变化。
系统开发过程概要
对于汽车行业，其开发流程遵循V循环（模型）



V模型曾经用来解释汽车制造商于Tier-1供应商的关系。
本文再以V模型为例，用于解释阴图以太网通信技术以来，汽车系统开发过程的变化。V模型的主要思想在于：
在开发中依据自上而下的顺序，而在测试过程中则从下至上进行测试（解释啊）。无论再开发还是测试过程中，每一个新的步骤都需要依据前一步的结论。再开发过程中，应基于需求规范，高覆盖度的提炼出测试规范，并基于测试规范编写高质量的测试用例。
对于车载网络而言，没有必要性将完整的汽车开发流程全部作为重点。相反，加强对电气和电子（E/E）架构的开发。开发汽车EE架构，即在满足成本和空间限制的条件下，实现车辆所需的所有功能（电气和电子功能，并且现如今这个比重在车辆研发过程中所占的比重越来越大）。如下图描述了V循环的各个元素，先介绍每一个元素的内容，再着重介绍汽车以太网影响的部分。

1、首先由产品管理和销售需求对EE系统提出新的需求，即新车型应具备的功能（包括不同车的特色功能和可由顾客作为选择购买的功能等）。这些要求将直接或间接地决定功能之间地相互依赖关系。
存在这种情况：
一些功能只有在客户同时购买了其他功能后才能具备。如后视摄像头。只有当顾客购买具有合适显示器地HU时，才能配备该选件。诸多因素导致汽车应该提供一些特定地功能。最重要也是首要任务时按照客户需求提供功能。次之则根据是否能盈利，是否达到图像要求、法律要求，或希望通过汽车销售地要求地安全等级等等，而不是具体功能。接下来研究该设计地可行性，加如此理想结果不可行，则需要对系统设计进行调整。

接下来开始定义EE架构，简而言之，就是系统工程师提出一个实施方案，来满足系统地需求。此时，设计者会将客户需求地功能拆分成一个个地功能实体——“function block”，由这些功能实体完成一部分功能，最终共同协作，实现客户需求。
同样以环视系统为例，由一个function block触发启动环视功能（如车辆倒挡），一个block记录车辆前后、两侧地图像，一个block将这些图像组合起来，还有一个block识别并标记出画面中地行人，最后由负责显示地block将最终画面呈现给驾驶人。

一旦定义了所有地function block，就将进入非常关键和复杂的步骤：
将这些block划分到ECU、传感器和执行器上。理想情况下，这一步是一个成本优化过程，根据第一步给出的基本/可选要求，function block通过使用最佳数量的ECU、传感器和执行器来实现。这个过程将收到以下因素影响：
1、预期的客户率（包括在不同车型上退出的计划）、功能安全目标（ASIL水平，参见ISO 26262[4]）。以及对集成或分散的方案的偏好（参见6.3.2.1）。接下来开始定义ECU、传感器和执行器的供电方法和他们之间的通信（定义整车网络拓扑），还有3D仿真布线。
但是对比实际，理想总是美好，理想化的设计往往会因为很多现实因素在实现过程中困难重重。比如如果由于某种车型的空间限制，只有集成到具有某种基本功能的ECU中时才能提供某种可选功能，但是这种基本ECU可能已经超出成本预算，因而无法实现。
或者，理想的功能划分可能会加重网络数据传输速率的负担，因而无法采用理想的网络技术。这些因素也会反作用于成本，因此可能无法实现目标 定价。还有一些权限的功能，无法进行清晰合理的成本分析，而使得最后需要对定价进行调整。在实际中，将功能划分到ECU上是一个迭代的过程，EE架构也通过各种反馈进行定义和修改。本步骤的最终结果是对ECU、传感器和执行器进行定义和描述，并明确他们之间的关系（整车网络拓扑）和通信要求（对带宽、传输速率、EMC、成本等等）。
引入车载以太网技术后，将客户需求落实到不同ECU中的过程一如既往。不过，汽车以太网可能会对系统设计产生很大的影响：
A：高的数据速率使得功能将区别于以往的划分，比如在更少的ECU之间进行更多的数据交换。
EE架构直接影响了网络的架构。网络架构定义了车载通信和供电网络。车载通信描述了哪一个ECU通过何种通信连接到系统。此外还定义了ECU通过网管进行的互联通信技术及其在网络中的位置（整车网络拓扑）。对于车载网络技术，支持的数据类型格式、数据速率、时序行为和通信质量均是衡量它的重要标准。车载通信确实因为引入以太网产生了一些变化。此外供电网络的架构定义了所有设备如何获得稳定节能的供电。

网络架构还有两个输出。其一为网络架构的空间布局，即ECU、传感器和执行器，连接他们的线束元件以及车载网络终端的3D设备。空间布局考量的因素：

• 重量
• 安装空间
• 线束直径
• 最大链路长度
• 汽车不同区域之间的线束连接
• 固定规则
• 设备时处于干燥还是潮湿区域
• 高温区域还是超高温区域以及可诊断性
  

线束连接的所有单元和元件都应该接入并诊断，方便再故障发生时排查

第二个输出时EE架构给出的ECU定义决定了ECU内function blocks之间的通信方式以及ECU的设计方向。尽管ECU最终的设计由TIER-1完成，但是汽车制造商可以将这些信息用于成本估算，并向TIER-1提供一些指导原则

根据汽车制造商提供的信息，TIER 1完成ECU的设计并将它实现，包括硬件和软件设计。每一个ECU的开发都遵循V模型。再ECU内使用以太网是可能的：这只是一个设计上的选择。不过，就像其他网络功能一样，需要继承于ECU。再高数据速率的情况下，通常需要直接存储器访问（DMA）机制用于硬件加速。
对于测试而言，首先对ECU进行单机测试。接下来，再连接ECU后，测试启动和关闭网络功能。只有在这些测试通过的基础上，才会对组合的不同用户功能进行测试。需要注意的是：在车辆的整个使用期。都应对汽车及其网络进行维护。


                                                                                                            软件设计

目前，汽车行业盛行两种不同的软件设计方法：汽车开放系统框架（AUTOSAR）和便携式操作系统接口（POSIX）。如下简要分享汽车以太网如何影响这两种方法的设计过程。

AUTOSAR与所有操作系统一样，核心功能就是将软件与其使用的硬件分离。为此，AUTOSAR提供了一组非常符合汽车要求 的应用程序接口（API），并且具有很高的扩展性。它可以由一个高度自动化、功能强大的配置工具将不同的功能模块组合到一起。如一个特定的软件项目，只有一部分是需要后期配置的。现在是汽车车身、地盘和动力系统使用的主流软件架构。

从2009年起，AUTOSAR便开始支持基于以太网的通信（起初用于DoIP）。AUTOSAR与SOME/IP的结合需要扩展配置工具链，以便覆盖SOME/IP以及响应的“SoAD”和服务发现（SD）配置能力。

POSIX：
POSIX兼容额操作系统（OS）主要用于信息娱乐领域。然而伴随着驾驶辅助系统的日益复杂，ADAS对POSIX系统的兴趣也在增加。新引入的车载以太网是POSIX方法的理想补充：
基于套接字的TCP/IP通信非常适合POSIX兼容操作系统的进程间通信（IPC）的解决方案。


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