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CN111565139A - 车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储系统和方法 - Google Patents

车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统，包括：区域控制单元(ZCU)，其从位于车辆区域内的一个或多个传感器或电子控制单元(ECU)接收电子消息，该ZCU包括协议数据单元(PDU)门控模块，其将电子消息转换为多个PDU；以及基于交换机的以太网络，其使用包括多个PDU的以太网协议帧将多个PDU传输到中央计算平台。中央计算平台包括以太网处理器模块，其将以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中。中央计算平台还包括多个解析模块，其配置为从共享存储器访问单独的PDU并且在单独的PDU上执行数据处理。

Description

车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储系统和方法
技术领域
技术领域总体上涉及车载通信情况下的数据处理和存储，更具体地涉及用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统和方法。
背景技术
车辆本质上是分布式信息系统，因为车辆的操作取决于车辆中不同位置的功能部件的协作。在现代车辆中，由于其成本效益、空间效率和灵活性，数字网络技术已被用于车载通信。数字化控制实现了多种功能，其中一些更为基本和通用的功能包括各种车灯、挡风玻璃擦拭器、门/窗控制和马达控制等。
车辆能力的快速发展对汽车网络系统提出了新的挑战和要求。因此，随着附加电子和数字部件的部署，传输信息的量有望显著增加。例如，为了实现具有自动驾驶能力和/或作为物联网的中心部件的车辆，如未来的车辆任务可能需要，可能会安装数百甚至数千个单独的电子控制单元(ECU)或传感器，彼此之间全部联网。
常规的车载通信网络架构基于车辆系统域的概念，用于功能相似的系统的ECU/传感器在域控制单元(DCU)后面分组在一起。这种架构基于车辆内系统的功能，而不必基于车辆内系统的位置，因此，仅一个DCU后面的物理布线可能位于整个车辆内，从而导致成本低效。
为了解决这个问题，特别是当需要越来越多的ECU/传感器时，已经提出了基于分区的中央计算车载通信网络架构的概念。基于分区的架构在车辆内的各个位置采用了许多通用的可配置区域控制单元(ZCU)。每个ZCU都放置在物理上位于车辆的该“区域”内的许多ECU/传感器的前面，而不考虑系统功能的通用性。以这种方式，大大降低了物理布线要求。
当然，应当理解，基于域的架构和基于分区的架构具有不同的数据处理和存储要求。因此，当基于基于分区的架构设计车载通信网络时，就出现了特殊的挑战，但是由于各种设计、成本和可用性方面的考虑，仍然继续使用为较旧的网络架构设计的一个或多个“传统”系统。在这种情况下，基于分区的车载通信网络可能无法处理或存储源自传统系统的数据。
因此，期望提供用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统和方法，但是还需要与一个或多个传统系统进行通信。此外，结合附图以及前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和所附权利要求，本发明的其他期望特征和特性将变得显而易见。
发明内容
提供了用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统和方法。在一实施例中，一种用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统包括：区域控制单元(ZCU)，其从位于车辆区域内的一个或多个传感器或电子控制单元(ECU)接收电子消息，该ZCU包括协议数据单元(PDU)门控模块，其将电子消息转换为多个PDU；以及基于交换机的以太网络，其使用包括多个PDU的以太网协议帧将多个PDU传输到中央计算平台。中央计算平台包括以太网处理器模块，其将以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中。中央计算平台还包括多个解析模块，其配置为从共享存储器访问单独的PDU并且在单独的PDU上执行数据处理。
在该实施例的变型中，ZCU还从基于交换机的以太网络接收包括另外多个PDU的附加以太网协议帧，并且将另外多个PDU转换成配置为发送到一个或多个传感器或ECU的电子消息。基于交换机的以太网络还从中央计算平台接收附加以太网协议帧。以太网处理器模块还配置为将另外多个PDU组合成附加以太网协议帧。此外，多个解析模块配置为产生另外多个PDU。
在该实施例的其他变型中，电子消息以控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)和FlexRay中的一种或多种来格式化。以太网处理器模块包括查找表，用于将基于FlexRay起源的PDU的以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中。中央计算平台包括以下中的一个或多个：附加共享存储器和附加处理装置，其中多个解析模块和/或附加处理装置可访问附加共享存储器。此外，以太网处理器模块接收包括多个PDU的以太网协议帧，并且基于阻塞读取和等待时间调度表和/或固定周期调度表来提供单独的PDU以存储在共享存储器中。以太网处理器模块还包括缓冲器。
