[车联网/计算机网络] Autosar 的 `ARXML` 配置数据库文件协议

序: 缘起 ARXML

概述 ： Autosar 的 ARXML 配置数据库文件协议

ARXML 文件

• ARXML文件： AUTOSAR系统描述文件，后缀*.arxml

• 实质是一个XML文件，一般通过Autosar标准的XSD进行约束
• 可用专用工具Artop，Systemdesk，Matlab，DaVinci developer，Autosar Explorer…生成。
• 和XML、DBC文件一样，ARXML是一个通用的配置/数据库文件。

所以，这里只需了解ARXML文件的结构（方便在将ARXML导入工具前，能够检查一些基本的错误），无需想着用过多的时间手动生成它(生成的工作，专业工具已经帮你做解决了)。

XML

XML简介

• XML ： 可扩展标记语言（eXtensible Markup Language），是是一种非常灵活的标记语言，没有固定的标签，所有的标签，在符合XML命名规则的基础上，都可以自定义，但是在写标签名的时候一定要有含义。

通常，XML被用于信息的记录和传递。因此，XML经常被用来充当“配置文件”和“数据库”。

• 一般可通过“Eclipse”和“网页浏览器”等软件工具打开XML文件。

将ARXML文件的后缀名修改为XML，可以通过这些工具打开。

XML 文件数据结构

以下是一个简单Demo

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<books>
<!-- 图书信息 -->
    <book id="book_1">
        <author>张三</author>
        <title>XML高级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
</books>

• XML文档是树状结构；

• 第1行：XML声明。 必须放在第一行，第一列，声明语句之前，不能有任何的空格和注释。定义了XML版本和编码信息。其中，版本永远都是1.0；编码方式一般都使用UTF-8（该编码支持中文标签），编码信息不区分大小写。
• 第2行：根元素 : <books>。XML有且仅有一个根元素。元素由开始标签、元素内容、结束标签组成，没有被其它元素包围的元素称为根元素；
• 第3行：注释的写法 ： <!-- 注释内容 -->，但不能嵌套使用。
• 第4行：属性 : id="book_1"。属性必有值，值必须使用引号（单引号，双引号）。属性其实是描述标签一些额外的信息，一个标签可以有多个属性。可以将属性看为元素的另一种写法。
• 第5~7行：表示元素。

• XML中的标签区分大小写，对应的开始标签和结束标签必须大小写一致。
• 标签命名：普通字符有：字母，数字，-中横线，_下划线，.点号，数字不能作为首字母出现等。大段内容有许多特殊符号内容，使用转义，如下的例子：了看可是ljlkdjlsjd lsksj lsjdlks d]]>
• XML中的标签是成对的，而且要正确嵌套：标签可以嵌套，但不可以交叉嵌套。
• 实际的项目当中，第4~8行这部分经常是重复的。
• 特殊符号使用符号实体：

• 单引号：用&apos表示
• 双引号：用&quot表示
• 空格：用&nbsp表示
• &符号：用&amp表示
• >符号：用&gt表示
• <符号：用&lt表示

• 如下根元素下，可以存在多个并列的元素：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<books>
<!-- 图书信息 -->
    <book id="book_1">
        <author>张三</author>
        <title>XML高级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
    <book id="book_2">
        <author>李四</author>
        <title>XML中级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
</books>

有效的XML

• XML首先必须是格式良好的，一般使用DTD和XSD（XML Schema）定义语义约束。ARXML文件使用XSD进行约束。

认识DTD

DTD简介

• DTD全称: Document Type Definition

用于约束XML的文档格式，保证XML是一个有效的XML。定义好接口和格式，方便多个人同时开发。

• DTD可以分为两种：内部DTD；外部DTD

• DTD和XML之间的关系：

• 类（人类）和对象（我）
• 数据库（表）和行（一条记录）

• DTD的缺点：

• DTD约束XML的时候，不能对XML中数据类型做详细的限定。
• DTD约束有自己的语法，书写时必须遵守DTD的语法；
• 一个XML文件中只能引入一个DTD约束，而无法通过多个DTD文件来约束同一个XML文件。

