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高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)下的AUTOSAR通信棧的優(yōu)化方法

2022-01-12 08:50:30·  來源：智能汽車開發(fā)者平臺(tái) ，作者shuqi  
　
1 簡介目前，汽車行業(yè)的技術(shù)發(fā)展正在加速增長。諸如自動(dòng)駕駛和Car2X等新趨勢要求對(duì)交互環(huán)境有詳細(xì)的了解。因此，車輛之間以及與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系越來越緊密。
1 簡介
目前，汽車行業(yè)的技術(shù)發(fā)展正在加速增長。諸如自動(dòng)駕駛和Car2X等新趨勢要求對(duì)交互環(huán)境有詳細(xì)的了解。因此，車輛之間以及與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系越來越緊密。它們的功能通過智能軟件模塊得到增強(qiáng)，有助于增加車輛的性能。在自動(dòng)駕駛的情況下，需要專門的傳感器，以便有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)車輛360°環(huán)境識(shí)別。鑒于操作條件的復(fù)雜性，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）出現(xiàn)了，可以用以減少運(yùn)作期間可能出現(xiàn)的危及生命的情況。
高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)是一個(gè)基于車輛的智能安全系統(tǒng)，在道路和交通安全方面為駕駛員提供支持。該模塊通過部分和完全取代駕駛員的行為來監(jiān)控、警告甚至控制車輛。雖然ADAS的形式多種多樣，但它們都有一個(gè)共同的目的: 使駕駛體驗(yàn)更安全、更舒適。ADAS市場的構(gòu)建考慮到了組件類型及其使用區(qū)域。第一類包括系統(tǒng)和傳感器類型。系統(tǒng)類型細(xì)分為盲點(diǎn)物體檢測系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、睡意監(jiān)測系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)、智能停車輔助系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、車道偏離警告系統(tǒng)和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)。
傳感器類型類別包括雷達(dá)、圖像傳感器、超聲波傳感器、LiDAR傳感器、紅外傳感器和激光。先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用，如車道偏離警告系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航控制、夜視或盲點(diǎn)探測系統(tǒng)的實(shí)施，大大減少了汽車事故的數(shù)量。根據(jù)新車碰撞測試（NCAP）的政策現(xiàn)代汽車必須證明達(dá)到特定的安全等級(jí)，以鼓勵(lì)在最先進(jìn)的汽車設(shè)計(jì)中進(jìn)行重大安全改進(jìn)。關(guān)注道路安全的政府機(jī)構(gòu)在這方面提供了額外的支持。所有這些工業(yè)、社會(huì)和公共方向都有望在未來催生高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)市場的增長，這需要優(yōu)化的通信實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代化的傳感器，如超聲波和激光傳感器（LiDAR 傳感器），當(dāng)然還有環(huán)視攝像頭，可確保安全距離識(shí)別，此外還可以識(shí)別駕駛環(huán)境。（中央）控制單元處理數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)、視覺信息，甚至主動(dòng)反應(yīng)。如今，這些行動(dòng)通常以數(shù)字方式發(fā)生，并在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)完成。由于現(xiàn)有系統(tǒng)的多樣性和不同制造商提供的所有單獨(dú)解決方案，不可能就哪種傳感器系統(tǒng)或傳感器系列適合用于任何特定的應(yīng)用做出一般性聲明。汽車制造商在所有不同車型中都使用了最多樣化的駕駛員輔助系統(tǒng)、實(shí)用組合和新技術(shù)。傳統(tǒng)上，電子控制單元（ECUs）是以硬件相關(guān)的范例開發(fā)的，考慮到了硬件設(shè)置的具體架構(gòu)組件。這種方法需要為每次硬件升級(jí)創(chuàng)建新軟件。多年來，由于硬件限制，汽車行業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)周期一直在放緩。此外，這降低了軟件的可靠性和可重用性。因此，幾家德國汽車原始設(shè)備制造商（OEMs）啟動(dòng)了機(jī)動(dòng)車開放系統(tǒng)和電子技術(shù)（OSEK）和汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）計(jì)劃，以制定 "汽車分布式電子控制單元的開放式架構(gòu)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"。AUTOSAR 旨在通過提供獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件來提供標(biāo)準(zhǔn)接口，這些應(yīng)用軟件可以通過運(yùn)行時(shí)環(huán)境層分布在車輛 ECU 的各個(gè)組件中。
隨著汽車行業(yè)向智能系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展，AUTOSAR 平臺(tái)是克服可擴(kuò)展性和互操作性挑戰(zhàn)的解決方案之一。自動(dòng)駕駛需要大量的傳感器，因此增加了網(wǎng)絡(luò)參與者的數(shù)量和需要處理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這就是為什么通信流量變得更加復(fù)雜的原因 ，也是因此才需要研究應(yīng)用于 AUTOSAR 層面的優(yōu)化方法。我們研究了在 AUTOSAR 層面上優(yōu)化大數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄?。根?jù)我們查閱的文獻(xiàn)綜述，這種特殊的方法尚未在科學(xué)文獻(xiàn)中有詳細(xì)討論。在之前的工作中, 我們嘗試探索類似解決方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前提案的發(fā)現(xiàn)和結(jié)果側(cè)重于通過描述所使用的方法、技術(shù)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)、測試程序、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和局限性，為具有類似特征的進(jìn)一步項(xiàng)目提供新的科學(xué)見解。
面對(duì)Covid-19爆發(fā)的全球危機(jī)，汽車行業(yè)正在為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用引入新的測試程序，如遠(yuǎn)程測試。在這種情況下，特定的設(shè)備形成了復(fù)雜的測試實(shí)驗(yàn)室，可以在任何距離和任何時(shí)間訪問這些實(shí)驗(yàn)室。我們的研究是基于想在處理雷達(dá)傳感器時(shí)提供這種解決方案。
基于上述觀察，本文的研究問題表述如下：(RQ1) 構(gòu)建AUTOSAR通信優(yōu)化所需的解決方案; (RQ2) 構(gòu)建遠(yuǎn)程測試架構(gòu)和環(huán)境，用以訪問和測試 AUTOSAR 級(jí)別的優(yōu)化; (RQ3) 在性能和運(yùn)行時(shí)間測量方面分析我們的系統(tǒng)，以便就我們的解決方案提供明確的科學(xué)結(jié)果，使研究人員在未來具有類似特征的工作中受益。
本文的其他部分：第2節(jié)介紹了AUTOSAR的基礎(chǔ)知識(shí)，隨后的第3節(jié)包含了AUTOSAR和雷達(dá)傳感器優(yōu)化以及AUTOSAR測試的文獻(xiàn)回顧。接下來，在第4節(jié)中介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和三個(gè)主要特點(diǎn)：AUTOSAR優(yōu)化解決方案，以遠(yuǎn)程方式訪問雷達(dá)傳感器，以及性能測試模塊的實(shí)現(xiàn)。本文的下一部分，即第5節(jié)，介紹了我們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和獲得的結(jié)果，而第6節(jié)則是我們的研究的結(jié)論。

2 AUTOSAR的基本概念
汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）成立于2003年，是一個(gè)由汽車制造商組成的全球開發(fā)合作聯(lián)盟。該聯(lián)盟的目標(biāo)是為汽車ECU創(chuàng)建和建立一個(gè)開放、穩(wěn)健和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)。這種設(shè)計(jì)包括對(duì)各種車輛和平臺(tái)變體的可擴(kuò)展性和軟件的可移植性，一切以可用性、可靠性和安全要求為基礎(chǔ)。它還旨在維護(hù)基于預(yù)定義的“產(chǎn)品生命周期”的開發(fā)過程。
AUTOSAR的開發(fā)過程 (圖 1) 是在以下軟件層中實(shí)現(xiàn)的。MCAL（微控制器抽象層）、基本軟件層（BSW）、運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）和應(yīng)用層。運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）的作用是將網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用程序的軟件組件（SWC）解耦，并以基本軟件（BSW）的形式提供統(tǒng)一服務(wù)，如系統(tǒng)和診斷服務(wù)、總線通信、IO訪問和內(nèi)存管理。BSW通信棧由服務(wù)層、ECU抽象層和微控制器抽象層（MCAL）組成。AUTOSAR通信棧 (圖 2) 為BSW模塊以及應(yīng)用層提供通信服務(wù)。


圖 1 AUTOSAR 架構(gòu)


