周紅英，陶龍龍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

設(shè)計(jì)研究

基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的汽車網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周紅英，陶龍龍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

網(wǎng)絡(luò)總線在汽車中的應(yīng)用越來越普遍，如何高效、低風(fēng)險(xiǎn)的做好汽車網(wǎng)絡(luò)總線的平臺(tái)化開發(fā)，顯得尤為重要。本文提出了一種高效的網(wǎng)絡(luò)總線開發(fā)理念：基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的汽車網(wǎng)路總線開發(fā)；基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的汽車網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法能有效地降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)；提高開發(fā)效率，保證網(wǎng)絡(luò)通訊安全，并能靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)化設(shè)計(jì)。

汽車網(wǎng)絡(luò)總線；集成網(wǎng)關(guān)；獨(dú)立網(wǎng)關(guān)；診斷

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-01-04

引言

隨著整車越來越多的舒適娛樂功能需求，使得整車CAN (Controller Area Network控制器局域網(wǎng)絡(luò))控制電子模塊控制器大大增加，傳統(tǒng)的基于集成網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足總線通訊需求，單條CAN總線上節(jié)點(diǎn)多、通訊量大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率增大，影響CAN通訊質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹了基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)技術(shù)的整車網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用，掌握了汽車電子電器網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)檢測(cè)與配置、售后診斷的全過程開發(fā)能力，為新車型應(yīng)用共平臺(tái)運(yùn)作的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)模式奠定了基礎(chǔ)。整車網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅是將各CAN控制器用雙絞線在整車上連接，還需要對(duì)整車報(bào)文進(jìn)行ID地址分配，時(shí)序分析，系統(tǒng)負(fù)載率設(shè)計(jì)，整車網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，同時(shí)要求在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化配置和檢測(cè)系統(tǒng)，以及在售后過程中實(shí)現(xiàn)智能診斷。

1、基于集成網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于集成網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路：首先選擇一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為集成網(wǎng)關(guān)，除了要完成節(jié)點(diǎn)本身功能外，還需負(fù)責(zé)CAN網(wǎng)絡(luò)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)將整車網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)主要子網(wǎng)：動(dòng)力CAN子網(wǎng)和車身CAN子網(wǎng)，采用一個(gè)控制器，如儀表（ICM）作為集成網(wǎng)關(guān)。通過集成網(wǎng)關(guān)將兩子網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和診斷。圖1為基于集成網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)拓?fù)洹?/p>

1.1 動(dòng)力CAN

經(jīng)過對(duì)整車功能和零部件分析，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)、變速箱控制單元(TCU)、車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC)、電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）、安全氣囊（SRS）等之間的信息交換量比較大，也比較頻繁，它們同屬動(dòng)力系統(tǒng)范疇，所以將以上ECU共同組成一個(gè)動(dòng)力CAN子網(wǎng)。由于動(dòng)力控制子網(wǎng)中的數(shù)據(jù)相對(duì)較多，實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高，所以采用500Kbps的高速CAN通訊速率。

1.2 車身CAN

由于車身控制器(BCM)，空調(diào)控制器(HVAC)、DVD等模塊信息交換量大，故將這些跟舒適娛樂相關(guān)控制器組成一個(gè)車身CAN子網(wǎng)。相對(duì)動(dòng)力控制子網(wǎng)而言，車身控制子網(wǎng)的控制器信息較少，實(shí)時(shí)性要求也不是十分嚴(yán)格，所以采用100Kbps的低速CAN通訊速率。

基于集成網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)只具備兩條CAN通訊能力，可擴(kuò)展性不強(qiáng)。隨著網(wǎng)絡(luò)上CAN控制器逐漸增多，采用集成網(wǎng)關(guān)的兩條CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率過大的現(xiàn)象，影響CAN通訊質(zhì)量。

2、基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

在CAN網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須充分考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）電磁兼容性：要滿足電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)；

（2）信號(hào)確定性：控制信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間要小于規(guī)定的閥值；

（3）完善的錯(cuò)誤處理策略：定義CAN通訊中節(jié)點(diǎn)BUSOFF和CAN通訊超時(shí)的錯(cuò)誤處理策略；

（4）容錯(cuò)性：發(fā)生故障后能恢復(fù)到正常狀態(tài)；

（5）獨(dú)立診斷：網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和故障診斷功能；

（6）網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性：CAN通信網(wǎng)絡(luò)要容易展；