内部的 DOCTYPE 声明

• 内部DTD的定义，语法如下：
  
  a)
  
  b) 元素声明语法：

<!ELEMENT 元素名 (子元素[,子元素...])>

c) 数量词：

+：表示元素出现至少出现一次

？：表示元素出现0次或1次

*：表示元素出现任意次。举例<!ELEMENT books (book*)>

d) 属性声明语法：

• 属性类型：CDATA，表示字符数据（character data）
• 默认值：

#REQUIRED，表示必须出现

#IMPLIED，表示不是必须出现

• 带内部DTD的完整XML：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!-- 声明内部DTD -->
<!DOCTYPE books [
  <!ELEMENT books (book+)>
  <!ELEMENT book  (author, title, description)>
  <!ATTLIST book id CDATA #REQUIRED >
  <!ELEMENT author (#PCDATA)>
  <!ELEMENT title (#PCDATA)>
  <!ELEMENT description (#PCDATA)>
]>

<books>
<!-- 图书信息 -->
    <book id="book_1">
        <author>张三</author>
        <title>XML高级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
    <book id="book_2">
        <author>李四</author>
        <title>XML中级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
</books>

外部的 DOCTYPE 声明

• 创建一各独立的外部DTD文件，内容如下：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!—声明内部DTD-->
  <!ELEMENT books (book+)>
  <!ELEMENT book (author, title, description)>
  <!ATTLIST book id CDATA #REQUIRED >
  <!ELEMENT author (#PCDATA)>
  <!ELEMENT title (#PCDATA)>
  <!ELEMENT description (#PCDATA)>

• 在XML中引入外部DTD文件，完整的语法如下：

<!DOCTYPE 根元素 SYSTEM "文件名">

• 带外部DTD的完整XML：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!-- 声明外部DTD -->
<!DOCTYPE books SYSTEM "books.dtd">
<books>
<!-- 图书信息 -->
    <book id="book_1">
        <author>张三</author>
        <title>XML高级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
    <book id="book_2">
        <author>李四</author>
        <title>XML中级教程</title>
        <description>介绍XML和XML实战</description>
    </book>
</books>

认识XSD

XSD简介

• XSD全称：XML结构定义（XML Schema Definition），是DTD的替代者。

• 不仅可以定义XML文档的结构，还可以规范XML文档的内容。XSD本身也是XML文档。

• XSD采用XML文档来定义语义约束，比DTD要复杂一些，但是功能强大的多：

• 定义可出现在文档中的元素；
• 定义可出现在文档中的属性；
• 定义哪个元素是子元素；
• 定义子元素的次序；
• 定义子元素的数目；
• 定义元素是否为空，或者是否可包含文本；
• 定义元素的数据类型；
• 定义元素和属性的默认值以及固定值。
• 允许开发这自定义数据类型
• 可读性强
• 可针对未来需求进行扩展
• 一个XML中可以引入N个Schema进行约束。
• 书写的时候，它遵守XML的语法规则，它的文件扩展名XSD。

XSD举例

• 这一章节仅做了解，无需过多深入。知道XML和XSD的之间的关系就行。

• book.xsd文件

<?xml version="1.0" encoding="utf-8">
<!--
	Schema文件中使用W3C对Schema文件的约束信息

	不管是XML还是XSD文件，都需要被约束
	在根标签上使用xmls属性(xmlns="http://www.w3.org/2001/XMLSchema")引用W3C的约束

	在schema中使用
	targetNamespace定义当前schema被xml引用是的名称（名称空间）;
	targetNamespace="http://www.example.org/book"定义当前的schema的名称为：http://www.example.org/book值，这个值可以随便写,用来标识约束文件
-->
<schema xmlns="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
        targetNamespace="http://www.example.org/book"
        xmlns:tns="http://www.example.org/book"
        elementFormDefault="qualified">
	<!--
	在Schema文件中使用element标签来定义xml中可以书写的标签名
	-->
    <element name="books">
		<!--
		在books中的子标签，需要在Schema中定义的books的标签内部嵌入element来定义。
		简单标签：如果一个标签没有子标签，也没有属性，这个标签是一个简单标签。
		复杂标签：如果标签拥有属性或者拥有子标签，那么这个标签就是一个复杂标签。

		在element标签中
		complexType来声明当前element定义的那个标签是一个复杂标签
		simpleType来声明当前element定义的那个标签是一个简单标签
		-->
		<complexType>
		    <!--在complexType使用sequence定义子标签之间的顺序-->
			<sequence>
			    <element name="book">
				    <complexType>
					    <sequence>
						     <element name="name" type="string"></element>
						     <element name="price" type="double"></element>
						     <element name="author" type="string"></element>
						</sequence>
					</complexType>
				</element>
			</sequence>
		</complexType>
    </element>
</schema>