圖 2 總線通信棧
通信（COM）模塊位于RTE和PDU路由器之間，負(fù)責(zé)提供對(duì)應(yīng)用層所需信號(hào)的訪問。它還提供獨(dú)立于所使用協(xié)議的對(duì)較低層的PDU級(jí)別訪問。在發(fā)射器端，它將把所有的信號(hào)打包成一個(gè)PDU，而在應(yīng)用端將把收到的PDU解包，以便為應(yīng)用提供信號(hào)電平訪問。
協(xié)議數(shù)據(jù)單元路由器（PduR）模塊是服務(wù)層的一部分，將把PDU路由到特定的總線接口模塊。它為以下模塊的PDU路由提供服務(wù): 傳輸協(xié)議模塊；通信接口模塊；診斷通信管理器（DCM）和傳輸協(xié)議模塊；COM和通信接口模塊或I-PDU復(fù)用器；IPDU-復(fù)用器；和通信接口模塊。
通過總線傳輸協(xié)議（TP）模塊可獲得的基本服務(wù)是：對(duì)那些有效載荷超過8字節(jié)的信息進(jìn)行分段，在流控制下傳輸信息，并在接收器處重新組裝分段信息?？偩€狀態(tài)管理器(SM)模塊將為相應(yīng)的總線實(shí)現(xiàn)控制流。總線網(wǎng)絡(luò)管理器(NM)模塊的目的是管理網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行模式和總線休眠模式之間的轉(zhuǎn)換?？偩€接口模塊是ECU抽象層的一部分，作為硬件抽象層（最低層）和服務(wù)層（總線接口模塊以上）之間的接口。外部總線驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈臃?wù)提供總線特定的收發(fā)器訪問。
由于現(xiàn)代ECUs中存在各種復(fù)雜的模塊化嵌入式軟件組件，在實(shí)現(xiàn)軟件功能時(shí)，必須達(dá)到不同的汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)。ASIL是由ISO 26262-道路車輛-功能安全標(biāo)準(zhǔn)定義的，作為軟件功能實(shí)現(xiàn)的屬性，例如，在嵌入式系統(tǒng)中。ASIL被提出，作為對(duì)開發(fā)中的產(chǎn)品進(jìn)行威脅分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，表明軟件功能必須實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量等級(jí)。ECU軟件可以由安全相關(guān)和非安全相關(guān)的組件組成；因此，必須考慮到不同的ASIL等級(jí)。在這種情況下，ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要么在開發(fā)階段必須遵循最高的ASIL等級(jí)，要么具有較低ASIL等級(jí)的軟件組件必須與具有較高ASIL等級(jí)的組件實(shí)現(xiàn)接口自由。
為了確保各種軟件組件之間所需的接口自由度，已實(shí)施AUTOSAR功能安全機(jī)制，以防止、檢測和減輕可能出現(xiàn)的軟件和硬件故障。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)定義了諸如內(nèi)存、時(shí)序、信息交換和執(zhí)行等故障組。例如，通過將操作系統(tǒng)應(yīng)用程序存儲(chǔ)在不同的內(nèi)存區(qū)域，AUTOSAR OS系統(tǒng)允許為內(nèi)存故障提供接口自由。因此，在代碼執(zhí)行過程中，內(nèi)存分區(qū)可以保護(hù)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序免受其他應(yīng)用程序的影響。除了功能安全機(jī)制外，AUTOSAR的其他各種功能安全措施也支持安全相關(guān)軟件的開發(fā)。
在與質(zhì)量相關(guān)的相同背景下，汽車軟件過程改進(jìn)和能力確定（ASPICE）旨在評(píng)估一個(gè)組織的軟件開發(fā)過程性能，并強(qiáng)調(diào)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)實(shí)踐。也就是說，ASPICE被定義為汽車OEM應(yīng)用的框架，用于確定和評(píng)估汽車行業(yè)的軟件開發(fā)過程。在不考慮安全方面的情況下，ASPICE可以確定一個(gè)組織的軟件產(chǎn)品交付能力。然而，為了確保安全相關(guān)的要求，該組織必須證明其符合ASPICE和ISO 26262。ASPICE 涵蓋了整個(gè)開發(fā)過程，提供了實(shí)現(xiàn)功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262所需的框架。為了更好地理解兩者之間的聯(lián)系，ISO 26262可以被看作是ASPICE從功能安全角度定義的軟件開發(fā)的延伸。即使ASPICE和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)在許多方面是不同的，但在工作產(chǎn)品的可追溯性和變更管理等方面仍然可以找到相似之處。

3 前期工作
本節(jié)介紹了有關(guān)我們論文的主要議題、AUTOSAR通信和優(yōu)化以及AUTOSAR測試的最新文獻(xiàn)。
3.1 AUTOSAR 通信
在Anna Arestova等人的工作中，他們解決了通信挑戰(zhàn)，并提出了AUTOSAR自適應(yīng)平臺(tái)、名為開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信技術(shù)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TN）的整合方法。通過結(jié)合使用TSN和OPC UA，通信開銷大大減少，實(shí)現(xiàn)了各種設(shè)備之間的靈活通信。
然而，只有當(dāng)數(shù)據(jù)流是安全的，通信優(yōu)化才是可靠的。Cinzia Bernardeschi等人提出了一種方法來檢查帶安全注釋的AUTOSAR模型中的數(shù)據(jù)安全流。這種方法是基于對(duì)信息流的分析和抽象的解釋。他們的研究工作旨在提高汽車通信的安全性，因?yàn)樽罱难芯空J(rèn)為，入侵者可以破壞現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的可操作性。他們定義了解決網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)要求的AUTOSAR建模擴(kuò)展，同時(shí)開發(fā)了一個(gè)代碼生成工具，該工具綜合了要使用的適當(dāng)服務(wù)。事實(shí)證明，這些自動(dòng)生成的安全組件極大地減少了開發(fā)階段的常見錯(cuò)誤。遵循相同網(wǎng)絡(luò)安全路徑， Pietro Biondi 等人提出了TOUCAN協(xié)議的概念驗(yàn)證。該安全協(xié)議遵循AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信的安全。因此，該協(xié)議的目標(biāo)是建立CAN幀的安全通信。該團(tuán)隊(duì)學(xué)者認(rèn)為，TOUCAN為CAN通信增加了安全性，同時(shí)對(duì)運(yùn)行時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)。在專業(yè)的汽車環(huán)境外測試該協(xié)議，進(jìn)一步證明了TOUCAN協(xié)議的易用性。Haichun Zhang等人的另一項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了CAN總線協(xié)議的脆弱性。為了評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)，我們提出了一個(gè)模擬惡意攻擊的車載CAN安全評(píng)估工具--CANsec。此外，即使在沒有提供車輛制造商信息的情況下，作者也證明了CANsec的作用。
汽車行業(yè)電子控制單元對(duì)計(jì)算能力的高需求催生了一種新的解決方案，以取代廣泛使用的單核處理器。因?yàn)榫哂懈叩挠?jì)算能力和能源效率，多核電子控制單元的使用迅速增加。因此，很多研究提出了基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化方法。為了最小化通信成本，Priyanshi Gupta等人提出了一種算法，用于在多核汽車嵌入式系統(tǒng)中高效映射AUTOSAR 可運(yùn)行項(xiàng)。該解決方案旨在解決AUTOSAR定期運(yùn)行項(xiàng)和任務(wù)的數(shù)據(jù)依賴所產(chǎn)生的通信開銷，試圖將可運(yùn)行項(xiàng)從單核映射到多核。該算法是同質(zhì)多核系統(tǒng)的一個(gè)可能解。針對(duì)多核電子控制單元可運(yùn)行到任務(wù)映射的優(yōu)化問題，Thomas Wilhelm和Raphael Weber提出了一個(gè)解決方案自動(dòng)化兩個(gè)流程步驟，其中優(yōu)化了可運(yùn)行任務(wù)映射的初始步驟和AUTOSAR平臺(tái)中的優(yōu)化步驟。通過使用約束編程，可以自動(dòng)化平衡核心利用率，同時(shí)作者使用了進(jìn)化算法來優(yōu)化已經(jīng)存在的配置。該論文還展示了AUTOSAR的隱性設(shè)計(jì)約束如何影響進(jìn)化算法的建模。為了減少AUTOSAR中的繁忙等待，Robert Hottger等人提出了一個(gè)基于任務(wù)-釋放-Delta的可運(yùn)行重新排序(TDRR)的概念。為了減少任務(wù)響應(yīng)時(shí)間，提高并行效率，改善時(shí)序可預(yù)測性，對(duì)一些AUTOSAR可運(yùn)行項(xiàng)進(jìn)行重新排序。他們的工作通過使用TDRR來執(zhí)行具有不同離線計(jì)算可運(yùn)行順序的任務(wù)，成功地完全應(yīng)用于AMALTHEA模型。此外，工業(yè)用例的實(shí)驗(yàn)證明了該解決方案能夠通過減少任務(wù)響應(yīng)時(shí)間來提高系統(tǒng)性能。在此基礎(chǔ)上, Sebastian Kehr 等人提出了一種延遲感知的并行化技術(shù)Parcus，它結(jié)合了可運(yùn)行項(xiàng)和任務(wù)級(jí)并行。該技術(shù)被用于AUTOSAR遺留應(yīng)用程序的進(jìn)行穩(wěn)健和具有能源感知的并行。此外，還提出了一種進(jìn)化算法，以探索大量的調(diào)度可能性?？紤]到延遲和處理器頻率，并行調(diào)度質(zhì)量指標(biāo)對(duì)并行化的成功與否進(jìn)行了量化。作者用一個(gè)真實(shí)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)證明了Parcus技術(shù)的適用性。

