基于AVB協(xié)議的DEMO仿真模型

趙 剛，潘俊家，韓光省

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

隨著無人駕駛及信息娛樂設(shè)備等新型技術(shù)的科技導(dǎo)向，同時即將推出的車輛互聯(lián)信息平臺的國標(biāo)規(guī)定，現(xiàn)行車載網(wǎng)絡(luò)在帶寬和擴展性等方面受到制約，探究高帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕d網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為汽車發(fā)展的必須條件。作為智能、互聯(lián)、智慧的代名詞，在硬件滿足EMC／EMI車載環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，AVB協(xié)議通過保障帶寬、限制延時和精確時鐘同步，以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用。

1 AVB傳輸協(xié)議

本文定義的AVB數(shù)據(jù)流與傳統(tǒng)以太網(wǎng)格式對比如圖1所示。

適用于二層數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.1 AVB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要包括精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議、流預(yù)留協(xié)議與隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。推送端將音視頻多媒體數(shù)據(jù)流壓縮后，按照AVTP協(xié)議實時地在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，保證了音視頻傳輸?shù)膶崟r性。

1.1 精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議

通過最佳主時鐘選擇的協(xié)商算法、路徑時延測算與時間補償、本地時鐘頻率匹配與調(diào)節(jié)的機制，制定了節(jié)點的時鐘同步機制，自動協(xié)商選擇網(wǎng)絡(luò)主時鐘。其中最佳主時鐘算法規(guī)定了底層信令和協(xié)商機制，用于甄別支持IEEE802.1AS的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，若主時鐘變更，AVB網(wǎng)絡(luò)也能通過最佳主時鐘算法確定新的主時鐘。時鐘同步的關(guān)鍵技術(shù)在于時間戳機制。支持802.1AS端口在進出AVB數(shù)據(jù)包時，通過將本地時鐘與端口時鐘比較，按照路徑延遲和補償算法，精確實現(xiàn)本地時鐘的調(diào)整和頻率匹配。

圖1 AVB數(shù)據(jù)包格式

1.2 流預(yù)留協(xié)議

為了解決AVB實時數(shù)據(jù)流與普通異步TCP數(shù)據(jù)流間的競爭問題，通過協(xié)商鎖定路徑的帶寬資源，確保推送端與接收端的帶寬可用性，提高了端到端的延遲保障與服務(wù)品質(zhì)。推送端通過注冊協(xié)議發(fā)布其發(fā)送的音視頻流描述信息和接收端信息，交換機周期性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)并更新推送端和接收端的注冊信息，判別AVB數(shù)據(jù)流的帶寬描述消息，對帶寬資源進行預(yù)留，推送端和接收端也需要向交換機聲明自己的屬性。推送端或接收端可以利用注冊服務(wù)和取消注冊服務(wù)，隨時加入或離開AVB網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)改變，而不對AVB網(wǎng)絡(luò)的整體功能和狀態(tài)造成不可恢復(fù)的影響。通常情況下，交換機將75%網(wǎng)絡(luò)帶寬分配給AVB數(shù)據(jù)流，25%帶寬分配給異步數(shù)據(jù)流量。

1.3 隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

主要提供數(shù)據(jù)流的處理及轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，包含流量整形、優(yōu)先級劃分及隊列管理，采用特定的傳輸算法保障時間敏感的音視頻數(shù)據(jù)流傳輸。根據(jù)收到的數(shù)據(jù)流類型，通過不同的調(diào)度機制，分別進入響應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)隊列，并重新賦予優(yōu)先級，其中賦予音視頻數(shù)據(jù)流最高優(yōu)先級，避免了音視頻數(shù)據(jù)流與異步數(shù)據(jù)流間競爭網(wǎng)絡(luò)資源，此機制的大部分功能由交換機實現(xiàn)。

2 邏輯實現(xiàn)

