幾年前，汽車行業(yè)的工程師致力于提高離合變速器、排氣系統(tǒng)的機械性能，并增加渦輪增壓器。由于數(shù)據(jù)速率低，CAN和CAN-FD在這些應用中運行良好。今天，每輛出貨的車輛平均有大約60-100個復雜的傳感器，在自動駕駛汽車和電動汽車的情況下更高。

靈活性和可靠性是第一要務。以太網(wǎng)確保靈活性并滿足帶寬要求。不幸的是，它對于任何可靠性相關的應用都是不夠的，因為生成的數(shù)據(jù)對于安全關鍵型應用來說可能是時間關鍵型的。以太網(wǎng)是非確定性的，在服務質(zhì)量（QoS）方面存在一定程度的不確定性，潛在的數(shù)據(jù)包丟失和廣泛的延遲。

時間敏感網(wǎng)絡（TSN）可以通過其流量整形協(xié)議IEEE802.1Qbv有效地改變場景。它改善了端到端延遲，從而保證了時間關鍵型控制數(shù)據(jù)流量 （CDT） 的持續(xù)延遲，并使以太網(wǎng)具有確定性。TSN比簡單的CAN或CAN-FD實施要昂貴得多。在投資TSN基礎設施之前，應驗證該設計是否適用于目標應用程序。

系統(tǒng)級建模是一個不錯的選擇。在這里，您將設計規(guī)范構(gòu)建為虛擬模型（快速虛擬原型），在計算機上模擬它并進行權(quán)衡研究。在實施之前，通過系統(tǒng)級建模識別設計中的瓶頸。這確保了在集成之前消除所有意外。

VisualSim 實現(xiàn)了一個系統(tǒng)級建模解決方案，其中包含符合 IEEE 標準的全套 TSN 協(xié)議。此外，還提供了一些新興的時鐘對準和QoS要求。TSN 庫支持包括 IEEE802.1Qbv、IEEE8201。Qbu、IEEE 802.3br、IEEE 802.1QCA、802.1Qcc、IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1QCB、IEEE 802.1Qch 和 IEEE 802.1AS 協(xié)議。

建模人員和架構(gòu)師使用基于 VisualSim 圖形用戶界面 （GUI） 的構(gòu)建基塊來創(chuàng)建和分析其模型。可以更改參數(shù)或設計屬性以執(zhí)行時序和通量研究并生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于具有配置參數(shù)的預構(gòu)建庫的可用性，用戶可以簡單地實例化節(jié)點和網(wǎng)關，而無需學習新的編程語言。用戶可以擴展TSN協(xié)議庫以合并專有功能。

我們已經(jīng)在 VisualSim 中實現(xiàn)了復雜網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型。該模型包含 CAN、CAN-FD、表示傳感器的流量生成器、用戶案例、TSN 網(wǎng)關和以太網(wǎng)節(jié)點的組合。該模型如圖 1 所示。配置的關鍵TSN參數(shù)是保護帶周期、緩沖區(qū)大小、空閑和發(fā)送斜率值、以太網(wǎng)開銷和傳感器偏移。延遲和積分的模擬輸出結(jié)果如下所示。延遲圖顯示了使用 CDT、AVB A 類或 B 類或“盡力而為”幀從傳感器或 ECU 源到目標 ECU 所花費的時間。信用圖繪制每個 TSN 網(wǎng)關上的“發(fā)送”和“空閑”傾斜值。圖 2 和圖 3 中所示。

圖 1：包含 TSN 網(wǎng)關、CAN 和 CAN-FD 的汽車網(wǎng)絡的可視化模擬模型。

每個消息幀都分配有一個 HashID，該哈希 ID 在整個模型中是唯一的。我們實現(xiàn)了 8 個網(wǎng)關架構(gòu)。每個網(wǎng)關都有一些用于本地電子控制單元的以太網(wǎng)接口和高帶寬傳感器接口。此外，每個網(wǎng)關都連接到一個或多個CAN-FD網(wǎng)絡。

整個模型使用各種表進行配置。表中的值是從 CANdb 和其他標準配置 XML 文件中提取的。我們使用一個名為“分類表”的表來存儲路由類型、父網(wǎng)關、消息幀的關聯(lián)哈希 ID 和父 CAN 總線名稱。名為 ForwardingTable 的表用于將生成的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標，并用于將類類型分配給每個幀。必須轉(zhuǎn)到不同網(wǎng)關的CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)包必須通過網(wǎng)關上的以太網(wǎng)接口。如果進入網(wǎng)關的數(shù)據(jù)包的目標位于網(wǎng)關本地，則該數(shù)據(jù)包將轉(zhuǎn)換為相應的協(xié)議并在本地接口上發(fā)送。所有類類型都分配有帶寬。帶寬分配是從優(yōu)先級 BW 表中獲取的。“入口控件列表”定義時間片和關聯(lián)的類。

圖 2：在一個 TSN 網(wǎng)關節(jié)點上繪制的發(fā)送斜率和空閑斜率

在此測試用例中，我們分配了兩個時間段。對于第一個插槽，類測量間隔 （CMI） 為 2 毫秒。時間段的第一部分分配給 CDT 幀。CDT 幀未分配給第二個時隙。使用最大間隔幀 （MIF） 5。剩余時間分配給 AVB A 類和 B 類。首先，A類和B類幀有機會傳輸。這種情況一直持續(xù)到它們耗盡分配的帶寬（如圖2所示）或完成數(shù)據(jù)傳輸。當沒有更多的空閑斜率或沒有更多的數(shù)據(jù)要傳輸時，盡力而為以太網(wǎng)流量可以開始傳輸。以太網(wǎng)流量也按服務類型分配帶寬。任何剩余帶寬都提供給未分配任何帶寬的服務類型。

對于第二個時間段，CMI 為 8 毫秒，使用 15000 的 MIF。如果分配給 AVB 和 BE 的帶寬已用完，并且還有剩余時間，則為帶寬為零的優(yōu)先級提供了傳輸機會。在定義的時間段結(jié)束時，將添加指定時間的保護帶以防止重疊并發(fā)送最后一幀。VisualSim 庫已實現(xiàn)時間感知整形 （TAS），它確保每個插槽都利用最大時間，從而嘗試有效利用資源。

圖 3：所選測試用例中三個不同數(shù)據(jù)流的延遲圖

從結(jié)果圖中，我們看到 CDT 幀在 400 毫秒后錯過了其時隙，因此具有更高的延遲。我們開發(fā)的模型有8個網(wǎng)關，8個高速以太網(wǎng)接口和10個CAN網(wǎng)絡。整個模型和測試用例是在兩周內(nèi)使用 VisualSim 和汽車庫構(gòu)建的。

通過在 VisualSim 中將系統(tǒng)級模型作為虛擬原型實現(xiàn)，我們能夠糾正關鍵設計錯誤，確定每個數(shù)據(jù)流的延遲，識別可能導致 CDT 流量錯過最后期限的瓶頸，并將 CAN 網(wǎng)絡分配給網(wǎng)關。我們還對空閑斜率周期進行了更改，以最大化 A 類和 B 類的帶寬分配。系統(tǒng)級建模中的大規(guī)模實驗幫助我們測試了不同的網(wǎng)絡配置并測量了有效吞吐量。

審核編輯：郭婷