優(yōu)化機(jī)會(huì)可以出現(xiàn)在任何方向，Qingling Zhao等人證明了這一點(diǎn)，在他們的論文中，優(yōu)化了具有混合臨界調(diào)度和搶占閾值的AUTOSAR模型的設(shè)計(jì)。由于混合臨界嵌入式系統(tǒng)的可調(diào)度性分析的發(fā)展，他們提出了兩種算法，PA-DMMPT 和 HeuPADMMPT。這兩種算法旨在以最小化系統(tǒng)堆棧內(nèi)存使用量的方式分配調(diào)度參數(shù)。使用隨機(jī)生成的混合臨界可運(yùn)行集進(jìn)行性能評(píng)估，結(jié)果表明該方法可以顯著降低系統(tǒng)內(nèi)存堆棧的使用。針對(duì)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的相同系統(tǒng)，Nesredin Mahmud等人的目標(biāo)是優(yōu)化容錯(cuò)嵌入式軟件應(yīng)用程序的分配。他們所提出的優(yōu)化基于一個(gè)整數(shù)線性編程模型，該模型在考慮到強(qiáng)加的時(shí)序和可靠性要求的情況下，使系統(tǒng)的總功耗最小。合成汽車應(yīng)用程序評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該優(yōu)化方法可有效地應(yīng)用于中小型分布式容錯(cuò)應(yīng)用，但不適用于復(fù)雜應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車載故障診斷系統(tǒng)的離線分析，Shilpa Raju等人提出了一種機(jī)制，用于建立車輛上記錄的故障數(shù)據(jù)的時(shí)間關(guān)系。由于車輛網(wǎng)絡(luò)由異構(gòu)的ECU組成，每個(gè)ECU都有自己的本地時(shí)間，因此故障數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致不一致的結(jié)果。作者提出了一個(gè)同步的全局時(shí)間基準(zhǔn)，為整個(gè)車輛網(wǎng)絡(luò)的公共時(shí)間戳提供了一個(gè)解決方案。在一個(gè)實(shí)際的硬件設(shè)置上進(jìn)行的測試成功的實(shí)現(xiàn)了時(shí)間從站和時(shí)間主站之間的時(shí)間同步。
3.2 AUTOSAR 測試
隨著現(xiàn)代汽車上安裝的軟件組件數(shù)量的增加，軟件故障導(dǎo)致嚴(yán)重后果的概率也在增加。這些組件由數(shù)百萬行需要充分測試的代碼組成。為了測試AUTOSAR架構(gòu)中的這些軟件組件，測試人員采用了硬件在環(huán)模擬。然而，這些模擬有其自身的局限性，因?yàn)檐浖M件不能在早期階段進(jìn)行測試。針對(duì)汽車行業(yè)的功能安全，Jihyun Park和Byoungju Choi強(qiáng)調(diào)了基于AUTOSAR的軟件故障注入測試的重要性。這兩位學(xué)者提出了一種故障注入的方法，并定義了可能發(fā)生的軟件故障類型。這些故障可能是由于不同AUTOSAR層之間的調(diào)用關(guān)系而引起的。該方法應(yīng)用軟件開發(fā)過程中，可以注入基于AUTOSAR的汽車軟件的各種故障。此外，該解決方案是作為ASFIT實(shí)現(xiàn)的，并與現(xiàn)有的故障注入方法進(jìn)行了比較。一家韓國汽車公司進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)證研究，證實(shí)了該方法的卓越性。Kazuto Shigihara等人指出AUTOSAR實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模塊的測試面臨不同的挑戰(zhàn)，并引入了測試程序生成器來解決這些問題。測試AUTOSAR操作系統(tǒng)的面臨挑戰(zhàn)之一是需要大量的測試案例，從而導(dǎo)致的執(zhí)行耗時(shí)。在他們的研究中，闡明了更深層的挑戰(zhàn)，并引入了一種新的測試程序生成器。此外，為了解決非信任操作系統(tǒng)應(yīng)用程序的約束，他們開發(fā)了一個(gè)測試庫。通過對(duì)AUTOSAR操作系統(tǒng)的商業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的測試，證明了該方法的有效性。

針對(duì) AUTOSAR 中軟件在環(huán)的測試技術(shù)的差距，Sooyong Jeong 和 Woo Jin Lee提出了一種自動(dòng)化測試技術(shù)。由于涉及到閉環(huán)控制和反饋機(jī)制，所以還沒有使用SiL模擬測試AUTOSAR組件的自動(dòng)化技術(shù)，因而手動(dòng)測試盛行。為了使用作為現(xiàn)有SiL模擬器集成的自動(dòng)測試模塊，可以通過測試用例轉(zhuǎn)換方法，將包括閉環(huán)的測試用例轉(zhuǎn)換為時(shí)間形式。通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了他們所提出的自動(dòng)化測試方法的效率和效果。按照類似的方法，Andrija Mihalj等人提出了一個(gè)現(xiàn)有的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)環(huán)境測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)在AUTOSAR架構(gòu)的中間層為通信模擬創(chuàng)建了一個(gè)測試環(huán)境。該系統(tǒng)創(chuàng)建的生成器和測試環(huán)境被用來測試控制單元之間的通信。測試環(huán)境發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)基于Python的程序，用于處理ARXML。此外，通過使用不同的測試環(huán)境發(fā)生器配置，可以對(duì)ADAS系統(tǒng)的性能進(jìn)行定性檢查。擬議的測試環(huán)境生成器由解析器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和生成器組成。然而，他們所進(jìn)行的這些測試強(qiáng)調(diào)了未來工作的重要性，即需要加快執(zhí)行時(shí)間并引入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法。
3.3 AUTOSAR遠(yuǎn)程測試
現(xiàn)代汽車日益增強(qiáng)的連接性可以被視為汽車工業(yè)最令人矚目的方面之一。同時(shí)，通信技術(shù)的發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了巨大的潛力。AUTOSAR的存在結(jié)合將這兩個(gè)機(jī)遇結(jié)合到一起，提供了將現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合到現(xiàn)代汽車的機(jī)會(huì)。Marko Dragojevic′ 等人提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程診斷現(xiàn)代車輛的方法。他們使用已經(jīng)存在的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來加強(qiáng)汽車中間件--自適應(yīng)AUTOSAR，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)測。該團(tuán)隊(duì)所提出的架構(gòu)演示了如何利用簡化的功能，將物聯(lián)網(wǎng)輕松集成到自適應(yīng)AUTOSAR中。該研究的結(jié)論是，他們的解決方案會(huì)產(chǎn)生一定的開銷。然而，他們研究的目的是為了說明當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車行業(yè)的可行性。為了升級(jí)基于物聯(lián)網(wǎng)解決方案的軟件， Stevan Stevic′ 等人介紹了他們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自適應(yīng) AUTOSAR 平臺(tái)結(jié)合的解決方案。該解決方案包括軟件架構(gòu)升級(jí)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的云連接以及自適應(yīng)AUTOSAR堆棧的擴(kuò)展。他們所選擇的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是OBLO，用作系統(tǒng)的后端部分，其允許對(duì)現(xiàn)代車輛進(jìn)行空中更新(OTA)。新的自適應(yīng)AUTOSAR平臺(tái)與OBLO結(jié)合，針對(duì)解決有關(guān)更新昂貴和更新緩慢的問題。