在另一实施例中，一种用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的方法，该方法包括：在ZCU处，从位于车辆区域内的一个或多个传感器或ECU接收电子消息，在ZCU的PDU门控模块处，将电子消息转换为多个PDU；使用基于交换机的以太网络，使用包括多个PDU的以太网协议帧，将多个PDU发送到中央计算平台；在中央计算平台的以太网处理器模块处，将以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中；以及在中央计算平台的多个解析模块处，从共享存储器访问单独的PDU，并且在单独的PDU上执行数据处理。
提供本发明内容以简化形式介绍概念的选择，以下在详细描述中将进一步描述这些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
在下文中将结合以下附图描述本公开，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是说明根据各种实施例的示例性数据流架构的框图；
图2是根据各种实施例的以太网处理器模块的图；
图3A和3B分别示出了根据各种实施例的与中央计算平台结合使用的以太网接收路径和以太网传输路径；
图4A提供了以太网处理器模块的视图，示出了其将以太网帧分解为I-PDU的方法；以及
图4B提供了以太网处理器模块的视图，示出了其将I-PDU组成以太网帧的方法；以及
图5示出了根据各种实施例的任何示例性以太网帧的格式。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制应用和使用。此外，无意受到在先前技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。如本文所使用，术语“模块”是指任何硬件、软件、固件、电子控制部件、处理逻辑和/或处理器设备，单独地或以任何组合，包括但不限于：专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或组)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件。
这里可以根据功能和/或逻辑块部件以及各种处理步骤来描述本公开的实施例。应当理解，可以通过配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件来实现这样的块部件。例如，本公开的实施例可以采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将理解，可以结合任何数量的系统来实践本公开的实施例，并且本文描述的系统仅仅是本公开的示例性实施例。
为了简洁起见，与信号处理、数据传输、信令、控制和系统的其他功能方面(以及系统的各个操作部件)有关的常规技术在这里可以不进行详细描述。此外，本文包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在本公开的实施例中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。
参照图1，设置在车辆100内的是各种互连的(电子和/或通信地)模块，其形成根据各种实施例的示例性数据流架构。该架构包括一个或多个区域控制单元(ZCU)102。如前所述，每个ZCU102放置在物理上位于车辆100的相应“区域”内的多个ECU/传感器的前面，而不考虑系统功能的通用性。为了图示的简化，箭头101通常用于指代从该区域的各个ECU/传感器到ZCU102(或反向路径)的消息，并且省略了各个ECU/传感器的图示。
关于消息101，应当理解，本公开配置为以用于诸如控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)和FlexRay的车载网络的任何典型数据格式来处理和存储源自ECU/传感器的数据，将在这里进行简要介绍。CAN是汽车专用总线标准。CAN通常用于在车辆内的ECU/传感器之间传输控制流量。它通常允许达40m长度的最大总线速度为1Mb/s。消息封装在最大数据字段为64位的帧中。它不使用基于时分多路访问(TDMA)的媒体访问控制层。LIN是由许多汽车制造商构成的联盟开发的廉价广播主从串行通信总线。它源于对车载网络的不太重要元素寻求价格更便宜的CAN替代方案的渴望。像CAN一样，FlexRay是汽车特定的标准。与CAN相比，FlexRay的主要优点是它的灵活性、更高的最大数据速率(10Mb/s)和其确定性的时间触发的TDMA行为。同样，消息101可以包括CAN、LIN或FlexRay格式消息的任何组合，并且因此可以被接收到ZCU102中。
每个ZCU102配置为导入和数字化从其区域内的各个ECU/传感器接收的数据，然后以最小的信息损失发送数据以进行中央处理。如上所述，每个ZCU102配置为以多种不同的数据格式从多种不同类型的ECU/传感器(不考虑系统通用性)接收数据。每个ZCU102还配置为将消息101的数据转换为以太网分组格式，以用于发送数据以进行中央处理。此外，每个ZCU102配置为以相反的方式操作，其中来自中央处理的服务请求被转换成适当的格式，并被发送回相应的ECU/传感器以供执行。