• book.xml文件

<?xml version="1.0" encoding="utf-8">
<!--
	在根标签上使用xmls属性(xmlns="http://www.example.org/book")引用Schema的约束
	当引用多个约束时，需要在xmlns后追加
	xmlns:context="***"
	xmlns:p="***"

	xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
	声明当前的XML文件是schema一个实例（当前这是一个自定义的xml文件，是被某个schema文件约束）

	xsi:schemaLocation="http://www.example.org/book book.xsd"引用schema的位置，其中的“http://www.example.org/book”要与XSD中的targetNamespace里的字符串保持一致
-->
<books
	xmlns="http://www.example.org/book"
	xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
	xsi:schemaLocation="http://www.example.org/book book.xsd"
>
    <book>
	    <name>XML高级教程</name>
	    <price>59</price>
	    <author>张三</author>
	</book>
</books>

应用场景

CASE: 创建一个Classic CAN（经典CAN2.0）的系统描述ARXML文件

参考文献

• 创建一个Classic CAN（经典CAN2.0）的系统描述ARXML文件 - Zhihu 【推荐】

0 序言

• AUTOSAR System Description Network Explorer是一个文件编辑器，支持可视化和编辑系统描述的AUTOSAR系统描述文件(.arxml)和ECU摘录的通信内容

• 它支持架构版本4.0.3、4.1.2、4.2.1、4.2.2和4.3.0。
• AUTOSAR系统描述（ARXML）文件是基于XML的文件格式，描述网络通信的元素基于AUTOSAR系统模板。
• 其界面如下：

1 创建一个AUTOSAR系统描述

• 双击“AUTOSAR Explorer 2.0”快捷方式（见图1-1），打开“AUTOSAR System Description Network Explorer”（见图1-2）。

图1-1

图1-2

• 在菜单栏中，依次选择 File --> New File …(见图1-3)，弹出“Create New File”对话框。接着在该对话框中选择项目需要的“Autosar格式版本”和“物理层的通信方式”，单击“OK” (见图1-4)。

图1-3

图1-4

注意：

• 创建完成后，就无法再修改“Autosar格式版本”。
• 根据所选类型创建一个具有通信Cluster和物理通道的AUTOSAR系统描述文件（见图1-5）。单击“保存”按钮，选择合适的路径，并命名这个描述文件（见图1-6）。

图1-5

图1-6

2 物理层命名以及创建ECU

• 完成第1章后，重新打开Test_CAN.arxml（见图2-1），选中通信Cluster，在其右侧的属性视图中，重命名这个Cluster，并设置这个CAN通信的波特率（见图2-2）。

图2-1

图2-2

• 创建ECU方法，有两种：

• 菜单栏中，依次选择“Edit”à“Create Ecu…”(见图2-3)；
• 工具栏中，单击“Create ECU”(见图2-4)。

图2-3

图2-4

• 弹出“New ECU”对话框(见图2-5)。

图2-5

• 重命名ECU，单击“OK”(见图2-6)。

图2-6

• 完成后的效果如下(见图2-7)：

图2-7

3 新建一个Frame

• 创建Frame方法，有三种：

• +先在“导航栏”中选择“Frames”,然后在主视图中鼠标右键，在上下文中选择“Create Frame…”(见图3-1)；

图3-1

• 依次在菜单栏中选择“Edit-->“Create Frame…”(见图3-2)；

图3-2

• 工具栏中，单击“Create Frame”(见图3-3)。

图3-3

• 弹出“Edit Frame”对话框（见图3-4）。

• “Edit Frame”对话框修改如下（见图3-5）。

图3-5

• 注意：

• 1、“Edit Frame”对话框中的“Name”，可以理解为“DBC中Message名称”；
• 2、“Edit Frame”对话框中的“Length”表示帧的数据域长度，单位Byte；
• 3、“Edit Frame”对话框中的“ID”表示CAN_ID，十六进制表示；
• 4、“Edit Frame”对话框中的“Addressing Mode”有：Standard(标准帧)和Extended(扩展帧)两个选项，表示“帧类型”，可以理解为“DBC中Message里的Type”；
• 5、“Edit Frame”对话框中的“CAN FD Supported”选项：不勾选，表示是经典CAN2.0帧；勾选，表示是CAN FD帧；
• 6、“Edit Frame”对话框中的“Sender/Receiver Relations”用来定义该Frame帧的发送和接收ECU。图3-6表示该Frame帧的发送节点是OBC；图3-7表示该Frame帧的接收节点是OBC。

