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基于模型的網絡設計

發布日期:2020/06/01

挑戰

現代車輛由于功能的增加以及大量的電子控制單元(ECU)添加到各種電氣系統上,各個ECU和子系統之間信息的交互呈現指數級增長,到2020年生產的車型上已經達到2000個網絡信號需要進行傳遞,常規的在單個系統或者ECU上進行設計和驗證對網絡工程師以及供應商來說都不算上有挑戰的工作,但是在整車系統級的驗證上,傳統的方法會花費大量的時間在集成和測試上,有些問題要等到有物理原型甚至要到量產后才能發現,這對車載網絡的開發時間和效率帶來嚴重影響。如下圖所示

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   所有的網絡信號以報文的方式在CAN總線上實時傳輸,以CSMA/CA(載波偵聽/沖突避免)的機制對網絡上的組成報文的幀優先級進行實時仲裁,高優先級的幀優先發送,低優先級的需要高優先級的報文發送完畢后才能去嘗試獲得總線的發送權??紤]到有2000個信號需要去管理,為了實現確定性的網絡行為,必須捕獲所有的時序需求,從而能夠完全理解總線級功能之間的所有交互,并自動配置整個網絡。利用常規的方法,這絕不是一個輕松的工作,也 不能得到 *好的設計。時序模型是如何工作的,如下圖所示

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如圖所示,該車輛有一個傳感器、執行器和處理器單元,這個處理器可以同時是一個網關,傳感器和執行器都各自有一個控制單元ECU,系統的架構設計會發布一個端到端的時序要求,考慮到每個元器件具體的執行情況,傳感器ECU發布信號到總線時會有發布延遲,信號到總線上后傳輸到處理器有通訊延遲,處理器在處理信號的時候有處理延遲(它可以是網關延遲,也可以是應用程序處理延遲), *后信號在執行器端也有執行延遲,所有的這些信號的延遲時間都必須被考慮到總的端到端的時序要求中,都需要根據時序模型來計算,并將計算結果與需求進行比較。以太網也是有同樣的情況。 的時序設計是非常重要的。從傳感器傳感信號到執行器響應信號的端到端時序必須滿足整個車輛通信網絡延遲的設計約束。

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上圖展示了信號的可探測度(強度)與時序的關系,有幾個關鍵的時間點:maximum allowed delay是指信號能夠被允許的 *大的延遲,這個信號不能延遲超過 *大允許延遲,否則,這個系統將不能成功地激活功能或可能是失效的。如果沒有數字化的時序模型來進行計算,一般的設計方法是沒有辦法確保所設計的信號不會超過這個值,因為沒有辦法進行計算,所以設計者需要等到有物理樣機后進行實際測試。這是大多數原始設備制造商 仍然采用的方法。在做物理樣機測試時,在測試中觀察到的 *長延遲(longest Observed Delay in testing)在允許 *大延遲的左側。這種觀測使用CAN分析工具在物理級測試是可以得到的。在這種情況下,觀察到的物理級的 *大延遲確實也不錯,它沒有超過允許的延遲,但是是不是非常好的健壯的設計呢?但事實并非如此,測試并不能發現 *壞情況的延遲,而該延遲在實際的網絡中是有可能完全發生的。在測試中無法觀察到的 *壞情況和在測試時看到的情況之間存在數據丟失,而這點是無法保證網絡上數據的可靠傳輸的。


解決方案

以數字化的模型進行的計算可以獲得詳細的描述,讓我們比較實際 *壞的情況的延遲與 *大允許延遲,這就是網絡設計工具的能力,同時,對網絡報文時序的計算、分析和驗證能夠充分利用總線負載,這也是網絡設計工具總線計算能力的體現。目前大部分用戶將網絡負載上限設定為30%,再往上就沒有什么信心。如果能夠設計出更高網絡負載,那么就可以實現更高的帶寬利用,有可能原來需要使用兩路CAN來實現的網絡,只需要一路CAN就可以實現,如此健壯、自信的設計結果對于成本、效率都是非常大的提高。

良好的時序分析和驗證有助于更好地使用總線帶寬,因為可以在不丟失數據的情況下使用90%或更多的總線負載。同時,減少了通信開銷。例如,如果一個幀沒有在它的截止時間內到達,那是由于一個錯誤而導致的,而不是在正常運行可能發生的事情。因此,應用程序不需要幀確認,并且不會發生由于超時而需要重新傳輸,從而顯著降低總線負載。另一個優點是,在這種確定性網絡行為下,驗證工作將線性增加,而不是呈指數增加。網絡設計工具保證了當各個功能的時序在其指定的限制范圍內時整個網絡的正確功能,因此驗證 于每個單獨信號的時序。這種精力只隨著信號的數量線性增加。

