基于AVB協議的DEMO仿真模型

趙 剛，潘俊家，韓光省

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

隨著無人駕駛及信息娛樂設備等新型技術的科技導向，同時即將推出的車輛互聯信息平臺的國標規定，現行車載網絡在帶寬和擴展性等方面受到制約，探究高帶寬數據傳輸的車載網絡已經成為汽車發展的必須條件。作為智能、互聯、智慧的代名詞，在硬件滿足EMC／EMI車載環境要求的基礎上，AVB協議通過保障帶寬、限制延時和精確時鐘同步，以支持各種基于音頻、視頻的網絡多媒體應用。

1 AVB傳輸協議

本文定義的AVB數據流與傳統以太網格式對比如圖1所示。

適用于二層數據鏈路層標準的IEEE802.1 AVB標準協議主要包括精準時鐘同步協議、流預留協議與隊列及轉發協議。推送端將音視頻多媒體數據流壓縮后，按照AVTP協議實時地在網絡上傳輸，保證了音視頻傳輸的實時性。

1.1 精準時鐘同步協議

通過最佳主時鐘選擇的協商算法、路徑時延測算與時間補償、本地時鐘頻率匹配與調節的機制，制定了節點的時鐘同步機制，自動協商選擇網絡主時鐘。其中最佳主時鐘算法規定了底層信令和協商機制，用于甄別支持IEEE802.1AS的網絡節點，若主時鐘變更，AVB網絡也能通過最佳主時鐘算法確定新的主時鐘。時鐘同步的關鍵技術在于時間戳機制。支持802.1AS端口在進出AVB數據包時，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，精確實現本地時鐘的調整和頻率匹配。

圖1 AVB數據包格式

1.2 流預留協議

為了解決AVB實時數據流與普通異步TCP數據流間的競爭問題，通過協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品質。推送端通過注冊協議發布其發送的音視頻流描述信息和接收端信息，交換機周期性監測網絡節點狀態并更新推送端和接收端的注冊信息，判別AVB數據流的帶寬描述消息，對帶寬資源進行預留，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和取消注冊服務，隨時加入或離開AVB網絡，以適應網絡拓撲的動態改變，而不對AVB網絡的整體功能和狀態造成不可恢復的影響。通常情況下，交換機將75%網絡帶寬分配給AVB數據流，25%帶寬分配給異步數據流量。

1.3 隊列及轉發協議

主要提供數據流的處理及轉發服務，包含流量整形、優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據流傳輸。根據收到的數據流類型，通過不同的調度機制，分別進入響應的轉發隊列，并重新賦予優先級，其中賦予音視頻數據流最高優先級，避免了音視頻數據流與異步數據流間競爭網絡資源，此機制的大部分功能由交換機實現。

2 邏輯實現

搭建基于AVB協議的硬件環境模型，仿真整車中控臺與后座顯示屏間的視頻傳輸或360環視攝像頭的視頻推送平臺，重點分析了AVB網絡的物理層和軟件協議層實現的關鍵技術，完成Secure CRT對Ethernet AVB網絡數據流的傳輸控制，并實現了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 數據包傳輸路徑

3 接口配置

AVB仿真模型以音視頻硬件推送平臺為基礎板，如圖3所示，以IMX6Q為核心板搭建了基于AVB協議的硬件開發環境，如圖4所示，提高了硬件平臺設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）以滿足精準時鐘同步協議的高性能嵌入式處理器IMX6Q為核心板，完成協議棧的代碼修改，是分析協議棧的關鍵技術。

圖3 基礎板

2）推送端和接收端采用NXP的TJA1100收發器，交換機采用NXP的SJA1105的PCB板，與IMX6Q間采用MII接口實現音視頻數據傳輸，滿足了單對非屏蔽雙絞線實現100 Mb／s全雙工精準時鐘同步與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攝像頭采用NXP的MPC 5604E視頻編碼節點，通過非屏蔽雙絞線進行以太網視頻傳輸，驗證AVB協議數據流的純同步播放。

4）LCD屏采用LVDS的高速差分信號與IMX6Q進行數據交互，最大傳輸速率達到170 Mb／s。

5）MPC5604E作為攝像頭數據流的采集源，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JPEG編碼器轉換為視頻信號；③將視頻信號按照IEEE 1722傳輸協議經DMA快速儲存技術傳到MAC層。

3.2 平臺優勢

該平臺以IMX6Q作為主要硬件平臺，搭建了多媒體應用開發系統，主要原因如下。

1）IMX6Q可通過硬件與軟件配置，實現車載AVB協議的開發，融合了車載信息娛樂的平臺設計。

2）IMX6Q實現了精準時鐘同步協議。

3）IMX6Q的核心主頻可達到1.2 GHz，同時外設支持Serial、CAN、LVDS及以太網通信。

4）8G的存儲器內存滿足Ubuntu操作系統的正常運行。

5）無需外部穩壓器，集成的內部穩壓器為芯片提供穩態電源，滿足了汽車高速率數據處理要求。

6）IMX6Q支持1080P的視頻解碼，更好地處理視頻傳輸。

4 測試實施

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

在上位機的Windows操作系統中安裝Secure CRT軟件，運行Serial協議，對接口及網絡環境進行配置，便于控制攝像頭與視頻的模式切換及數據流的傳輸路徑。首先推送端與接收端通過TJA 1100收發器與交換機的SJA 1105建立連接后，在線聲明自身是否支持AVB協議。接收端接收到推送端發送的廣播幀，通過注冊服務接收該數據流后，交換機進行視頻或攝像頭數據流的轉發，接收端通過時間戳觀察推送端到接收端的時間同步性。具體執行步驟如下。

1）推送端與接收端聲明自身在同一個AVB網絡內建立連接，使用命令：cd ／home／net_ioctl；.／net_ctrl eth。

2）MPC5604E作為數據采集源，推送端通過車載以太網發送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進行相應模式切換：insmod uvcvideo.ko。

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

4）推送端按照AVB傳輸協議將音視頻數據流經交換機轉發給相關注冊過的接收端，接收端采用脈沖振幅調制方式匯集到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，協助監測通信的精準時鐘同步。

為了驗證發送的數據流是否符合AVB協議，在上位機中安裝Vector最新軟件CANoe10.0，硬件采用增加了Ethernet網絡功能的VN5640系列開發工具，支持AVB、SOME／IP、DoIP及XCP等協議，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語言對系統進行簡單控制，并能在Trace及Bus Statistics等窗口分析網絡狀態，并可過濾、記錄及回放CAN報文及Ethernet數據包。

根據AVB協議的通信原理，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備后，監測Trace窗口內的數據流是否符合AVB協議，驗證了系統性能測試和圖像識別測試的正確性，為將來車載以太網的開發與應用提供了一定的理論基礎。

圖6 Secure CRT編輯界面

圖7 AVB連接實物圖

5 結論

測試結果表明，本文設計的基于Ethernet車載網絡的攝像頭采集數據流與視頻數據流經交換機轉發，能夠同步傳輸到接收端，并可通過上位機的Secure CRT軟件靈活控制以太網攝像頭的工作模式。基于AVB協議的Demo仿真模型在精準時鐘同步協議、流預留協議及隊列轉發協議基礎上，實現了車載視頻圖像的實時傳輸功能，驗證了AVB協議的數據流傳輸效率，標志著單一車載以太網替代傳統混合網絡的可行性，避免了網關橋接的問題，降低了網絡的復雜性和成本。