根据前述功能，每个ZCU102都设置有协议数据单元(PDU)门控模块103。协议数据单元(PDU)是在计算机网络的对等实体之间传输的单个信息单元。PDU由特定于协议的控制信息和用户数据构成。PDU独立于协议，这意味着它可以包括源自任何特定数据格式/协议和/或目的地为任何特定数据格式/协议(CAN、LIN、FlexRay)的数据。因此，每个ZCU102内的PDU门控模块103的功能是从接收到的(任何格式/协议的)ECU/传感器消息中产生适当的PDU和/或从接收到的PDU产生适当的消息以发送给ECU/传感器。
每个ZCU102和中央计算平台110之间的通信可以使用基于交换机的以太网络来完成，该基于交换机的以太网络包括一个或多个以太网传输线104和一个或多个以太网交换机105。使用以太网络，在以太网帧中承载PDU。在基于交换机的以太网络中，通过使用嵌入在交换机105中的路由表来实现路由。即，每个交换机105具有路由表。路由表具有许多条目。每个条目标识一条消息并指示相关的输出端口。消息到达时，将查找路由表以便找到标识消息的条目。然后将消息传递到条目中指示的输出端口以进行传输。
鉴于前述内容，现在提供关于根据本公开的以太网帧150的格式的更多细节，如图5所示。通常，每个以太网帧150是占用四个字节的PDU ID(151-1…151-N)、也占用四个字节的PDU长度(152-1…152-N)以及“有效载荷”(153-1…153-N)的组合。对于基于FlexRay的帧，PDU ID(151-1…151-N)是区域ID(即数据所属的网络架构的“区域”)、FlexRay插槽标识符以及多个I-PDU的基础和运行计数器的组合。相反，对于基于CAN的帧，PDU ID(151-1…151-N)是区域ID、网络ID和CAN ID的组合。例如，基于FlexRay的PDU ID的格式可以如下：0x01020005，表示区域ID 01、插槽标识符02、周期基数00和帧05。
现在参考中央计算平台110，使用上述基于交换机的以太网络将包含PDU的以太网帧与该平台通信。中央计算平台110为本公开的基于分区的中央计算车载通信网络架构提供数据处理和存储功能。中央计算平台110包括执行各种功能的各种模块，如将在下面更详细地讨论。
关于中央计算平台110的以太网处理器模块111，注意力进一步指向图2，其提供了以太网处理器模块111的更详细视图。以太网处理器模块111的特定功能是提供对各种以太网帧的传输的调度，无论这些以太网帧是源自中央计算平台110还是被接收到中央计算平台中。因此，以太网处理器模块可以具有缓冲器114和多个传输线程112、113，其以不同的时间调度表发送以太网帧。例如，线程112可以利用阻塞读取和等待时间调度表，而线程113可以利用固定周期调度表。传输线程112、113的调度表可以适于处理以双向方向往返于中央计算平台110的以太网帧。
现在另外参考图3A和3B，其分别示出了与图1所示的中央计算平台110结合使用的以太网接收路径120A和以太网传输路径120B。关于以太网接收路径120A，从以太网处理器模块111将接收到的以太网帧分解成单独的I-PDU(例如I-PDU 115-1、115-2、115-3，...，115)并且存储到第一共享存储器115中。关于单独的I-PDU(115-1至115-2)的产生，现在进一步参考图4A，其提供了以太网处理器模块111的视图，示出了其用于将以太网帧分解为I-PDU的方法。如图4A所示，以太网帧从缓冲器114通过判定框130，其中确定以太网帧是否源自CAN或FlexRay网络。就其性质而言，基于CAN的帧无需参考查找表即可分离为I-PDU，从而直接进入第一共享存储器115，如图所示。相反，必须参考在框131A处执行的查找表来分解基于FlexRay的帧，此后，单独的I-PDU可以存储在第一共享存储器115中。用于实现框130和131A处的步骤的示例性伪代码如下：
对于帧中的所有I-PDU
做{
获取I-PDU ID＝PID
在共享存储器115中找到插槽s，
从而s～PID
将IPDU存储在s中
}
相反，关于图3B的以太网传输路径120B，应当理解的是相反的功能发生，即从第一共享存储器115，单独的I-PDU被组成适当的以太网帧。因此，现在进一步参考图4B，其提供了以太网处理器模块111的视图，示出了其用于将I-PDU组成以太网帧的方法，再次在判定框130处，确定以太网帧是否目的地为CAN或FlexRay网络。一旦做出适当的确定，则在框131B处对于FlexRay PDU，进行合成而无需参考CAN消息的查找表和参考查找表。
现在回到图2、3A和3B，中央计算平台110能够使用多个解析模块116、117来处理数据，每个解析模块分别执行特定的解析例程118、119(或者称为构建例程，用于来自中央计算平台110的出站数据)。解析模块116、117配置为访问存储在第一共享存储器115中的数据以及将数据写入第一共享存储器115。解析模块116、117基于数据的来源和类型来处理数据(例如马达控制、挡风玻璃擦拭器、各种外部传感器、远程信息处理等)。因此，解析模块116、117仅访问来自第一共享存储器115的与各个模块所采用的特定解析路由118、119相关的数据，并且对于将数据写入第一共享存储器115也是如此。
