CANoe與DDS

創提信息
2023/08/28

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“轉載自維克多汽車技術（上海）有限公司，作者Vector China”


DDS（Data Distribution Service）是OMG組織（Object Management Group）最早在2004年發(fā)布的分布式實時(shí)通信中間件标準，旨在使用發(fā)布-訂閱模式實現可靠、高性能(néng)、互操作、實時(shí)、可擴展的數據交換。


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圖1:DDS軟件示例架構圖


在汽車領域，Adaptive AUTOSAR于2018年引用DDS作爲可選擇的通信方式之一。DDS的實時(shí)性恰好(hǎo)适合于自動駕駛系統。因爲在這(zhè)類系統中，通常會(huì)存在感知、預測、決策和定位等模塊，這(zhè)些模塊都(dōu)需要非常頻繁地高速交換數據。借助DDS，可以很好(hǎo)地滿足這(zhè)類系統的通信需求。憑借以數據爲中心及豐富的QoS機制，DDS在汽車行業中逐漸受到青睐，汽車制造商及供應商將(jiāng)DDS作爲系統中可選的通訊中間件之一，從而增強其産品的功能(néng)特性及可靠性。
 
DDS具有以數據爲中心、即插即用、豐富的QoS等特性，這(zhè)意味著(zhe)DDS在網絡傳輸中對(duì)各層級數據需要提供豐富且冗長(cháng)的Header信息，方便通訊雙方識别所需内容，因此對(duì)硬件及網絡中的傳輸和數據處理性能(néng)提出了較高要求。因此在未來，DDS、SOME/IP等SOA通信中間件與車載總線類似，在車内將(jiāng)會(huì)是多種(zhǒng)中間件長(cháng)期共存的狀态。
 
DDS有諸多協議規範，其中最核心的2個規範是：DDS規範（“DDS規範”：https://www.omg.org/spec/DDS/）和DDSI-RTPS規範（“DDSI-RTPS規範”：https://www.omg.org/spec/DDSI-RTPS/）。DDS規範描述了分布式應用通信和以數據爲中心的發(fā)布-訂閱模型，定義了應用接口（API）和通信語義，從而實現“在正确的時(shí)間向(xiàng)正确的地點有效可靠地傳遞正确的信息”。DDS規範提供了DDS核心概念在與平台無關模型（PIM）中的抽象定義，以及相對(duì)于平台專用模型（PSM）中的映射，從應用開(kāi)發(fā)者視角诠釋了DDS的核心定義。但是，單純依靠DDS規範使得各DDS中間件供應商對(duì)于具體通信傳輸介質、行爲和數據包結構有著(zhe)自己的理解，若通信系統中各設備來自不同的DDS中間件供應商，其互操作性可能(néng)會(huì)存在問題。
 
爲解決這(zhè)一問題，OMG随後(hòu)發(fā)布了DDSI-RTPS規範，對(duì)通信結構、數據消息結構、收發(fā)行爲、服務發(fā)現進(jìn)行了定義，從而保證來自不同廠商的DDS中間件的互操作性。目前納入DDSI-RTPS規範中的底層通訊協議爲UDP/IP。OMG組織目前暫未對(duì)DDS的測試規範進(jìn)行定義。


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圖2:DDS數據交互簡化拓撲圖


DDS中重要概念：
 

>Domain
 
連接所有能(néng)夠互相通信的應用程序的分布式概念，隻有在同一個Domain下的Publisher和Subscriber能(néng)夠互相通信，不同Domain的應用程序不知道(dào)彼此的存在，Domain通過(guò)DomainID進(jìn)行區分。Domain中包含了DomainParticipant，後(hòu)者代表了同一個Domain下參與通訊的應用程序，同時(shí)也是Publisher、Subscriber、Topic的工廠。
 
>Topic
 
Publisher和Subscriber互相通訊的數據本身，其名稱（Topic Name）在一個Domain中是唯一的。
 
>DataWriter
 
基于綁定的Topic，由應用程序發(fā)送數據的實體。1個DataWriter隸屬于1個Publisher，同時(shí)1個DataWriter對(duì)應于1個Topic。
 
>DataReader
 
可使應用程序聲明期望的Topic數據，以及訪問Subscriber收到的數據。1個DataReader隸屬于1個Subscriber，1個DataReader對(duì)應1個Topic。
 
>Publisher
 
負責發(fā)布實際Topic數據的實體，可以創建及配置多個DataWriter并綁定相應若幹Topic。
 
>Subscriber
 
負責接收訂閱Topic數據的實體，可以創建及配置多個DataReader并綁定相應若幹Topic。
 
>QoS
 
服務質量（Quality of Service）是控制DDS服務的一系列特性。Topic、DataWriter、DataReader、Publisher、Subscriber以及DomainParticipant各實體均可配置其各自的QoS規則，這(zhè)些QoS互相存在兼容性檢查。若通信雙方QoS不兼容，則無法建立通信。目前DDS v1.4版本規範定義了Durability、LiveLiness、Reliability、LifeSpan、History等QoS機制。


