1 引言

　　目前，汽車電子正朝著網絡化的方向發展，車載網絡成為汽車電子領域的最大熱點。提高控制單元間通訊可靠性并且降低導線成本的網絡總線應用中的關鍵技術包括CAN、LIN、FlexRey、MOST、IDB1394 等。對于汽車整車廠來說，CAN 網絡設計是應用CAN 網絡通訊的關鍵。縱觀現有的設計技術，可以將其分為兩類：一類是以仿真和測試為主的傳統設計方法;另一類是以協議設計為主的方法。傳統方法將每個節點對協議的要求拼湊起來，通過仿真、測試的方法檢驗協議的正確性，最終得到通訊協議。新方法通過系統設計技術，用理論方法對系統的時序建模，分析設計系統的通訊協議，保證系統的實時性能以及協議的正確性，最終發布正確的通訊協議。本文將簡要介紹傳統設計方法的局限性和新方法的優勢，以及參考新方法所設計的通信網絡軟件系統。

　　2 傳統設計方法的局限性

　　隨著汽車上電子設備數量的逐漸增多，車載網絡系統也越來越復雜，汽車電子網絡面臨著巨大的挑戰。傳統網絡協議設計技術的局限性越來越突出，主要表現在數據丟失、通訊延遲、協議修改困難等三個方面。

　　2.1 數據丟失

　　數據丟失是指新數據沒有來得及通過網絡傳輸出去，或是超過接收節點的接收時限才傳輸出去的情況。數據丟失會嚴重影響通訊的實時性能，進而影響整車通訊的質量。實時性能好的系統應該完全避免數據丟失。

　　數據丟失的影響因素就是通訊協議。傳統設計方法通過仿真和測試等手段檢測協議的正確性，其缺點是無法覆蓋所有的測試用例，因此，輸出的通訊協議會存在潛在錯誤或者不夠完整，這樣就不可避免地會產生數據丟失的情況，影響整個系統的性能。

　　2.2 通訊延遲

　　通訊延遲是指數據準備好到通過總線發送出去的等待時間。通訊延遲可能導致數據丟失，是傳統設計方法無法解決的根本性問題。這主要是因為，傳統設計方法只是將各個節點對協議的要求拼湊起來，沒有考慮整個系統的需求，比如發送節點發送數據到接收節點接收數據并用于控制，沒有考慮實現這樣一個完整功能的時間要求。因此協議設計結果難以保證實時性能，必然存在通訊延遲。

　　仲裁失敗是產生延遲的主要原因，因此延遲與消息的 ID 及周期有關。系統越復雜，消息之間發生競爭的可能性越大，系統的實時性能就越差。

　　為了減小延遲的影響，傳統設計方法采取了兩種預防措施。一種是設定時限，如圖1所示。另一種限制負載為平均30%左右，降低消息競爭的可能性。但是這兩種方法都不能從根本上消除延遲。

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　　圖 1 時限設定和響應時間的計算

　　2.3 協議修改困難

　　修改協議在開發過程中不可避免。但對于傳統的設計方法，因為應用程序和通訊功能的融合，通訊協議的參數變化會導致軟件的重新編譯和測試，這就意味著額外的時間和成本，供應商極不愿意整車廠商修改協議。因此，整車廠商修改協議十分困難，并需要很長的時間。

　　3 以協議設計為主的新方法的特點

　　以協議設計為主的方法通過系統級的設計理論和方法，保證通訊協議的準確性，避免數據丟失，保證系統的實時性能。其特點概括起來如下：

　　3.1 系統級設計，避免數據丟失

　　新技術采用自上而下的系統設計技術，對整個系統的架構進行設計，并完成優化。通過理論設計方法，可保證通訊協議的正確性，從根本上解決數據丟失問題。

　　3.2 有效控制消息延時

　　響應時間是消息準備發送到最后節點接收到數據的全部時間，它是發送時間和延遲的總和，其中延遲是影響響應時間的主要因素，控制延遲就可以有效控制響應時間。

　　如圖 1 所示，通過對響應時間進行建模，并仔細安排消息的ID 和周期以控制延遲時間、響應時間及總線負載。然后用理論方法計算出最差情形下的延遲時間、最大的響應值，以及總線負載。

　　由于新方法能夠計算出最大總線負載，也能有效控制系統延遲，因此沒有必要再對系統的總線負載作任何限制，理論上可以達到100%。其優勢在于保證了確定的通訊行為，可以有效地利用系統資源。

　　3.3 分隔應用程序和通訊協議，保證變更靈活性

　　如圖 2 所示，新方法為ECU 通訊功能提供了標準的網絡通訊組件。該組件將應用程序和通訊協議成功分隔開來，使得各自的修改互不影響，保證了協議修改的靈活性。網絡通訊組件提供面向總線、應用程序和通訊協議三方面的標準接口。面向應用程序的接口是基于信號的操作，不包含通訊協議的參數。面向通訊協議的接口負責識別通訊協議。只要遵守接口標準，協議可以進行任意改變，而且不影響應用程序。

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　　圖 2 分隔應用程序和通訊協議

　　這種設計方案其優勢在于整車廠商可以很容易地修改協議，不需要供應商支持，因此保證了系統變更的靈活性，同時也增加了系統的可移植性以及應用的復用性。