搭建基于AVB協(xié)議的硬件環(huán)境模型，仿真整車中控臺與后座顯示屏間的視頻傳輸或360環(huán)視攝像頭的視頻推送平臺，重點分析了AVB網(wǎng)絡(luò)的物理層和軟件協(xié)議層實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，完成Secure CRT對Ethernet AVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，并實現(xiàn)了Ethernet AVB的推送端和接收端間的音視頻流實時傳輸，傳輸路徑如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包傳輸路徑

3 接口配置

AVB仿真模型以音視頻硬件推送平臺為基礎(chǔ)板，如圖3所示，以IMX6Q為核心板搭建了基于AVB協(xié)議的硬件開發(fā)環(huán)境，如圖4所示，提高了硬件平臺設(shè)計的靈活性與擴展性。

3.1 硬件組成

本仿真模型主要分為5部分：信息采集、圖像處理、以太網(wǎng)傳輸、圖像顯示及CRT控制，硬件連接示意圖如圖5所示。硬件組成主要包括以下。

1）以滿足精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議的高性能嵌入式處理器IMX6Q為核心板，完成協(xié)議棧的代碼修改，是分析協(xié)議棧的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 基礎(chǔ)板

2）推送端和接收端采用NXP的TJA1100收發(fā)器，交換機采用NXP的SJA1105的PCB板，與IMX6Q間采用MII接口實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)傳輸，滿足了單對非屏蔽雙絞線實現(xiàn)100 Mb／s全雙工精準(zhǔn)時鐘同步與EMC要求。

圖4 IMX6Q核心板

圖5 AVB連接示意圖

3）模擬整車前后場景的以太網(wǎng)攝像頭采用NXP的MPC 5604E視頻編碼節(jié)點，通過非屏蔽雙絞線進行以太網(wǎng)視頻傳輸，驗證AVB協(xié)議數(shù)據(jù)流的純同步播放。

4）LCD屏采用LVDS的高速差分信號與IMX6Q進行數(shù)據(jù)交互，最大傳輸速率達(dá)到170 Mb／s。

5）MPC5604E作為攝像頭數(shù)據(jù)流的采集源，主要功能分為模式控制與視頻流的采集與傳輸，工作流程可具體分為：①MPC5604E的模式控制，用于輸出攝像頭采集的圖像；②將采集圖像經(jīng)JPEG編碼器轉(zhuǎn)換為視頻信號；③將視頻信號按照IEEE 1722傳輸協(xié)議經(jīng)DMA快速儲存技術(shù)傳到MAC層。

3.2 平臺優(yōu)勢

該平臺以IMX6Q作為主要硬件平臺，搭建了多媒體應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)，主要原因如下。

1）IMX6Q可通過硬件與軟件配置，實現(xiàn)車載AVB協(xié)議的開發(fā)，融合了車載信息娛樂的平臺設(shè)計。

2）IMX6Q實現(xiàn)了精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議。

3）IMX6Q的核心主頻可達(dá)到1.2 GHz，同時外設(shè)支持Serial、CAN、LVDS及以太網(wǎng)通信。

4）8G的存儲器內(nèi)存滿足Ubuntu操作系統(tǒng)的正常運行。

5）無需外部穩(wěn)壓器，集成的內(nèi)部穩(wěn)壓器為芯片提供穩(wěn)態(tài)電源，滿足了汽車高速率數(shù)據(jù)處理要求。

6）IMX6Q支持1080P的視頻解碼，更好地處理視頻傳輸。

4 測試實施

本文將推送端靜態(tài)配置為系統(tǒng)主時鐘，首先發(fā)送Pdelay_Request路徑延遲請求驗證鏈路中的節(jié)點全部符合精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議，主節(jié)點通過端到端的時間傳遞，各終端節(jié)點計算出本地時鐘延遲，所有從節(jié)點通過125 ms周期發(fā)送的Sync（）與Follow_up命令同步到主時鐘時刻，保證終端節(jié)點達(dá)到時鐘同步效果。

