高效的通信網(wǎng)絡(luò)是分布式先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的主要組成部分。分析在不同系統(tǒng)參數(shù)下的不同場(chǎng)景中的這類系統(tǒng)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。在早期設(shè)計(jì)階段評(píng)估關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)行為非常重要。本文將討論一種基于虛擬原型的評(píng)估架構(gòu)，它可以用來(lái)評(píng)估基于MOST的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

汽車中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的數(shù)量在不斷增加。這些系統(tǒng)處理來(lái)自多種傳感器的信息，比如雷達(dá)傳感器、攝像機(jī)或全球定位系統(tǒng)（GPS），然后為駕駛提供幫助。因?yàn)檫@些傳感器在全車各個(gè)地方都有分布，因此需要一個(gè)高效的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)共享不同ADAS之間的信息。另外，這些系統(tǒng)經(jīng)常要求諸如快速傅里葉變換或霍夫變換等處理算法。擁有一個(gè)專門的預(yù)處理節(jié)點(diǎn)執(zhí)行這種通用任務(wù)是有好處的，這種節(jié)點(diǎn)可以采用最優(yōu)化的硬件架構(gòu)。不過(guò)這會(huì)提高對(duì)分布式ADAS網(wǎng)絡(luò)的要求。通過(guò)優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)可以減少布線的數(shù)量。MOST通信網(wǎng)絡(luò)可以提供這類任務(wù)所需的許多功能。

MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供種類繁多的配置方案。為了找到最優(yōu)的解決方案，必須對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估，并且最好是在早期設(shè)計(jì)階段完成。為了支持這些評(píng)估，本文推薦一種基于虛擬原型的評(píng)估架構(gòu)。它能減少這種基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用的評(píng)估復(fù)雜性。

評(píng)估架構(gòu)——ADAS使用案例

本文討論的評(píng)估架構(gòu)支持功能和時(shí)序驗(yàn)證、性能和可靠性分析，并支持設(shè)計(jì)空間開發(fā)。架構(gòu)的主要關(guān)注點(diǎn)之一是模塊化特性以及可用于分析各種不同系統(tǒng)方案的通用方法。基于虛擬原型的架構(gòu)是由眾多的基本模塊構(gòu)建的。這些模塊匯聚起來(lái)形成想要的系統(tǒng)，比如ADAS用例就是用大約150個(gè)模塊實(shí)例組裝而成的。功能提取如圖1所示。這種方案能夠方便地改變系統(tǒng)，例如只需用合適的模塊替換或擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng)就能改變通信通道。借助這種方法可以很容易地使用已有的IP組件集成新的應(yīng)用。虛擬系統(tǒng)是用XML文件配置的，因此能夠在運(yùn)行時(shí)期間方便地完成模塊的組裝和配置。


圖1：虛擬原型的模塊化結(jié)構(gòu)

分布式ADAS用例包含：

。兩個(gè)攝像機(jī)

。一個(gè)預(yù)處理器模塊

。一個(gè)圓周檢測(cè)模塊

。一個(gè)速度標(biāo)志分類模塊

。一個(gè)立體深度圖計(jì)算模塊

。一個(gè)人機(jī)界面（HMI）

系統(tǒng)包含兩個(gè)ADAS功能：立體深度圖（SDM）和交通標(biāo)志識(shí)別（TSR）。這兩個(gè)系統(tǒng)功能共享公共的攝像機(jī)和圖像預(yù)處理模塊。通信網(wǎng)絡(luò)必須轉(zhuǎn)發(fā)多種不同的圖像流，包括原始攝像圖像，預(yù)處理后的圖像，檢測(cè)到的圓周剪輯，立體深度圖或分類的速度值。根據(jù)模塊所發(fā)揮的作用，對(duì)基本通信網(wǎng)絡(luò)的要求是不同的。舉例來(lái)說(shuō)，預(yù)處理模塊要求1至n的通信組合來(lái)應(yīng)對(duì)多個(gè)接收器。攝像機(jī)圖像流提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。另一方面，剪輯過(guò)的交通標(biāo)志以突發(fā)的方式出現(xiàn)。為了揭示這種通信技術(shù)的影響，需要詳細(xì)分析立體深度圖應(yīng)用的攝像機(jī)數(shù)據(jù)流。

通信技術(shù)對(duì)應(yīng)用的影響

立體深度圖的計(jì)算需要同步發(fā)送兩個(gè)預(yù)處理后的攝像機(jī)圖像。如果圖像沒(méi)有與諸如順序號(hào)等額外信息取得關(guān)聯(lián)，那么接收緩沖器就有必要包含連續(xù)同步的攝像機(jī)圖像。因此，通信網(wǎng)絡(luò)必須確保左右攝像機(jī)圖像在兩次順序讀取操作之間總能成對(duì)發(fā)送。不同種類的通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)影響到這種行為。由于比如具有不確定性訪問(wèn)行為的共享通信通道而存在置換的可能性。不同通道類型或通道的使用可能導(dǎo)致不同的時(shí)延，進(jìn)而導(dǎo)致使用老的圖像實(shí)例。