（7）低成本：汽車電子器件的低成本對(duì)汽車的批量生產(chǎn)至關(guān)重要；

（8）報(bào)文質(zhì)量：網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文的速率、優(yōu)先等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容量。

獨(dú)立網(wǎng)關(guān)支持多路總線的特性使得整車網(wǎng)絡(luò)總線靈活性大大提高，網(wǎng)絡(luò)總線跨平臺(tái)整合變得簡便快捷。通常情況下一個(gè)整車網(wǎng)絡(luò)總線可包含多個(gè)通訊子網(wǎng)，如動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)總線、舒適網(wǎng)絡(luò)總線，娛樂總線等，各子網(wǎng)以獨(dú)立網(wǎng)關(guān)為通訊樞紐。

基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本路：在設(shè)計(jì)中將整車網(wǎng)絡(luò)分成4條CAN子網(wǎng)和2條LIN控制子網(wǎng)：動(dòng)力CAN子網(wǎng)、底盤CAN子網(wǎng)、舒適CAN子網(wǎng)和娛樂CAN子網(wǎng)，以及2條速率為19.2Kbps的LIN線子網(wǎng)，隨著各控制器功能逐漸增多，通訊量很大，故將4條CAN總線速率均設(shè)為500Kbps，便于進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。通過獨(dú)立網(wǎng)關(guān)將各子網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和獨(dú)立診斷。圖2為基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)拓?fù)?：

2.1 子網(wǎng)設(shè)計(jì)

（1）動(dòng)力CAN

經(jīng)過對(duì)整車功能和零部件分析，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)、變速箱控制單元(TCU)、換擋模塊控制（SLC）和安全氣囊（SRS）之間的數(shù)據(jù)交換量比較大，也比較頻繁，它們同屬動(dòng)力系統(tǒng)范疇，所以將以上ECU共同組成一個(gè)動(dòng)力CAN子網(wǎng)。

（2）底盤CAN

由于車身控制器（ESC）、電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）、電子駐車（EPB）、轉(zhuǎn)角傳感器（SAS）等又細(xì)屬于底盤范疇，組成底盤CAN總線。

（3）舒適CAN

將儀表（ICM）、車身控制器（BCM）、空調(diào)（HVAC）、無鑰匙進(jìn)入無鑰匙啟動(dòng)（PEPS）等跟舒適相關(guān)控制器組成舒適CAN子網(wǎng)。

（4）娛樂CAN

將DVD、品牌音響（AMP）、倒車影像（VRR）、時(shí)鐘（CLOCK）等娛樂相關(guān)的控制器組成娛樂CAN子網(wǎng)。

（5）LIN線

由于BCM和車窗防夾模塊（APM）、雨量傳感器（RS）之間通訊量較大。故采用BCM作為集成網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)兩條LIN線與CAN之間的通訊，同時(shí)在獨(dú)立網(wǎng)關(guān)上預(yù)留兩路LIN線，可用于功能擴(kuò)展。

2.2 診斷設(shè)計(jì)

在整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)作為各個(gè)子網(wǎng)的信息中轉(zhuǎn)站，診斷接口和網(wǎng)關(guān)直接連接，不深入到各子網(wǎng)中去，在診斷儀與網(wǎng)關(guān)之間需要經(jīng)過握手，判斷是否執(zhí)行后續(xù)的診斷操作。即通過Routine Control (31) 診斷服務(wù)，發(fā)送握手信號(hào)請(qǐng)求握手，診斷儀根據(jù)算法自行算出該握手信號(hào)對(duì)應(yīng)的反饋值T1；網(wǎng)關(guān)接收到請(qǐng)求后，經(jīng)過相同的算法算出請(qǐng)求信號(hào)的反饋值G1，并返回肯定響應(yīng)； 診斷儀接收到肯定響應(yīng)后，再次請(qǐng)求發(fā)出診斷儀自行計(jì)算的反饋值T1，網(wǎng)關(guān)接收到后，比較兩個(gè)反饋值T1 與G1，判斷是否一致；一致則認(rèn)為握手成功，并返回肯定響應(yīng)，診斷儀后續(xù)發(fā)送的診斷請(qǐng)求，按照實(shí)際情況處理；若不一致，則認(rèn)為握手失敗，返回否定響應(yīng)，診斷儀發(fā)送的診斷請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)不做處理或者返回否定響應(yīng)。因此，由診斷儀發(fā)出的對(duì)任意控制器的診斷服務(wù)命令都是由獨(dú)立網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制器，這樣就可以從物理上避免對(duì)任意控制器單元的直接訪問，所有對(duì)控制器的訪問都要受到網(wǎng)關(guān)的監(jiān)測(cè)，用戶的身份識(shí)別和授權(quán)驗(yàn)證工作均由網(wǎng)關(guān)成，對(duì)于所有不被授權(quán)的非法訪問進(jìn)行隔離，防止非法用戶入侵整車網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)的安全等級(jí)，從而提高汽車整體的安全性。