隨著越來越多的雷達(dá)解決方案被引入到汽車應(yīng)用中，我們需要驗(yàn)證這些方案符合標(biāo)準(zhǔn)，并確保性能。在Carlos Junio Rocha等人的論文中，他們提出了一種自動(dòng)化的方法，可以在各種雷達(dá)裝置的生產(chǎn)單位進(jìn)行空中測試和驗(yàn)證。該方法不僅涵蓋了通過/失敗條件，而且還可用于確定雷達(dá)天線陣輻射圖。他們所展示的研究結(jié)果說明了在清潔和屏蔽的消聲環(huán)境中進(jìn)行測試的重要性。Patrick Pelland等人提出了汽車測試環(huán)境中遇到的一些獨(dú)特挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)學(xué)者指出，傳統(tǒng)的空中技術(shù)不足以測試復(fù)雜的系統(tǒng)，如現(xiàn)代汽車。他們的論文結(jié)語表示，下一代汽車天線測量系統(tǒng)將用于空中測試和天線模式測量。未來，這些設(shè)施將配備定位系統(tǒng)，適用于帶有 OTA 測試設(shè)備的車輛，以幫助與相關(guān)的無線系統(tǒng)進(jìn)行通信。Philipp Berlt等人強(qiáng)調(diào)了開發(fā)新的測試程序的重要性，因?yàn)槿绻漕l端口無法訪問，現(xiàn)有的測試程序就無法執(zhí)行。無線信息和車輛運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系也突出了這一點(diǎn)。
Sreehari Buddappagari 等人在他們的論文中介紹了一個(gè)基于空中方法的完整測試系統(tǒng)，用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的安裝性能評(píng)估。由于雷達(dá)系統(tǒng)是自主和互聯(lián)駕駛技術(shù)的最重要的部分之一，其功能性能必須得到徹底驗(yàn)證。但這種方法消耗資源較多，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)較大。這項(xiàng)工作利用了一個(gè)示范性的交通場景，以驗(yàn)證整個(gè)實(shí)施系統(tǒng)的性能。進(jìn)行的測試取得了良好的效果，其模擬結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相似。同樣，Sreehari Buddappagari和hJayapal Gowdu等人將77GHz雷達(dá)視為自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)測試的資源消耗，因?yàn)閭鹘y(tǒng)測試必須由真實(shí)的測試駕駛員駕駛覆蓋數(shù)百萬公里的路程。該團(tuán)隊(duì)所提出的解決方案旨在通過使用硬件在環(huán)模擬虛擬雷達(dá)環(huán)境來增強(qiáng)真實(shí)的現(xiàn)場測試。該解決方案允許在車輛上安裝待測雷達(dá)的情況下，模擬車輛各互聯(lián)子系統(tǒng)的響應(yīng)行為?？罩蟹椒ㄔ试S在無需修改的情況下操作雷達(dá)傳感器，而虛擬環(huán)境有助于測試同一雷達(dá)傳感器的正確操作。該團(tuán)隊(duì)成功地創(chuàng)建了一個(gè)整體的、可重復(fù)的、可靠的、可擴(kuò)展的端到端測試概念。Michael Gadringer等人撰寫的文章模擬器的開發(fā)過程，該模擬器負(fù)責(zé)生成虛擬雷達(dá)目標(biāo)，以測試?yán)走_(dá)傳感器。正如之前的文章中所述，強(qiáng)調(diào)了廣泛使用的道路測試的風(fēng)險(xiǎn)及其他相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和資源消耗。雷達(dá)目標(biāo)模擬器和負(fù)責(zé)生成模擬器輸入?yún)?shù)的軟件已經(jīng)被開發(fā)出來。該測試臺(tái)用于車輛在環(huán)測試，以模擬其在道路上的測試公里數(shù)。雷達(dá)目標(biāo)模擬器的性能在實(shí)驗(yàn)室和滾筒試驗(yàn)臺(tái)上都得到了驗(yàn)證。此外，這些學(xué)者對(duì)雷達(dá)傳感器潛在的未來發(fā)展進(jìn)行了概述，指出這些趨勢將對(duì)他們研究的雷達(dá)目標(biāo)模擬器系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。
另一方面，Nils Hirsenkorn 及其團(tuán)隊(duì)討論了模擬精度和虛擬傳感器的真實(shí)性的重要作用。他們的論文描述了一個(gè)汽車?yán)走_(dá)傳感器的模擬方法，從波的傳輸開始，一直到中頻信號(hào)。為了獲得高保真度，天線功率圖、反射和光線發(fā)散都有考慮在內(nèi)。最后，該模型被部署在虛擬試駕中，這是一個(gè)詳細(xì)的駕駛模擬器，能夠呈現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)測試類似的結(jié)果。為了給空中雷達(dá)傳感器測試提供低雜波環(huán)境，Muhammad Ehtisham Asghar等人經(jīng)過初步分析，提出了一種最佳吸收器配置。為了檢測測試設(shè)施中的雜波和不需要的散射，該學(xué)者利用了可編程的雷達(dá)手冊(cè)和具有熟知的參考雷達(dá)傳感器。通過對(duì)不需要的反射進(jìn)行出色的檢測，證明了所提方法的效率。
3.4 雷達(dá)優(yōu)化

由于雷達(dá)傳感器在安全駕駛體驗(yàn)中發(fā)揮重要作用，快速發(fā)展的汽車行業(yè)利用這些傳感器，來提高對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的檢測能力。然而，高分辨率的雷達(dá)傳感器和LiDAR導(dǎo)致了一個(gè)擴(kuò)展的目標(biāo)跟蹤問題。Karl Granstrom 等人強(qiáng)調(diào)了當(dāng)每個(gè)被跟蹤目標(biāo)有多個(gè)檢測時(shí)面臨的問題。他們?cè)谡撐闹刑岢隽艘环N隨機(jī)優(yōu)化方法，在一個(gè)步驟中解決了這個(gè)問題，并使所需的可能性最大化。基于采樣的方法在用Velodyne數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，表明所提出的過濾器優(yōu)于以前的任何其他方法。此外，該解決方案不依賴多種算法，而是直接輸出所需的可能性。Ali Walid Daher等人也專注于優(yōu)化移動(dòng)目標(biāo)的分類，他們提出了一種應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的解決方案。通過使用Raspberry Pi進(jìn)行培訓(xùn)和測試，物聯(lián)網(wǎng)被引入他們的工作中。Rulex是一個(gè)高性能的機(jī)器學(xué)習(xí)包，已被移植到客戶端/服務(wù)器設(shè)置中的電路板上。實(shí)驗(yàn)證明，人類的準(zhǔn)確率為100%，車輛的準(zhǔn)確率為96.67%。為了改善移動(dòng)目標(biāo)的成像并提高角度分辨率，Shahzad Gishkori等人用前視汽車?yán)走_(dá)傳感器擴(kuò)展了前攝合成孔徑雷達(dá)方法。為了區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)，他們將非參數(shù)矩陣分解方法應(yīng)用于前向掃描合成孔徑雷達(dá)。在工作過程中，采用乘法器迭代法中的交替方向法解決優(yōu)化問題。最后，通過模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

4 方法
本文介紹的系統(tǒng)為雷達(dá)傳感器上實(shí)現(xiàn)的AUTOSAR通信提供了一個(gè)優(yōu)化解決方案。該傳感器可以通過一個(gè)從頭開始實(shí)施的Arduino接口進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。本方法的研究步驟如下：
  1. 分析文獻(xiàn)綜述，以了解AUTOSAR優(yōu)化和遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器的現(xiàn)有方法（第3節(jié)）；
  2. 構(gòu)建兼顧通信優(yōu)化、遠(yuǎn)程測試、雷達(dá)應(yīng)用測試的系統(tǒng)架構(gòu) （第4節(jié)）；
  3. 實(shí)施私有數(shù)據(jù)適配器(PDA) 優(yōu)化方案 （第4.1節(jié)）；
  4. 構(gòu)建雷達(dá)傳感器遠(yuǎn)程測試樣機(jī) （第4.2節(jié)）；
  5. 通過構(gòu)建雷達(dá)生產(chǎn)模式（RPM）模塊來實(shí)施性能測試 （第4.3節(jié)）；
  6. 對(duì)已實(shí)施的性能測試進(jìn)行分析 （第5.1節(jié)和第5.2節(jié)）；
  7. 確定并討論使用擬議優(yōu)化方案的優(yōu)勢和劣勢 （第5.23節(jié))。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要分為三個(gè)部分。應(yīng)用程序安裝在機(jī)器上時(shí)，它是在傳感器內(nèi)運(yùn)行的軟件組件。該模塊表示通信軟件模塊，即私有數(shù)據(jù)適配器（PDA）的實(shí)現(xiàn)，該模塊用于專用通信系統(tǒng)（傳感器到傳感器的通信），并集成在AUTOSAR通信中。