在上位機的Windows操作系統(tǒng)中安裝Secure CRT軟件，運行Serial協(xié)議，對接口及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行配置，便于控制攝像頭與視頻的模式切換及數(shù)據(jù)流的傳輸路徑。首先推送端與接收端通過TJA 1100收發(fā)器與交換機的SJA 1105建立連接后，在線聲明自身是否支持AVB協(xié)議。接收端接收到推送端發(fā)送的廣播幀，通過注冊服務(wù)接收該數(shù)據(jù)流后，交換機進行視頻或攝像頭數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，接收端通過時間戳觀察推送端到接收端的時間同步性。具體執(zhí)行步驟如下。

1）推送端與接收端聲明自身在同一個AVB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立連接，使用命令：cd ／home／net_ioctl；.／net_ctrl eth。

2）MPC5604E作為數(shù)據(jù)采集源，推送端通過車載以太網(wǎng)發(fā)送1 280×800的AVB圖像流或儲存的視頻流，推送端的IMX6Q接收到Secure CRT發(fā)送的攝像頭工作模式控制命令：cd..／Show_camtest；.／startRV.sh或.／startRC.sh，控制MPC5604E進行相應(yīng)模式切換：insmod uvcvideo.ko。

3）MPC5604E通過低延遲視頻壓縮技術(shù)與智能帶寬管理進行圖像信息采集，將視頻數(shù)據(jù)流進行處理后發(fā)送給推送端，發(fā)送命令：cd..／Show_camtest；.／startTC.sh或發(fā)送視頻命令：startTV.sh，如圖6所示。

4）推送端按照AVB傳輸協(xié)議將音視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)交換機轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)注冊過的接收端，接收端采用脈沖振幅調(diào)制方式匯集到IMX6Q處理器，最終通過LVDS傳送到接收端的LCD顯示屏，如圖7所示。

5）在顯示屏中加入時間戳，協(xié)助監(jiān)測通信的精準(zhǔn)時鐘同步。

為了驗證發(fā)送的數(shù)據(jù)流是否符合AVB協(xié)議，在上位機中安裝Vector最新軟件CANoe10.0，硬件采用增加了Ethernet網(wǎng)絡(luò)功能的VN5640系列開發(fā)工具，支持AVB、SOME／IP、DoIP及XCP等協(xié)議，可以測試16路Ethernet通道與2路CAN_FD通道，通過Panel面板與可編程CAPL語言對系統(tǒng)進行簡單控制，并能在Trace及Bus Statistics等窗口分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并可過濾、記錄及回放CAN報文及Ethernet數(shù)據(jù)包。

根據(jù)AVB協(xié)議的通信原理，通過測試工具VN5640建立“Ethernet”工程，在菜單“Network Hardware”中配置“Operation Mode”為“Direct Connection with TAP”，啟動推送端與接收端設(shè)備后，監(jiān)測Trace窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)流是否符合AVB協(xié)議，驗證了系統(tǒng)性能測試和圖像識別測試的正確性，為將來車載以太網(wǎng)的開發(fā)與應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

圖6 Secure CRT編輯界面

圖7 AVB連接實物圖

5 結(jié)論

測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于Ethernet車載網(wǎng)絡(luò)的攝像頭采集數(shù)據(jù)流與視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)交換機轉(zhuǎn)發(fā)，能夠同步傳輸?shù)浇邮斩耍⒖赏ㄟ^上位機的Secure CRT軟件靈活控制以太網(wǎng)攝像頭的工作模式。基于AVB協(xié)議的Demo仿真模型在精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議、流預(yù)留協(xié)議及隊列轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了車載視頻圖像的實時傳輸功能，驗證了AVB協(xié)議的數(shù)據(jù)流傳輸效率，標(biāo)志著單一車載以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)混合網(wǎng)絡(luò)的可行性，避免了網(wǎng)關(guān)橋接的問題，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本。