根据需要，在一实施例中，取决于所采用的特定网络架构，可以提供附加共享存储器(例如121)和附加数据处理装置(例如122)。当然，解析模块116、117也可以访问该附加共享存储器。在任何情况下，解析模块/处理装置中的任何一个都可以作为中央计算平台110的一部分提供，以处理源自适于基于分区的中央计算架构的ECU/传感器的数据，或者可以源自传统系统的数据。以这种方式，中央计算平台110能够处理和存储数据，而不管其来源如何，因此产生了更强大的平台，其可用作从传统系统到较新的基于分区的系统的车辆过渡。
此外，通常，本公开的任何模块的任何数据处理功能可以是任何定制的或可商购的处理器、中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、若干个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、宏处理器、它们的任何组合或者通常用于执行指令的任何设备。本公开的任何模块的任何数据存储功能可以包括例如在只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保持活动存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储。可以使用许多已知的存储设备来实现它们，比如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储数据的任何其他电、磁、光或组合存储设备，其中一些代表可执行指令。
尽管在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的系统，包括：
区域控制单元(ZCU)，其从位于车辆区域内的一个或多个传感器或电子控制单元(ECU)接收电子消息，该ZCU包括协议数据单元(PDU)门控模块，其将电子消息转换为多个PDU；
基于交换机的以太网络，其使用包括多个PDU的以太网协议帧将多个PDU传输到中央计算平台，
其中，所述中央计算平台包括以太网处理器模块，其将以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中，并且其中，所述中央计算平台还包括多个解析模块，其配置为从共享存储器访问单独的PDU并且在单独的PDU上执行数据处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述ZCU还从基于交换机的以太网络接收包括另外多个PDU的附加以太网协议帧，并且将所述另外多个PDU转换成配置为发送到一个或多个传感器或ECU的电子消息。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述基于交换机的以太网络还从中央计算平台接收所述附加以太网协议帧。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述以太网处理器模块还配置为将所述另外多个PDU组合成所述附加以太网协议帧。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个解析模块配置为产生所述另外多个PDU。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子消息以控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)和FlexRay中的一种或多种来格式化。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述以太网处理器模块包括查找表，用于将基于FlexRay起源的PDU的以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在所述共享存储器中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央计算平台包括以下中的一个或多个：附加共享存储器和附加处理装置，其中，所述多个解析模块和/或所述附加处理装置可访问所述附加共享存储器。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述以太网处理器模块接收包括多个PDU的以太网协议帧，并且基于阻塞读取和等待时间调度表和/或固定周期调度表来提供单独的PDU以存储在所述共享存储器中。
10.一种用于在具有基于分区的中央计算车载通信网络架构的车辆中的数据处理和存储的方法，包括：
在区域控制单元(ZCU)处，从位于车辆区域内的一个或多个传感器或电子控制单元(ECU)接收电子消息，
在ZCU的协议数据单元(PDU)门控模块处，将电子消息转换为多个PDU；
使用基于交换机的以太网络，使用包括多个PDU的以太网协议帧，将多个PDU发送到中央计算平台；
在中央计算平台的以太网处理器模块处，将以太网协议帧分解为单独的PDU，以存储在共享存储器中；以及
在中央计算平台的多个解析模块处，从共享存储器访问单独的PDU，并且在单独的PDU上执行数据处理。
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