圖 3 系統(tǒng)架構(gòu)
該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了滿足遠(yuǎn)程測試的要求（如RQ2中提出的），這意味著在正常的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室之外，在特定條件下工作的開發(fā)者將能夠訪問雷達(dá)傳感器的應(yīng)用程序。開發(fā)人員或測試人員通過互聯(lián)網(wǎng)連接到Arduino接口，而雷達(dá)傳感器連接到公司實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部定義的接口。隨著第五代雷達(dá)傳感器的發(fā)展，需要有一種軟件能夠測試傳感器是否正確組裝，并為其商業(yè)使用做準(zhǔn)備。雷達(dá)生產(chǎn)模式（RPM）是一個(gè)軟件組件，能對(duì)雷達(dá)傳感器及其應(yīng)用程序進(jìn)行各種測試和處理，如內(nèi)存使用和運(yùn)行時(shí)間測試。這些測試是基于在CAN總線上收到的命令執(zhí)行的。因此，RPM是一個(gè)按照需求-響應(yīng)原則工作的組件，唯一自動(dòng)完成的活動(dòng)是初始化它所需要的各種驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)其目的。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)讀取各種電壓、溫度、信號(hào)和內(nèi)存部分。此外，RPM提供的另一項(xiàng)服務(wù)是在其所在項(xiàng)目的現(xiàn)有通信通道上發(fā)送固定結(jié)構(gòu)報(bào)文。這些可以是CAN或以太網(wǎng)總線。發(fā)送的報(bào)文的結(jié)構(gòu)將由其接收器檢查，以確認(rèn)傳感器通信是否按預(yù)期工作。
當(dāng)前生成的RPM是與其他軟件組件一起加載到傳感器的ROM內(nèi)存中的。上傳則是通過微控制器內(nèi)存上的閃存完成的。一般來說，每個(gè)軟件組件在初始化時(shí)都會(huì)配置傳感器的硬件組件，但由于這個(gè)步驟已從RPM中刪除，它是基于之前運(yùn)行的組件，即Flash Bootloader (FBL)所做的配置。這個(gè)限制意味著對(duì)FBL配置所做的任何改變都會(huì)對(duì)RPM的功能產(chǎn)生負(fù)面影響。
雷達(dá)生產(chǎn)模式（RPM）與閃存加載程序進(jìn)行通信，這是傳感器開啟后運(yùn)行的第一個(gè)組件。該組件負(fù)責(zé)檢查傳感器內(nèi)存中其他軟件組件的完整性。這種檢查是通過計(jì)算每個(gè)組件的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來完成的，并將結(jié)果與組件加載到內(nèi)存時(shí)附加在其上的驗(yàn)證值進(jìn)行比較。此外，F(xiàn)BL可以分析哪些軟件組件在傳感器啟動(dòng)時(shí)存在，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定將啟動(dòng)哪個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證且無錯(cuò)誤的組件。有兩個(gè)組件可以由FBL啟動(dòng)，即傳感器應(yīng)用程序和測試軟件管理器，其優(yōu)先于應(yīng)用程序。
測試軟件管理器（TSM）的工作原理與RPM類似，都是基于需求-響應(yīng)原則。這個(gè)組件等待一個(gè)請(qǐng)求，以報(bào)文的形式在CAN總線上發(fā)送，在處理請(qǐng)求后，它決定哪個(gè)測試組件將檢查并啟動(dòng)它。在RPM的場景中，它將比較RPM中發(fā)現(xiàn)的有效性模型和TSM中包含的有效性模型模型。有效性模型是一個(gè)預(yù)先確定的數(shù)值序列（圖4），分別寫在傳感器內(nèi)存以及RPM和TSM的儲(chǔ)存部分中。如果有效性模型相同，TSM將開啟RPM的啟動(dòng)過程，包括將其從ROM復(fù)制到RAM并從RAM啟動(dòng)。測試過程結(jié)束時(shí)，RPM將從傳感器內(nèi)存中刪除TSM。
圖 4 RPM中的有效性模型
另一個(gè)可以由TSM啟動(dòng)的組件是生產(chǎn)校準(zhǔn)（PC）。它可以處理傳感器雷達(dá)天線的校準(zhǔn)，它從傳感器的存儲(chǔ)器中的刪除也是由RPM執(zhí)行的。
4.1 私有數(shù)據(jù)適配器模塊
77Ghz雷達(dá)傳感器的通信系統(tǒng)是由一種特定的通信類型劃分的。它是由ECU和傳感器之間的特定車輛通信形成的。此外，在每兩個(gè)雷達(dá)傳感器之間建立專用通信。OEM的要求描述了雷達(dá)傳感器使用的通信類型。這可以在CAN總線、以太網(wǎng)或這兩者的組合上進(jìn)行。鑒于車輛最多可配備16個(gè)雷達(dá)傳感器，在車輛的專用信道上可以有8對(duì)此類傳感器發(fā)起通信。在給定的時(shí)間，作為原始目標(biāo)的數(shù)據(jù)在兩個(gè)雷達(dá)傳感器之間通過專用通信信道進(jìn)行交換。這些數(shù)據(jù)是從環(huán)境中收集的，而私有通信的結(jié)果將在車輛通信信道內(nèi)創(chuàng)建和傳輸目標(biāo)和警告。汽車傳感器的編號(hào)從汽車的前部開始。在這方面，標(biāo)識(shí)為 S0 的傳感器將在專用通道上與傳感器S1建立通信；傳感器S2將與傳感器S3建立通信，依此類推。考慮到在某個(gè)時(shí)間t0只有兩個(gè)傳感器可以在一個(gè)專用通道上進(jìn)行通信，為了簡化軟件，一個(gè)位于左邊的傳感器（用偶數(shù)標(biāo)識(shí)符-S0-S14命名）將發(fā)送名稱以"_S0 "結(jié)尾的報(bào)文。同時(shí)，一個(gè)右側(cè)位置的傳感器（用奇數(shù)標(biāo)識(shí)符--S1-S15命名）將發(fā)送名稱以"_S1 "結(jié)尾的信息?？紤]到將在專用通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，可以在以太網(wǎng)或CAN FD上發(fā)起通信。CAN FD的配置的仲裁速率是1Mb/s，配置的數(shù)據(jù)速率是2Mb/s。此外，以太網(wǎng)的總線速度配置為100Mb/s。
我們提出的解決方案稱之為私有數(shù)據(jù)適配器（PDA），它將成為77Ghz雷達(dá)傳感器軟件的一部分，在AUTOSAR層面上實(shí)施。此解決方案可以分為兩個(gè)部分，即軟件組件（SWC）和AUTOSAR復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(dòng)器（CDD），如圖5所示。這兩個(gè)組件有助于在專用通道上進(jìn)行通信。該實(shí)現(xiàn)以1:n的方式促進(jìn)了報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，但同時(shí)它也存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，直到這些數(shù)據(jù)被處理。私有數(shù)據(jù)適配器SWC負(fù)責(zé)在其他SWC和Pdu 路由器之間交換數(shù)據(jù)。私有數(shù)據(jù)適配器CDD代表通信棧中的AUTOSAR上層，并實(shí)現(xiàn)私有數(shù)據(jù)適配器SWC傳輸或接收的所有私有報(bào)文。
圖 5 私有數(shù)據(jù)適配器模塊設(shè)計(jì)
PDA（圖6）使用專用軟件緩沖器來傳輸/接收每個(gè)報(bào)文，并以每60毫秒一次的速度循環(huán)運(yùn)行。同時(shí)，它執(zhí)行報(bào)文的發(fā)送和接收，并通過RTE與其他SWC（如算法模塊）進(jìn)行通信，或者直接與Pdu路由器進(jìn)行通信。
圖 6 AUTOSAR開發(fā)流程中的PDA模塊
PDA SWC的結(jié)構(gòu)是基于幾個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)的，如每個(gè)報(bào)文的傳輸、每個(gè)報(bào)文的接收和PDA的具體功能。除了報(bào)文的傳輸和接收，PDA模塊還負(fù)責(zé)以下工作：
  • 信號(hào)計(jì)算，這意味著對(duì)信號(hào)應(yīng)用一個(gè)因子和/或一個(gè)偏移量，以便在CAN/以太網(wǎng)上傳輸原始值，并在接收端去除它，以獲得其他swc所需的物理值；
  • 范圍檢查，根據(jù)DBC中定義的范圍，和超出范圍的信號(hào)的默認(rèn)值分配（最小值/最大值）；
  • 對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行端到端（E2E）保護(hù)，通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性的CRC信號(hào)，和檢查報(bào)文是否丟失的計(jì)數(shù)器信號(hào)檢來完成。
為了避免CAN FD總線沖突，AUTOSAR通信棧使用了后期構(gòu)建可選變體，這些變體是為每個(gè)傳感器標(biāo)識(shí)符定義的。在所有偶數(shù)變體（S0、S2等）上，報(bào)文命名以"_S0 "結(jié)尾。在所有其他變體上，報(bào)文的名稱以"_S1 "結(jié)尾。一個(gè)CAN總線上只連接兩個(gè)傳感器，因此每個(gè)報(bào)文只需要兩個(gè)不同的標(biāo)識(shí)符。PDA負(fù)責(zé)讀取傳感器ID，并以相應(yīng)的Pdu句柄ID將報(bào)文傳送到Pdu路由器。由于以太網(wǎng)不依賴于報(bào)文的ID，在通信棧中只定義了"_S0 "報(bào)文，PDA發(fā)送它時(shí)不依賴于傳感器標(biāo)識(shí)符。例如，當(dāng)傳感器ID = S0時(shí)，CAN幀信息為<報(bào)文名稱>_S0，而當(dāng)傳感器ID = S1時(shí)，CAN幀信息是<報(bào)文名稱>_S1，等等。對(duì)于以太網(wǎng)幀，所有ID的格式將是相同的，即<報(bào)文名稱>_S0。
PDA模塊實(shí)現(xiàn)了兩種類型的報(bào)文：簡單的報(bào)文（最多64字節(jié)）和頭-數(shù)據(jù)-掛拖類型的復(fù)雜報(bào)文，可以在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送、接收多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文。在報(bào)文大小超過CAN FD上規(guī)定的64字節(jié)時(shí)，可以定義為第二種類型的報(bào)文。發(fā)送和接收的報(bào)文中的最后三個(gè)字節(jié)專門用于端到端（E2E）保護(hù)：循環(huán)冗余檢查（CRC）信號(hào)和計(jì)數(shù)器信號(hào)。頭-數(shù)據(jù)-掛拖類型的復(fù)雜報(bào)文允許數(shù)據(jù)報(bào)文在一個(gè)周期內(nèi)被多次傳輸。對(duì)于每個(gè)定義的信號(hào)，都實(shí)現(xiàn)了一個(gè)設(shè)置（set）和獲取(get)函數(shù)，以便將信號(hào)寫入/讀出軟件緩沖區(qū)，也可以計(jì)算信號(hào)。例如，如果MessageTwoData報(bào)文的某個(gè)信號(hào)One_u8的系數(shù)為0.01，則定義了一個(gè)20的偏移量，以及一個(gè)范圍[20.5,20.5]。圖7 a,b中介紹了將信號(hào)設(shè)置到軟件緩沖區(qū)，以及從軟件緩沖區(qū)中獲取這些信號(hào)的操作。