數字化的網絡模型使得工程師能夠計算車載網絡,為用戶提供時序分析,延遲分析,帶寬利用率等強大的功能,在設計階段就能夠對設計進行驗證和分析。

數字化的網絡模型支持用戶可視化網絡的拓撲結構設計,表達不同速率、帶寬的網絡是如何在拓撲上進行布置的;確??缍嗑W關連接不同速率的網絡信號能夠在要求的時間進行傳輸。 *后,可視化的網絡報文自動打包極大地減輕工程師的負荷。


基于模型的Capital networks的網絡設計

Capital Networks是西門子公司的網絡設計工具,它從原來Mentor Graphics公司的產品VSACOM基礎上發展而來,面向汽車、航空航天器等交通運輸工具進行網絡設計。它既可以作為單獨的模塊為產品提供網絡設計支持,也可以作為整個電子電氣平臺上的網絡開發模塊,為用戶提供多角度時序模型及分析功能幫助,構建高可靠性整車網絡。

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    在整個Capital的基于模型的電子電氣設計開發平臺上,Capital Network作為網絡領域的強大的網絡設計工具,能夠無縫地集成上游的電子電氣架構設計后的網絡輸出數據,完成網絡的詳細開發工作。如下圖所示image.png

    上游架構設計完成后針對網絡部分的需求以ARXML格式的文本輸出到網絡設計工具,以指導詳細的網絡設計,其中包含了網絡的拓撲結構、信號信息、時序要求等,當然,用戶任何自定義的信息也可以導出。

    Capital Networks網絡設計工具的具體價值體現在:

1) 正確地構建

Capital平臺化的工具所采用的正確地構建的理念貫穿到每一個領域的設計工具中,Capital Networks也是如此。它把驗證和確認的約束和限制性要求注入到軟件中形成約束和規則,然后把約束和規則以設計需要滿足的條件作為驅動,對數據進行運算以及合成,同時對輸出的結果進行設計規則檢查。也就是說,數據的生成是滿足各個約束條件的結果,否則軟件就會報告由于約束的不滿足而導致的失敗。由此我們說設計即正確。

Capital Networks支持多種網絡開發協議,通過數據庫對所有車型網絡數據進行管控。多角度時序模型及分析功能幫助構建高可靠性整車網絡,在整車上進行設計,由此允許信號跨多個網段以及網關,網關信號完全在通信層內處理,不與應用程序交互。由于可重構的靈活性,網關信號可以完全隱藏在應用程序中,系統集成設計可以改變網關信號的特性,甚至在不涉及網關模塊的供應商的情況下添加或刪除網關信號。

2) 探索與優化

允許用戶在現有的約束條件和總體需求下,針對當前的網絡資源進行充分利用,優化負載、帶寬等以達到 *佳設計。上游的架構設計所指明的設計方向仍然可以在詳細設計中進行調整,例如,某個網絡信號由于某個條件在當前的CAN網絡無法滿足要求,那么可以考慮調整到另外一條網絡,并對各種指標進行評價。

特別的,車輛網絡系統中存在不同的配置需求,平臺化的設計一般按照150%的綜合設計進行,不同的車型配置上使用網絡的設備數量不同,這允許我們針對各個配置、選項、變型在整車網絡基礎上進行 的指標分析。這對于使用傳統的方法是無法想象的。

3) 一致的數據

Capital Networks采用先進的三層軟件架構體系,即數據庫、服務器和終端用戶,為多用戶多角色的并行設計提供強大支持,這有利于提升設計效率,減少設計時間。允許用戶在整個設計生命周期中對網絡信號進行追蹤和驗證。例如ISO26262對功能安全的要求,一致的數字化模型能夠在整個Capital平臺上實現信號的追溯功能,從源頭系統架構中所定義的功能安全需求,到后端是如何影響網絡、軟件以及線束的設計的。同時,Capital Networks能夠對復雜的在跨多個網絡和網關的復雜信號進行有效管理和檢查,確保對該信號的設計滿足總體需求。

4) 自動化

Capital Networks可以方面地構架各種整車網絡拓撲,提供對域控制器,AUTOSAR、以太網、FlexRay的支持,支持車載以太網的相關設計及配置,包含以太網通信,以太網時序分析,SOME/IP, SD, DoIP等。軟件提供圖形化的網絡報文打包支持, 可以方便的針對不同的總線協議進行基于AUTOSAR標準的報文打包支持;另外,支持各種報表的自動生成以及各種文件、配置信息的導出。例如提供的時序分析結果內容豐富,可以對諸如仲裁延遲,發送延遲, *小發送間隔等提供分析結果,幫助設計人員提升網絡質量及魯棒性,為后端的ECU軟件實現提供相關參數。

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