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车载总线网络
方案概述

  Synopsys公司的saber仿真系统能够为车载通信网络提供完备的设计及验证解决方案。全球的工程师团队利用saber环境,在网络物理层验证等关键领域使用鲁棒设计方法。
需求与挑战


  汽车设计的先进性已经导致了车载电子的突破性增长,现在的车辆设计的提升大部分是在车辆的电子应用方面。车辆功能被划分成各种系统和子系统来提供乘客的娱乐性,舒适性及安全性,以及改善车辆性能及提升动力控制等。
  这些系统必须在复杂的不同车载网络(IVN)里相互通信。每种网络都包含多个通信协议,如工业标准Controller Area Network(CAN),Local interconnect Network(LIN),以及近来发展很快的FlexRay标准。
  当前流行的网络通信协议主要有:
  控制器区域网络: 一种事件驱动型通信协议,主要应用在引擎管理及车身电子领域。最大理论数据传输率为1Mbps,实际传输率为500Kbps。高速CAN适用于关键负载系统如防抱死系统(ABS)及巡航控制等,而低速CAN则具备容错功能,适用于电动座椅及电动窗户等。
  本地互联网络:一种低速主-从时间触发协议,能够将开关型负载连接到高速网络,比如门锁,天窗,雨刷及电动反光镜等。如果不需要要CAN的全部功能,一个LIN网络是一种低成本的选择。
  FlexRay: 一种具备容错功能的面向安全相关应用的高速通信协议。这种协议可以操作在单通道或双通道模式,每个通道具备最高10Mbps的数据传输率。使用双通道配置,一个FlexRay网络能提供超过CAN总线速率最高理论值20倍的速率。这种基于安全相关应用的网络适合作为连接不同网络的通信主干平台。



  物理层设计挑战
  设计团队面对的挑战是实现电气网络的物理层—网络结构,拓扑及互联的硬件实现。分析物理层的主要目标是识别及评估网络的信号完整性。
  物理层验证要求设计团队根据设计规范发送及接收波形。设计团队必须确保物理层能够安全而可靠地传输协议数据。物理层出现问题将影响整个通信系统,降低网络性能或产生控制系统行为错误。如果这些问题持续存在将导致网络可靠性降低。

解决方案

  鲁棒性设计
  提升IVN可靠性需要一种系统性的开发方式来确保将可靠性问题的解决作为物理层设计过程的主要部分。设计团队使用鲁棒性设计方法来管理复杂的通信网络问题,尤其是在验证物理层以及那些影响性能的系统及环境发生变化时。
  鲁棒设计是一种经过验证的开发方法,能够在系统参数及环境条件变化时尽量减少对车载网络的性能影响。目标是找到最经济的设计方法来满足网络性能和可靠性指标。采纳鲁棒设计方法需要设计团队通过一系列的条件来验证网络性能。需要采用复杂的仿真方案来有效分析复杂的车辆通信网络。

  车载网络的鲁棒设计中,SABER主要应用在:
  在开发周期的早期验证网络概念及拓扑
  分析具体的网络变量(ECU的最小及最大数)
  分析拓扑类型及EMC保护元素对信号完整性的影响
  在系统仿真中加入线路特征来分析可能的拓扑的扩展
  建模及特征分析车载网络系统使用工业标准的MAST及VHDL-AMS语言
  使用标准的分析方法验证名义上的网络性能并确保灵敏度,统计及错误分析上的可靠性
  选择性能测量值来迅速分析IVN仿真结果
  通过在多个CPU上的分布式仿真增加分析能力
  虚拟原型:为了验证车载网络配置是否符合系统需求,通常需要建立原型来测试系统信号完整性。但是原型的建立和测试过程有很多限制。因为制造过程及环境条件的变化能影响系统性能,系统测试必须能面向形式上的实际上的操作。利用传统上的原型方法,根本不可能建立足够的原型来充分测试甚至是最重要的那些变量。因此,能够仿真的虚拟原型是验证数据网络可靠性的最好的解决方案。 
  精确模型:对于一些基础部件如滤波器及终端电阻,车载网络仿真需要专门的模型,包括转发器,控制器,传输线及扼流圈等。 由于物理层模型用来分析系统参数中的信号完整性如何被影响,优化部件模型而保证精度及仿真速度就显得尤为重要。最好的方法是选择基于硬件描述语言的模型,从而允许更有效的建模方法。Saber工具支持MAST及VHDL-AMS建模语言标准。Saber仿真能够使用的通信网络模型列表如下:
  转发器:LIN、CAN、FlexRay
  CAN控制器包括时序
  LIN、CAN及FlexRay的传输导线
  这个库是一套详细的行为模型,通过针对网络协议的物理效应,能够提升仿真性能而不损失精度。对建模的主要影响包括信号传输延迟、非线性及驱动时期的寄生行为。另外对于saber环境,许多网络部件制造商支持用MSAT制作的模型。

  SABER在鲁棒设计解决方案的特点: 
  灵活的数据分析
  Saber仿真器的综合波形分析器显示,测量及仿真数据转换等能够提供通信网络操作的完整图形。车载网络性能测量很容易应用到仿真结果及直接显示到波形里。设计团队使用这些测量来迅速验证网络操作是否违背性能指标。

  自动仿真及分析
  鲁棒设计方法需要重复的仿真步骤,许多步骤非常耗时。Saber工具套件能帮助设计团队定义,执行及保存仿真配置和结果,作为一系列的实验。保存的实验能够为需要重复性执行的设计过程而加载及定制。比如,设计团队能自动评估轮询通信情景。
  增加仿真吞吐量
  鲁棒设计方法需要先进的敏感度及统计分析法来验证IVN物理层的可靠性。这些分析都是递归仿真,需要成百上千次的运行,这在一个CPU上实现是不现实的。Saber环境通过将仿真任务分发到整个计算网格上,让多个CPU来执行分析,能够在很少的时间解决全部的分析任务。当仿真完成后,结果被收集到一个单一的文件以便于处理。

  结论
  汽车电子的迅速增长带来了令人敬畏的车载网络挑战。Saber工具被广泛应用在汽车OEM厂商及供应商来设计及验证不同环境下的网络操作。Saber仿真器在车载网络设计的流行给设备制造商的潜在的IVN模型带来的实用性。这些先进的建模、仿真及后处理能力已经在车载网络物理层成功树立了saber仿真器作为鲁棒设计及分析工具的标准。 

 

 
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