圖 7 (a) 將信號(hào)設(shè)置到軟件緩沖區(qū)。(b) 從軟件緩沖區(qū)獲取信號(hào)。
4.1.1 PDA 傳輸
在DBC（CAN FD）或arxml（以太網(wǎng)）文件中的每個(gè)報(bào)文都有一個(gè)相應(yīng)的發(fā)送信號(hào)子模塊。通常情況下，在兩個(gè)通道上以1:n的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文的傳輸。但是，也有僅在單個(gè)信道上實(shí)現(xiàn)和傳輸報(bào)文的情況。
所有報(bào)文的傳輸是以循環(huán)方式進(jìn)行的，每60ms循環(huán)一次。如果傳輸被初始化并且被啟用，數(shù)據(jù)將在通道上傳輸。否則，數(shù)據(jù)將在CH0或CH1上傳輸，這取決于其可用性。該過程在圖8中描述。


圖 8 傳輸配置圖
報(bào)文傳輸?shù)牟襟E如圖9所示。此處，應(yīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過RTE接口從SWC讀取，然后逐個(gè)信號(hào)映射到PDA軟件緩沖區(qū)。除了從SWC讀取的信號(hào)外，軟件緩沖區(qū)還可能包含另外兩個(gè)專門用于端對(duì)端保護(hù)的信號(hào)（只有當(dāng)報(bào)文將被其他傳感器接收時(shí)）。軟件緩沖器信息被復(fù)制到一個(gè)Pdu路由數(shù)據(jù)類型中，通過調(diào)用PduR_PdaTransmit函數(shù)和相應(yīng)的Pdu句柄ID來完成其向通信棧的傳輸。


圖 9 報(bào)文傳輸圖
頭-數(shù)據(jù)-掛拖報(bào)文的傳輸包含三個(gè)不同的函數(shù)，每個(gè)報(bào)文包含一個(gè)函數(shù)，這就是為什么PduR_PdaTransmit會(huì)被多次調(diào)用，以傳輸多數(shù)據(jù)報(bào)文。
4.1.2 私有數(shù)據(jù)適配器（PDA）接收
報(bào)文的接收分兩步實(shí)現(xiàn)。第一步，假設(shè)當(dāng)Pda_RxIndication回調(diào)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，將從總線上收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到PDA的軟件緩沖區(qū)（接收模式在通信棧中作為中斷實(shí)現(xiàn)）。在這個(gè)函數(shù)中，更新位被設(shè)置為“TRUE”，以表示收到了一條新報(bào)文（圖10）。此外，每個(gè)收到的報(bào)文都有一個(gè)相應(yīng)的更新位。如果收到更多的消息，并且自上次報(bào)文處理之后沒有再接收?qǐng)?bào)文，更新位將只設(shè)置一次，緩沖區(qū)將包含可供處理的最新數(shù)據(jù)。



圖 10 通過Pda RxIndication函數(shù)接收PDA圖解
報(bào)文接收不取決于傳感器標(biāo)識(shí)符，因?yàn)锳UTOSAR通信棧在其所有變體中對(duì)報(bào)文的是相同的Pdu句柄ID。PDA接收表與Pdule一致 ，它也不依賴于傳感器標(biāo)識(shí)符。如果在Pdu 路由器中MessageOne_S0和MessageOne_S1報(bào)文有一個(gè)Pdu句柄ID為 "0"，那么將在接收端設(shè)置Pda_RxIndication()調(diào)用。在這種情況下，如果數(shù)據(jù)可用，它將被復(fù)制到緩沖區(qū)。如果更新位表已初始化，則設(shè)置更新位。
第二步，數(shù)據(jù)處理，這意味著每個(gè)信號(hào)被解壓并復(fù)制到SWC數(shù)據(jù)格式類型中。在處理數(shù)據(jù)之前，首先應(yīng)清除更新位（設(shè)置為 "FALSE"）。之后，新數(shù)據(jù)通過RTE傳輸?shù)絊WC中。這個(gè)步驟是循環(huán)進(jìn)行的。如果在一個(gè)周期內(nèi)多次收到相同的報(bào)文，數(shù)據(jù)將被重新處理（按規(guī)定的次數(shù)），這意味著 "最后的總是最好的“。報(bào)文接收的處理部分每60毫秒循環(huán)執(zhí)行一次。頭-數(shù)據(jù)-掛拖報(bào)文的接收與上面介紹的類似，只是在這種情況下，為每個(gè)報(bào)文（頭、數(shù)據(jù)、掛拖）都實(shí)現(xiàn)一個(gè)執(zhí)行函數(shù)。在Pda_RxIndication（圖11）中，每個(gè)消息的更新位都被設(shè)置。