圖2：左右攝像機(jī)圖像之間存在置換時(shí)的立體深度圖（a）沒(méi)有置換（b）一幀（c）兩幀（d）三幀置換

圖2顯示了左右攝像機(jī)圖像之間存在不同置換時(shí)的立體深度圖。近的物體顯示為從紅色開始的暖色調(diào)，遠(yuǎn)的物體顯示為冷色調(diào)，如藍(lán)色。物體越近，顏色越暖，反之亦然。圖中的左上角是左右圖像同步的結(jié)果圖像。從圖中可以看到前面的樹（圖像的右邊角落）被很好地檢測(cè)到。在右上方的圖像中，左右攝像機(jī)之間引入了一幀的置換。深度信息沒(méi)有覆蓋完整的樹。在右下的圖像中，插入了三幀的置換。從圖中可以看到，樹幾乎沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)，有關(guān)距離的信息也出現(xiàn)了差異。

MOST的同步通道是最適合完成上述任務(wù)的通道。它能提供具有確定性時(shí)延的非共享通道。由于是連續(xù)的圖像流，帶寬是一定要分配的。這種通道的最大好處是允許1至n的通信，因而預(yù)處理器件和HMI都能接收攝像機(jī)圖像，并利用深度信息計(jì)算重疊。

系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

可以根據(jù)實(shí)際使用情況用虛擬原型確定最優(yōu)的配置參數(shù)。ADAS場(chǎng)合中最重要的緩沖器位于MOST器件和應(yīng)用之間，如圖1所示。緩沖器被分為接收和發(fā)送緩沖器。接收緩沖器的使用被用作例子。模擬INIC基本行為的MOST數(shù)據(jù)處理器從MOST幀提取/向MOST幀寫入數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)每隔20.833？s存儲(chǔ)到接收緩沖器中。在應(yīng)用側(cè)，以應(yīng)用中斷速率讀取緩沖器。為了避免緩沖器溢出和隨之而來(lái)的數(shù)據(jù)丟失或重傳，必須平衡這些讀寫訪問(wèn)。在虛擬原型中，可以很容易地監(jiān)視緩沖器的使用，例如使用不同的應(yīng)用中斷速率，或影響幀使用的各種業(yè)務(wù)情景。

數(shù)據(jù)包通道共享應(yīng)用的評(píng)估

虛擬原型的巨大潛力在于能夠分析依賴于各種參數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。評(píng)估架構(gòu)允許捕獲、監(jiān)視、比較和分析不同節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)，如應(yīng)用發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理器，不同類型的緩沖器或MOST總線自身上的數(shù)據(jù)。用戶可以在配置文件中方便地定義數(shù)據(jù)訪問(wèn)點(diǎn)，從而允許用戶分析整個(gè)系統(tǒng)行為。

下面的使用案例分析了共享數(shù)據(jù)包通道的兩個(gè)應(yīng)用的行為。在TSR場(chǎng)合，剪輯后的圖像通過(guò)數(shù)據(jù)包通道傳送，因?yàn)闆](méi)有必要采用固定的帶寬分配。這種場(chǎng)合可以評(píng)估額外連接的影響。第一個(gè)連接基于MOST高協(xié)議（MHP），第二個(gè)連接基于MOST以太網(wǎng)協(xié)議（MEP）之上的TCP/IP.MHP是通過(guò)封裝源自NetServices的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，TCP/IP協(xié)議則是通過(guò)封裝開源lwIP——輕量級(jí)TCP/IP棧實(shí)現(xiàn)的。


圖3：使用不同工具評(píng)估TCP/IP和MHP數(shù)據(jù)連接

圖3顯示了一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器場(chǎng)合下所產(chǎn)生的跟蹤數(shù)據(jù)的提取。最底下的圖顯示了共享接收緩沖器中的四次緩沖器溢出。倒數(shù)第二張圖顯示了以字節(jié)為單位的緩沖器使用情況。中間兩張圖分別顯示了用比如圓周檢測(cè)、（MHPOutNode01）發(fā)送的數(shù)據(jù)以及用比如接收器HMI（MHPInNode00）接收的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出由于緩沖器溢出而丟失了兩個(gè)消息（圖中用紅色圓圈標(biāo)志），并且MHP在塊末尾重傳了數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證行為的正確性，可以用OptoLyzer工具套件額外地觀察MHP業(yè)務(wù)軌跡。如圖所示，MHP通過(guò)發(fā)送MultipleFramRequest來(lái)重傳0x02和0x09幀。

最上面兩張圖顯示了由MEP通信完成的數(shù)據(jù)交換。為了分析這些通信，使用了開源數(shù)據(jù)包分析儀Wireshark.在提交的使用案例中可以看出，TCP/IP重傳超時(shí)（由第三個(gè)緩沖器溢出引起的丟幀觸發(fā)）時(shí)間長(zhǎng)度足夠MHP連接發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集。這個(gè)簡(jiǎn)單例子展示了如何使用評(píng)估架構(gòu)詳細(xì)地觀察系統(tǒng)行為。借助到已有分析工具的鏈接，可以實(shí)現(xiàn)虛擬原型方法的完整集成。

本文小結(jié)

上述ADAS例子表明，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間必須確定各種系統(tǒng)參數(shù)。上述不同例子表明，虛擬原型能夠通過(guò)提供基于仿真的分析評(píng)估不同替代方案來(lái)支持各種決策。虛擬原型允許詳細(xì)的觀察系統(tǒng)行為。在已有分析工具的幫助下，可以分析在不同系統(tǒng)約束條件下的系統(tǒng)行為。在TSR和SDM情景分析中，使用到了MOST總線的諸多好處，比如在獨(dú)特的同步通道上以及在共享的數(shù)據(jù)包通道上并發(fā)傳送數(shù)據(jù)的能力，用一個(gè)發(fā)送器或集成額外通信協(xié)議（如TCP/IP）解決多個(gè)接收器的能力。