基于服务的车载以太网研究与开发

郭灿 崔根群 唐风敏

摘  要： 随着汽车功能的逐步增加，尤其是信息娱乐功能和智能驾驶辅助功能的增加，传统的车载网络技术出现瓶颈，无法满足汽车的发展需求，因此将车载以太网作为下一代网络已经成为学术界的研究热点。车载以太网应用层选用SOME/IP协议，开发基于服务的车载以太网总线通信协议;进行车载以太网软件设计及硬件设计，搭建基于服务的车载以太网仿真系统，使用CANoe软件进行仿真模拟实验并进行测试实验。结果表明，服务可以应用到车载以太网的网络传输中并且满足SOME/IP报文的一致性测试。

关键词： 车载以太网; SOME/IP协议; CANoe; 服务; 仿真实验; 一致性测试

中图分类号： TN915.02?34                       文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2020）05?0025?05

Research and development of service?based automotive Ethernet

GUO Can1， CUI Genqun1， TANG Fengmin2

（1. Hebei University of Technology， Tianjin 300310， China; 2. China Automotive Technology & Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： With the gradual increase of automobile functions， especially the information entertainment function and intelligent driving auxiliaryfunction， a bottleneck occur to the traditional automotive network technology， which cant meet the development demand of automobile. Therefore， automotive Ethernet will be taken as the next generation network， which has become a research focus in academia. In the application layer of automotive Ethernet， Scalable service?Oriented Middleware over IP （SOME/IP） protocolis selected to develop the communication protocol of service?based automotive Ethernet bus. The software design and hardware design of automotive Ethernet are performed， the simulation system of service?based automotive Ethernet is built， and the simulation experiment and test experiment are performed by CANoe software. The results show that the service can be applied to the network transmission of automotive Ethernet and satisfy the conformance test of SOME/IP message.

Keywords： automotive Ethernet; SOME/IP protocol; CANoe; service; simulation experiment; consistency test

0  引  言

現代汽车工业将嵌入式系统及电控单元（ECU）用于实现车辆控制及信息娱乐等功能，但是随着汽车功能的大幅增加，电控单元也逐步增多，嵌入式系统的性能严重影响了整车的性能，汽车行业试图开发全新高效的系统来提高性能。电控单元之间的传输数据已经增加到非常庞大的范围，汽车行业决定选用车载以太网来传输数据，为电控单元提供更高的带宽，从而解决这个问题。面向服务的体系架构（Service?Oriented Architecture，SOA）在计算机行业已经被证明是一种高效、灵活的高级别系统软件设计架构，车载以太网中期望获取

SOA平台提供的可扩展性和重用性，从而降低汽车系统开发的难度，因此选用SOME/IP协议（Scalable service?Oriented Middleware over IP，简称SOME/IP协议）作为车载以太网的上层协议。

文献[1]分析了现有的车载网络所面临的问题，车载以太网的适用性，车载网络的变化过程，车载以太网包括现有主流车载网络技术、车载以太网物理层技术、车载以太网链路层协议、车载以太网拓扑在内的相关技术。文献[2]分析了车载电子领域的发展状况，介绍了CAN总线协议，车载以太网协议，车载以太网协议的应用，车载以太网的仿真系统搭建及验证。文献[3]描述了面向服务的架构概述、Web服务相关规范、消息中间件，对面向SOA的消息中间件进行了分析，进行了面向SOA的消息中间件的总体设计及详细设计，研究了面向SOA的消息中间件的应用实例。但是还缺少将面向服务体系架构引用到车载以太网上的相关文献。

定义好SOME/IP报头后需要依次定义传输层协议报头、网络层协议报头、以太网报头及以太网报尾。车载以太网帧中用户数据范围在1 500 B以内，传输层协议包含TCP协议和UDP协议，如图5所示，传输层协议选用UDP协议，UDP协议既支持单播也支持组播。传输层帧格式需要定义UDP报头，主要定义源端口和目标端口;网络层协议为IP协议，包含IPv4和IPv6协议，IPv4协议共32位而IPv6协议有128位，本文选用IPv4协议，在网络层定义目标地址和源地址;以太网报头主要定义MAC地址和VLAN，根据MAC地址将传播形式划分成单播、组播和广播。

车载以太网收发器选型有TJA1100，BCM89810和BCM89811，本文选用恩智浦公司生产的芯片TJA1100来实现物理层数据传输，可以验证车载以太网传输速度是否符合预期带宽，相对于传统百兆以太网更节约成本，增强了RMII接口或MII接口的输出驱动强度，满足EMC需求。车载以太网收发传输图如图6所示，传输距离最小是15 m。单对非屏蔽双绞线及TJA1100车载以太网收发器的应用使得汽车线束成本降低、减轻了汽车重量。

物理层选型为BroadR?Reach，100Base?TX/1000Base?T，本文选用非屏蔽双绞线（UTP）传输，单对导线在BroadR?Reach网络中可以全双工传输数据，BroadR?Reach采用额定速率为100 Mb/s的铜缆，满足汽车系统功能的需求。铜缆的衰减使用相对测量值来表示，衰减测量公式为：

[A（dB）=20×lg（V1V2）]

式中：[A]为衰减值;[V1]为输入电压;[V2]为输出电压;衰减量代表信号的丢失量，所以衰减值越低越好。6 dB的衰减量表示信号强度降低了约50%，20 dB的衰减量表示信号的电压电平减少了10%，通过测试信号电压电平来计算衰减量。

2.3  模型仿真实验

汽车行业使用总线描述文件如AUTOSAR XML（ARXML）格式或者现场总线交换（FIBEX）格式来解决不同软件间的模型导入及导出。本文中车载以太网模型搭建与模型仿真使用的是不同的软件，ARXML文件中包含车载以太网软件设计和硬件设计，通过ARXML文件将设计模型导入到仿真软件CANoe中进行仿真实验。仿真数据如图7所示，包含4种服务，分别是：发现服务、提供服务、订阅事件组和订阅事件组反馈，提供服务及订阅事件组反馈是由CAMF模块发送，发现服务及订阅事件组是由ADAS模块发送。

2.4  测试实验验证

SOME/IP测试平台包含VN5640，VT系统和电脑。VN5640作为车载以太网接口收发车载以太网报文，VT是供电系统，负责给测试设备供电，电脑对测试样件执行测试数据软件包。测试设备如图8所示。

测试项目有协议版本测试、服务ID测试、接口版本测试、方法ID测试、报文类型测试、报文类型响应测试、客户端/会话端ID测试及用户数据解析测试。

分别对服务发现报文、服务提供报文、订阅事件组报文及订阅事件组反馈报文进行测试，为保障所有测试项目都通过，需要测试4帧报文，每帧报文测试9个项目，共测试36个项目，测试结果如图10所示。

3  结  语

以车载以太网为研究对象，选定了SOME/IP协议，定义SOME/IP报头，实现应用层数据传输。搭建基于服务的车载以太网模型，在软件层定义服务、服务接口并建立服务软件部件，将服务接口类型与服务软件部件接口类型一一关联。在软件层实现服务后，进行网络拓扑设计并将服务软件部件关联到硬件层电控单元上，将服务安装到部件层;定义传输层报头、网络层报头、以太网报头及报尾;将基于服务的车载以太网模型以ARXML形式导出并导入到CANoe软件中进行仿真实验。

搭建SOME/IP测试平台，测试协议版本、接口版本、方法ID、报文类型、报文类型响应、客户端/会话端ID及用户数据解析，调试报文数据直至所有测试项目通过，从而保证服务在车载以太网中的有效传输。

注：本文通讯作者为崔根群。

参考文献

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