图3-6

图3-7

• 完成后的效果如下(见图3-8) ，按照此方法可以添加其它的Frame帧：

图3-8

4 新建一个PDU（协议数据单元）

• PDU的概念在DBC中是没有的。
• PDU（Protoco> +Data Unit：协议数据单元）代表在帧上传输的数据单元。

• 它包含在协议栈中交换的有效负载和控制信息。
• 根据PDU的应用和AUTOSAR格式版本，AUTOSAR模型可以区分不同类型的PDU。
• 实际的使用：将Signal信号映射的PDU当中。

• 接着图3-5，在PDU-Frame-Mapping中，选择“Signal-I-PDU” (见图4-1)，弹出“Edit Signal-I-PDU”对话框，根据需要编辑相关的信息(见图4-2)。

图4-1

• 注意：常用的有以下PDU。

• Signal-I-PDU:
• N-PDU: 网络层PDU。由传输协议模块用于分段I-PDU;
• NM-PDU:
• XCP-PDU:
• General-Purpose-I-PDU(XCP):
• multiplexed I-PDU: I-PDU在两个COM I-PDU中组装在IpduM模块中, 将Signal-I-PDU映射到静态和动态段。

• DCM-I-PDU:

图4-2

• 注意：

• “Edit Signal-I-PDU”中的信息一般默认不修改。

5 新建一个signal

• 接着图3-5，在Mapped Signals中，选择“Signal” (见图5-1)，弹出“Edit Signal”对话框(见图5-2)。

图5-1

图5-2

• 根据需要编辑相关的信息(见图5-3，图5-4，图5-5，图5-6)。

图5-3

图5-4

图5-5

图5-6

• 注意：

• “Edit Signal”对话框中的“Name”，可以理解为“DBC中Signal名称”；
• “Edit Signal”对话框中的“Length”，表示信号的长度，单位Bit；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Data Type Policy”，对于每个ISignal，都有一个DataTypePolicy定义，在大多数情况下将确定信息源。
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Position[Bit]”，表示信号的起始位；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Update Bit”，表示信号的更新位；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Byte Order”，表示信号的字节顺序：Intel，Motorola，Opaque；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Transfer Property”，表示信号的触发方式：Pending，Triggered，TriggeredOnChange，TriggeredWithoutRepetition，TriggeredOnChangeWithoutRepetition。相关的解释参加AUTOSAR COM标准；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Sender/Receiver Relations”，表示该信号是接收信号，还是发送信号，或者及不接收也发不发送；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Base Type”，定义了信号的一种编码：数据类型名称，符号类型（是否有符号），长度。当多个信号表示的物理含义相同，且信号长度相同时，可以在下拉框中选择相同的Base Type；
  
  +“Edit Signal”对话框中的“Computation Method”，描述了将信号传输的原始值转换为物理值的转换规则，信号的范围，信号的单位，无效信号的定义

• 完成后的效果如下(见图5-7)，按照此方法可以添加其它的Signal信号：

图5-7

自此一个AUTOSAR的系统描述ARXML文件就生成好了。

ARXML 开源项目

Y 推荐文献

• Github 相关项目

• https://github.com/ebroecker/canmatrix

https://canmatrix.readthedocs.io/en/latest/installation.html

Converting Can (Controller Area Network) Database Formats .arxml .dbc .dbf .kcd ...

• https://github.com/cogu/autosar

A set of python modules for working with AUTOSAR XML files

主要用例是使Python能够生成ARXML文件，以便在其他（商业）AUTOSAR工具链中导入。它还对解析AUTOSAR XML文件提供了一些支持。

• https://github.com/mahmut-aksakalli/arxml-viewer

基于Vue+Node JS的纯前端/ARXML可视化项目

This tool aims to visualize ARXML files in human readable form with easy search operations.

X 参考文献

• 【ARXML专题】-1-什么是ARXML - Zhihu