2.3 基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)分析

國內(nèi)應(yīng)用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)是汽車發(fā)展的趨勢(shì)。下面將采用集成網(wǎng)關(guān)與采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析：

（1）儀表作為集成網(wǎng)關(guān)只具備2路CAN的通訊能力，擴(kuò)展性差，而獨(dú)立網(wǎng)關(guān)具備6路CAN、2路LIN的通訊能力，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可持續(xù)性，在項(xiàng)目進(jìn)展中，如果遇到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生通訊變更，可以方便地配置網(wǎng)絡(luò)；

（2）根據(jù)以往眾多車型和配置的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，儀表作為網(wǎng)關(guān)會(huì)存在多達(dá)40多個(gè)版本，而加入獨(dú)立網(wǎng)關(guān)后，儀表將作為單獨(dú)一路網(wǎng)段接入獨(dú)立網(wǎng)關(guān)，其他功能性零部件的信號(hào)變動(dòng)，不會(huì)影響儀表。若通訊信號(hào)變更，硬件保持不變，只需軟件變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硬件的通用化和平臺(tái)化；

（3）儀表作為集成網(wǎng)關(guān)時(shí)OBD口與2路CAN直接連接，通訊信息很容易獲取，而采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)后，OBD口與獨(dú)立網(wǎng)關(guān)直接連接，保證了整車通訊信息的安全性；

（4）獨(dú)立網(wǎng)關(guān)預(yù)留了一定的I/O口，有利于整車功能的擴(kuò)展；

（5）獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的單件變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零部件的各車型通用；

（6）采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)后，承擔(dān)集成網(wǎng)關(guān)功能的儀表可以降低MCU負(fù)荷，大大降低了儀表的軟硬件成本，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)開發(fā)一次可以應(yīng)用江淮所有車型，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用；

（7）獨(dú)立網(wǎng)關(guān)具備信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)管理、診斷、Bootloader刷新等功能，可配置性強(qiáng)，采用平臺(tái)化軟件設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)配置變動(dòng)只需要通過BT軟件刷新即可完成新配置的注入，且刷新可由主機(jī)廠主導(dǎo)完成；

（8）ICM作為集成網(wǎng)關(guān)起關(guān)聯(lián)高低速兩路CAN的作用，按當(dāng)前JAC車型配置，集成網(wǎng)關(guān)功能基本已達(dá)極限，不滿足未來車輛智能化發(fā)展需求，同時(shí)，集成網(wǎng)關(guān)集成在其他零部件內(nèi)部，無法滿足擴(kuò)展三路及更多CAN網(wǎng)段的需求。

3、獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的開發(fā)

獨(dú)立網(wǎng)關(guān)采用飛思卡爾公司MC9S12XDP512的 16位微控制器芯片，它具有雙核特點(diǎn)，兩個(gè)處理器能同時(shí)運(yùn)行。芯片支持五路CAN總線模塊，兩路LIN總線模塊，理論上可以支持100個(gè)以上的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖3為獨(dú)立網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)。該獨(dú)立網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)又5路CAN總線接口和2路LIN線接口，傳輸速率和信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)速率從100Kbps到500Kbps之間可配置。各條CAN總線、LIN線以及診斷總線之間的通訊信號(hào)都由獨(dú)立網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號(hào)路由。同時(shí)針對(duì)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)還專門進(jìn)行硬件接口定義，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)管理功能規(guī)范，診斷規(guī)范，錯(cuò)誤管理規(guī)范等一系列規(guī)范。確保獨(dú)立網(wǎng)關(guān)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中充分發(fā)揮作用。