圖 11 處理接收的數(shù)據(jù)
4.2 遠(yuǎn)程訪問和測試
由于目前需要從公司的物理邊界以外的地方訪問雷達(dá)傳感器應(yīng)用程序，因此形成了遠(yuǎn)程測試功能。該傳感器與Arduino接口相連，如圖12所示。
Arduino的引腳與繼電器控制引腳、JTAG連接器（用于調(diào)試器）、DB25（用于傳感器）、DE9（用于連接到CAN）和調(diào)試器電源線相連。Arduino的數(shù)字引腳3與繼電器控制引腳相連。GND中斷線與NC（常閉）引腳相連，這意味著調(diào)試器將正常供電。為了安全起見，使用了一個(gè)二極管，放置在連接Arduino和繼電器的電線上，以便在發(fā)生短路時(shí)保護(hù)電路板。
為了實(shí)現(xiàn)調(diào)試器的條帶功能，調(diào)試器通過一個(gè)10引腳的條帶連接到JTAG端口。為了在傳感器上閃現(xiàn)新實(shí)現(xiàn)的代碼，這種連接是必需的。如果在代碼中出現(xiàn)了任何問題或錯(cuò)誤，雷達(dá)傳感器將會(huì)重置。如果雷達(dá)傳感器連接到條帶，這種行為就不能被觀察到，因?yàn)檎{(diào)試器不允許傳感器復(fù)位。因此，測試必須在不連接條帶的情況下進(jìn)行。


圖 12 雷達(dá)傳感器與Arduino的連接
10-引腳條帶需要10個(gè)具有單個(gè)觸點(diǎn)的繼電器來切斷電源。我們選擇了一個(gè)由五個(gè)繼電器組成的解決方案，每個(gè)繼電器有兩個(gè)觸點(diǎn)。Arduino產(chǎn)生的電流的最大電壓為5V，這個(gè)電壓太低，無法同時(shí)關(guān)閉所有五個(gè)繼電器。我們引入了第六個(gè)繼電器，并與Arduino連接，由處于常開狀態(tài)的外部電源供電。在這個(gè)繼電器的幫助下，可以控制其他5個(gè)并聯(lián)的繼電器，這樣施加在每個(gè)繼電器上的電壓是相同的。第一個(gè)繼電器將連接調(diào)試器的條帶，該條帶的10個(gè)引腳仍然與繼電器相連，這樣就有可能中斷電流。第二個(gè)繼電器的引腳將連接到繼電器的輸出端，并將一個(gè)與傳感器連接的條帶連接到它。
通過DB25連接器，為傳感器提供電流，更確切地說，是通過1號(hào)引腳。為了重置傳感器，必須中斷電源。
為了實(shí)現(xiàn)總線關(guān)閉功能，需要三個(gè)繼電器，其連接方式如下。CAN H到GND；CAN L到VCC；以及SHORT H到L。為了實(shí)現(xiàn)過載（圖13），需要兩個(gè)繼電器，CAN H和CAN L。為了確定傳感器在特殊情況下的反應(yīng)，需要建立特定的連接，如CAN H到VCC、CAN L到GND。雷達(dá)傳感器接口模塊如圖14所示。

圖 13 總線關(guān)閉和過載功能
圖 14 雷達(dá)接口模塊
4.3 測試傳感器的應(yīng)用程序
在我們的系統(tǒng)中，雷達(dá)生產(chǎn)模式（RPM）負(fù)責(zé)對(duì)雷達(dá)應(yīng)用程序進(jìn)行必要的測試，以衡量私有數(shù)據(jù)適配器模塊的性能。從RPM的角度來看，這些測試被視為服務(wù)。
第一次調(diào)用RPM模塊時(shí)，它會(huì)調(diào)用其他模塊初始化，但AUTOSAR中的BSW模塊除外。此外，它記錄執(zhí)行服務(wù)所需的所有任務(wù)，然后配置所有必要的引腳和寄存器。在成功完成所有這些步驟后，它在CAN總線上觸發(fā)一個(gè)信息，表示RPM已經(jīng)準(zhǔn)備好接收一個(gè)請(qǐng)求報(bào)文。
有兩種類型的請(qǐng)求：單幀請(qǐng)求，這是簡單的請(qǐng)求，其數(shù)據(jù)包含在一個(gè)CAN報(bào)文的8個(gè)字節(jié)中；多幀請(qǐng)求，它需要幾個(gè)報(bào)文才能傳輸所有需要的數(shù)據(jù)。在多幀請(qǐng)求的情況下，第一個(gè)報(bào)文被發(fā)送，接著是一個(gè)來自RPM的報(bào)文。這個(gè)報(bào)文被稱為 "流控制"，表明RPM已經(jīng)準(zhǔn)備好接收其余的報(bào)文。當(dāng)在CAN總線上收到報(bào)文時(shí)，CAN模塊通過Rx Indication函數(shù)將報(bào)文內(nèi)容發(fā)送給模塊。這個(gè)功能根據(jù)RPM的狀態(tài)，確定收到的是什么類型的報(bào)文。然后對(duì)其進(jìn)行處理，并將其內(nèi)容保存在一個(gè)內(nèi)部緩沖區(qū)中（圖15）。
圖 15 Rx Indication 函數(shù)
其中一個(gè)任務(wù)每毫秒被調(diào)用一次，叫做服務(wù)發(fā)現(xiàn)。它解析報(bào)文的內(nèi)容并檢查其結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)是否有效。緊接著，它檢查RPM的狀態(tài)。如果RPM已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行服務(wù)，它將繼續(xù)向下運(yùn)行。如果需要額外的數(shù)據(jù)來幫助執(zhí)行服務(wù)，就會(huì)觸發(fā)一條報(bào)文發(fā)出信號(hào)。如果RPM還沒有準(zhǔn)備好執(zhí)行服務(wù)，它將等待，直到狀態(tài)改變。一旦RPM準(zhǔn)備好并繼續(xù)執(zhí)行，它就會(huì)確定所請(qǐng)求的服務(wù)屬于哪個(gè)組，報(bào)文內(nèi)容被發(fā)送到該服務(wù)組的過濾功能區(qū)。此步驟可見圖16的活動(dòng)圖。
圖 16服務(wù)發(fā)現(xiàn)函數(shù)
請(qǐng)求的服務(wù)所屬的組的過濾功能將接收?qǐng)?bào)文的內(nèi)容，然后檢查請(qǐng)求的服務(wù)是否存在。如果服務(wù)存在，則調(diào)用該服務(wù)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，將從報(bào)文中提取的執(zhí)行參數(shù)發(fā)送給該服務(wù)。例如，這些執(zhí)行參數(shù)可以是由寫入服務(wù)寫入的值，或者是報(bào)文之間的時(shí)間間隔，以及所選通信通道的測試服務(wù)所要暫存的報(bào)文數(shù)量。根據(jù)其復(fù)雜性和可配置性，也有一些服務(wù)具有自己的過濾功能。
如果在處理請(qǐng)求的過程中，該請(qǐng)求確定是無效的，無論是由于報(bào)文內(nèi)容的結(jié)構(gòu)還是由于其不正確的值，處理都會(huì)停止，并通過發(fā)送一個(gè)否定報(bào)文包含來表明該請(qǐng)求是無效的，該否定報(bào)文包含與請(qǐng)求消息中遇到的錯(cuò)誤相關(guān)的錯(cuò)誤代碼。一旦被調(diào)用，該服務(wù)就試圖滿足請(qǐng)求。在成功的情況下，它將觸發(fā)發(fā)送一個(gè)包含服務(wù)結(jié)果的肯定報(bào)文。如果無法滿足請(qǐng)求，它就會(huì)觸發(fā)一個(gè)否定報(bào)文，其中包含與它無法滿足請(qǐng)求的原因有關(guān)的錯(cuò)誤代碼。
5 成果
本節(jié)實(shí)現(xiàn)了第4節(jié)中提出的研究方法的第6步和第7步。首先，通過雷達(dá)生產(chǎn)模式下的服務(wù)，調(diào)查了內(nèi)存使用和運(yùn)行時(shí)間測量。此外，對(duì)通過Pdu 路由器實(shí)現(xiàn)PDA的解決方案和完全AUTOSAR解決方案進(jìn)行了分析，并比較了這兩種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
5.1 內(nèi)存使用情況
實(shí)驗(yàn)中使用的測試裝置是由該大學(xué)和當(dāng)?shù)匾患移嚬竞献鲃?chuàng)建的。將77Ghz雷達(dá)傳感器連接到公司總部的Arduino接口。因此，軟件開發(fā)人員或測試人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程連接到Arduino接口。基于AUTOSAR方法實(shí)現(xiàn)了三種不同報(bào)文（不同類型）的傳輸，并與基于Pda通過Pdu 路由器方法實(shí)現(xiàn)相同報(bào)文的傳輸進(jìn)行了比較：
  • 一個(gè)簡單報(bào)文；
  • 一個(gè)復(fù)雜報(bào)文（頭部-數(shù)據(jù)-拖掛）；
  • 多路復(fù)用信息（假設(shè)在AUTOSAR方法軟件中引入IpuM AUTOSAR模塊）。
簡單消息被命名為MessageOne，其長度為64字節(jié)。復(fù)雜消息被命名為MessageTwo，MessageTwo數(shù)據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)最多可以發(fā)送40次。MessageTwo頭部報(bào)文的長度為24字節(jié)；MessageTwo數(shù)據(jù)報(bào)文的長度為64字節(jié)，而MessageTwo拖掛報(bào)文的長度為3字節(jié)。多路復(fù)用報(bào)文，命名為MessageThree，有四種不同的布局，每一種布局都是根據(jù)一個(gè)選擇器字段（復(fù)用器）來區(qū)分和傳輸?shù)?。其長度為20字節(jié)。
所有其他的報(bào)文都通過Pdu路由器模塊在PDA中實(shí)現(xiàn)。這兩種方法的區(qū)別在于以下文件中：