CANoe中開(kāi)始支持DDS
 
随著(zhe)DDS開(kāi)始在汽車電子領域的應用，Vector應客戶需求在CANoe 16 SP3版本中開(kāi)始支持DDS的仿真、分析與測試。DDS的通訊模型基于CANoe中的Communication Concept（ComCo）實現。
 
基于CANoe建立DDS的仿真和解析工程環境，可以充分利用CANoe及其測試工具鏈現有的優勢特性：
 
>CANoe是汽車電子、IoT、航空航天等多領域仿真及測試的一站式整合平台，支持CAN、CAN FD、CAN XL、LIN、FlexRay、SOME/IP、AUTOSAR PDU（CP/AP）、DoIP、CCP/XCP、NM網絡管理、UDS、Cyber Security（SecOC、TLS/DTLS、IPsec、MACsec等）、E2E、全球充電協議、MQTT、HTTP、WLAN、BLE等多種(zhǒng)總線和協議；
 
>采用用戶熟悉的CAPL、C#、Python語言實現；
 
>支持SIL/HIL、通信路由、網絡仿真、數據分析/記錄、診斷/刷寫、電源管理、I/O控制等多種(zhǒng)場景；
 
>極具性價比的測試設計及測試腳本開(kāi)發(fā)環境——vTESTstudio；
 
>無縫耦合整車動力學(xué)模型及ADAS場景仿真模型工具DYNA4，或基于FMI/FMU、FDX、XIL API、COM、SIL KIT整合第三方測試工具鏈；
 
>匹配汽車電子敏捷開(kāi)發(fā)流程的CI/CT工具鏈體系。
 
如何在CANoe中創建DDS仿真及解析工程？通過(guò)下圖新建Distributed Objects工程：


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圖3:新建CANoe DO工程


而後(hòu)可在主界面(miàn)中看到Communication Setup界面(miàn)，該界面(miàn)也可通過(guò)CANoe上方标簽頁Simulation下打開(kāi)。随後(hòu)依據下圖指引新建DDS通信接口描述文件vCDL：


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圖4:新建DDS通信接口描述文件


在選擇vCDL文件保存路徑及文件名後(hòu)（注意路徑及文件名不能(néng)包含中文及特殊字符），依據下圖指引打開(kāi)編輯：


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圖5:編輯DDS通信接口描述文件


vCDL語言（Vector Communication Description Language）作爲在CANoe Communication Concept中用于描述通信對(duì)象的語言，通過(guò)Distributed Objects（DO）對(duì)DDS的數據對(duì)象進(jìn)行定義。DO的consumed value對(duì)應DDS DataReader；provided value對(duì)應DDS DataWriter。
 
以下圖示例說(shuō)明：
 
1. 定義結構體作爲Topic Type（即HealthData）；
 
2. 在interface（即IMonitor）中將(jiāng)該結構體作爲consumed value（也可作爲provided value）并進(jìn)行實例化（即healthData），從而隐式聲明DDS DataReader，另顯式聲明名爲“/Monitor/healthData”的Topic；
 
3. 最終對(duì)該interface（即IMonitor）分别實例化爲Monitor和Sensor，作爲Subscriber和Publisher；
 
4. 其中Sensor的類型爲reverse，代表依據IMonitor中的consumed value（即healthData）反向(xiàng)作爲provided value。


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圖6:vCDL中對(duì)DDS的通信接口定義示例


vCDL DDS的結構體中可以包含如下數據類型：uint或int（8、16、32、64bit），Bool，Double，Float，String，Struct，Array，List，Bytes等，并在逐漸完善中。CANoe Help文檔中提供了DDS IDL數據類型與vCDL數據類型的詳細對(duì)應關系。
 
當前版本的vCDL中，可對(duì)consumed value（DDS DataReader）和provided value（DDS DataWriter）進(jìn)行QoS規則設置，包括：Reliability、History、Durability、Lifespan、Liveliness，更多的QoS規則會(huì)在CANoe後(hòu)續版本中完善。
 
其他對(duì)于DDS Binding時(shí)的屬性配置可參考詳情：CANoe 16 SP3 Help文檔中的“Distributed Objects (DOs) for Data Distribution Service (DDS)”頁面(miàn)專題。
 
當完成(chéng)DDS的通信接口描述文件創建後(hòu)，CANoe會(huì)自動生成(chéng)若幹觀測事(shì)件及數據對(duì)象，包括DataWriter和DataReader的匹配/不匹配事(shì)件信息、服務發(fā)現信息、數據Sample信息、Built-in Topic信息等，以DO體現。
 
用戶可在“.. \Sample Configurations 16.3.110\Connectivity\DDS\DDSBasic”中了解DDS Demo示例工程。該工程運行後(hòu)，在Trace窗口可查看詳細的DDS仿真和解析數據内容。


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圖7:CANoe中DDS工程運行狀态