3.2 軟件架構(gòu)

圖4為獨(dú)立網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)，主要由7個(gè)部分組成。其中COM（IL）層主要完成基于CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)工作；傳輸層（Transport Layer）完成用于流控制及大數(shù)據(jù)的分片、打包；診斷服務(wù)層（Diagnostic Service Layer）主要完成UDS診斷服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理層（Network Managenment）完成基于OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理；刷新模塊（Boot loader）完成程序或網(wǎng)絡(luò)配置的更新；DTC管理時(shí)基于診斷服務(wù)接口 ，完成診斷故障碼的存儲(chǔ)、讀取及清除；診斷應(yīng)用模塊是配合診斷協(xié)議層，實(shí)現(xiàn)診斷服務(wù)及相關(guān)功能。

3.3 時(shí)序控制

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)幀速率與信號(hào)幀類型(周期信號(hào)、立即信號(hào)或事件信號(hào))定義不同，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)要做好信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間控制，明確每個(gè)信號(hào)的更新時(shí)間，事件性信號(hào)的最小間隔時(shí)間，確定信號(hào)優(yōu)先級(jí)，調(diào)用V—Output函數(shù)時(shí)間等時(shí)間參數(shù)，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)幀轉(zhuǎn)發(fā)最大延遲時(shí)間為2ms，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)周期誤差小于10%。根據(jù)ISO11898規(guī)范，當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器大于255時(shí)將進(jìn)入Busoff狀態(tài)，應(yīng)用程序需要按照足夠快的周期（不大于10ms）對(duì)Busoff狀態(tài)進(jìn)行檢查，防止Busoff狀態(tài)的丟失，當(dāng)檢測(cè)到Busoff時(shí)，Busoff計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到6時(shí)，記錄Busoff 故障碼。此后如果繼續(xù)檢測(cè)到Busoff狀態(tài)，計(jì)數(shù)器值仍保持為6。在Busoff計(jì)數(shù)器非零的情況下，如果在5000ms內(nèi)未檢測(cè)到Busoff，則計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)故障類型由當(dāng)前故障轉(zhuǎn)為歷史故障。

4、總結(jié)

應(yīng)用開發(fā)結(jié)果表明，基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的汽車網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)具備子網(wǎng)獨(dú)立，實(shí)施靈活；平臺(tái)化設(shè)計(jì)，適用多種車型；整車網(wǎng)絡(luò)總線可擴(kuò)展強(qiáng)；系統(tǒng)整體成本低廉；網(wǎng)絡(luò)通訊安全等級(jí)高；開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較低等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)功能由主機(jī)廠進(jìn)行管控，路由轉(zhuǎn)發(fā)配置可以由主機(jī)廠網(wǎng)絡(luò)工程師根據(jù)需要編寫，可配置性極強(qiáng)，在Mule車搭載及前期驗(yàn)證方面有巨大優(yōu)勢(shì)，后期遇到市場(chǎng)問題也可以迅速應(yīng)對(duì)。

[1]王文海. CAN總線在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 電子科技，2011，24（5）.

[2]史久根. CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 第1版，北京：國防工業(yè)出版社，2004. 21～22.

[3]ISO 11898-2, Road vehicles — Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[4]ISO 14229, Road vehicles — Unified diagnostic services (UDS)—Part 1: Specification and requirements, 2005.5.8.

The automotive network bus system design Based on an independent gateway

Zhou Hongying, Tao Longlong
（AnHui JiangHuai Automobile Co.,Ltd.Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Along with Network bus applications increasingly common in cars,How efficient and low-risk to do development platform of automotive network bus, becomes increasingly important. This paper presents an efficient bus network development philosophy: the automotive network bus system design Based on an independent gateway. It can effectively reduce development risk, improve development efficiency, ensure network communications security, and flexibly implement platform design the for automotive network bus system.

Automotive Network Bus；Integrated Gateway；Independent Gateway；Diagnosis

U462.1

A

1671-7988(2015)04-01-04

周紅英，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。