  • Pda_Send_MessageOne_Exec.c;
  • Pda_Send_MessageTwo_Exec.c;
  • Pda_Send_MessageThree_Exec.c.
我們調(diào)查了RAM（EMEM）和ROM（程序閃存）的內(nèi)存使用情況，并對(duì)兩種解決方案進(jìn)行了運(yùn)行時(shí)測量。如第4.3節(jié)所述，RPM通過使用專用服務(wù)來進(jìn)行這些測量。
表 1 列出了優(yōu)化解決方案（即通過 Pdu路由器實(shí)現(xiàn) PDA）的模塊使用結(jié)果，并與使用傳統(tǒng) AUTOSAR 解決方案（沒有實(shí)施優(yōu)化解決方案）的結(jié)果進(jìn)行了比較。可以注意到，在采用通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA情況下，Pda_Send的內(nèi)存用量低于完全 AUTOSAR 的情況。EMEM和程序閃存塊方面，也是同樣的結(jié)果。

通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA解決方案的對(duì)象內(nèi)存使用結(jié)果與完全 AUTOSAR方案的對(duì)象內(nèi)存使用結(jié)果進(jìn)行了比較，見表 2。可以注意到，在復(fù)雜的頭-數(shù)據(jù)-拖掛報(bào)文中取得了最大的改進(jìn)，而在簡單報(bào)文和多路報(bào)文的情況下，通過Pdu優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的PDA方案，ROM內(nèi)存的使用率得到了改善。
5.2 運(yùn)行時(shí)間測量
在調(diào)試環(huán)境下，使用系統(tǒng)定時(shí)寄存器0（STM0）對(duì)每個(gè)報(bào)文傳輸連續(xù)三次（從啟動(dòng)開始）的執(zhí)行運(yùn)行時(shí)測量，具體如下：
  • 起始點(diǎn)：對(duì)于通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)Pda的解決方案，起點(diǎn)是PduR_PdaTransmit()。Full AUTOSAR 解決方案的起始點(diǎn)是Rte_Write_<MessageName>()。
  • 結(jié)束點(diǎn)：在這兩種情況下，結(jié)束點(diǎn)都是CanIf_TxConfirmation() 。
在表3和表4中可以注意到，從運(yùn)行時(shí)測量結(jié)果來看,PDA通過Pdu路由器的優(yōu)化方案對(duì)每個(gè)測試報(bào)文都有改進(jìn)。此外，在執(zhí)行的每一次活動(dòng)中，改進(jìn)最明顯的是多路復(fù)用報(bào)文。


5.3 討論情況
本文的（RQ3）旨在從性能方面分析擬議的AUTOSAR通信優(yōu)化解決方案的收益。以往關(guān)于AUTOSAR雷達(dá)傳感器優(yōu)化的工作沒有解決本文提出的AUTOSAR層面的通信問題；因此，從文獻(xiàn)綜述中，我們參考了旨在衡量性能的評(píng)價(jià)方法。從之前的實(shí)驗(yàn)中可以看出，通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA的解決方案，其最大優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?zhí)行時(shí)間。事實(shí)證明，它比完全AUTOSAR解決方案要快得多。圖17中總結(jié)了結(jié)果，對(duì)于每種報(bào)文類型（X軸），給出了相應(yīng)的測量值（Y軸）。
圖 17 運(yùn)行時(shí)測量結(jié)果比較
在ROM內(nèi)存消耗方面，與完全AUTOSAR解決方案相比，通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA優(yōu)化方案使用的內(nèi)存資源更少。完全AUTOSAR解決方案使用的內(nèi)存資源幾乎是后者的2倍。在圖18中，通過強(qiáng)調(diào)報(bào)文類型（X軸）和區(qū)段長度（Y軸）來展示這些結(jié)果。傳統(tǒng)AUTOSAR另一個(gè)可能的缺點(diǎn)是它對(duì)DBC布局的依賴性。隨著每次報(bào)文布局的變化（例如增加/刪除一個(gè)信號(hào)），必須更新相應(yīng)的軟件緩沖區(qū)。
圖 18 關(guān)于程序閃存的對(duì)象內(nèi)存使用情況的比較
僅通過RTE與其他SWC和Com模塊的交互，代表了PDA SWC的抽象性，突出了完全AUTOSAR解決方案的主要優(yōu)勢。因此，這種通信方法以允許獨(dú)立于PDU手柄ID。此外，由于AUTOSAR通信棧代碼的維護(hù)只需要更少的努力，因此強(qiáng)調(diào)了完全AUTOSAR解決方案的另一個(gè)優(yōu)勢。如果通信棧需要改變，基于當(dāng)前的DBC，模塊會(huì)通過一個(gè)自動(dòng)執(zhí)行的配置更新過程進(jìn)行更新。當(dāng)一個(gè)新的報(bào)文被添加到DBC時(shí)，通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA的解決方法意味著從Com模塊中刪除PDU，并在導(dǎo)入報(bào)文后添加一個(gè)到PDA CDD的新路由。如果使用完全 AUTOSAR 方法，在 DBC 導(dǎo)入之后，不需要進(jìn)行額外的更改。然而，在采用通過Pdu路由器實(shí)現(xiàn)PDA方法時(shí)，RAM內(nèi)存的占用量較低。
6 結(jié)論
本文提出了一個(gè)優(yōu)化AUTOSAR通信的解決方案，作為對(duì)我們（RQ1）的回應(yīng)。這種方法假定兩個(gè)連接的雷達(dá)傳感器始終是同步的。在不同步的情況下（例如，由意外復(fù)位引起），PDA的行為將直接受到影響。為了解決(RQ2)問題，我們構(gòu)建了一個(gè)基于Arduino的接口，其中附加了雷達(dá)傳感器，允許從任何位置進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。這個(gè)接口提供了基于AUTOSAR應(yīng)用直接訪問雷達(dá)傳感器可能性，即使在目前Covid-19限制期間在家庭辦公室訪問。對(duì)于（RQ3），我們實(shí)施了一個(gè)單獨(dú)的軟件模塊，該模塊能夠進(jìn)行性能測試，以確定我們的解決方案能提供哪些優(yōu)勢。根據(jù)前一章的結(jié)果，通過Pdu路由器的PDA解決方案在內(nèi)存使用和運(yùn)行時(shí)間測量方面比完全AUTOSAR更有優(yōu)勢。PDA模塊能夠以靈活的方式傳輸和接收大量數(shù)據(jù)，因?yàn)樗軌蛱幚硎录蜁r(shí)間觸發(fā)報(bào)文。
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