成金峰，藺春明，李攀，林國干，張少宇

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一種高端重卡網(wǎng)絡架構(gòu)

成金峰，藺春明，李攀，林國干，張少宇

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CAN總線是車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中的重要組成部分，目前已在汽車動力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中得到廣泛應用。隨著汽車電子化技術的不斷深入發(fā)展，汽車上電子控制單元（ECU）的數(shù)量已經(jīng)越來越多，而一些高端汽車電子控制單元數(shù)量已達到幾十個，傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡架構(gòu)由于負載率等問題已難以滿足需求。本文提出的分布式網(wǎng)絡架構(gòu)可以彌補傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)在負載率、安全性上的不足。

CAN總線；網(wǎng)絡架構(gòu)；負載率；分布式

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-07-04

前言

隨著汽車電子技術的發(fā)展，汽車上的電控單元(ECU)也越來越多，采用能夠滿足多路復用的總線通信系統(tǒng)，可以將各個ECU連接成為一個網(wǎng)絡，以共享的方式傳送數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡化的數(shù)字通信與控制功能。CAN總線是車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中的重要組成部分，目前已在汽車動力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中得到廣發(fā)應用。

該網(wǎng)絡架構(gòu)一旦增加配置，節(jié)點數(shù)量會較多，信息交互量會很大，因此實際負載也很高，這就導致了數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性急劇下降，信息開始在總線上延遲，許多數(shù)據(jù)由于優(yōu)先級的問題無法在總線上發(fā)送，集中式總線網(wǎng)絡已無法勝任需求。

1、分布式網(wǎng)絡架構(gòu)

本文提出的方案主要解決現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)兼容性差、負載率過高的問題。在集中式網(wǎng)絡架構(gòu)的基礎上，提出了分布式總線網(wǎng)絡的概念，它在繼續(xù)遵循CAN協(xié)議的基礎上，將原有的總線網(wǎng)絡分成了動力域、底盤與安全域、車身域和信息管理域四個部分，每一個域都有一個主控單元，主控單元將每個域分成若干個子網(wǎng)段，每個子網(wǎng)段將信息交互量最大的幾個節(jié)點劃分在一起，由主控單元負責協(xié)調(diào)域內(nèi)的工作，當某個子網(wǎng)段出現(xiàn)故障時，不會影響域內(nèi)其它網(wǎng)段的正常工作，大大提升了架構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。四個域間通過骨干網(wǎng)連接，實現(xiàn)域間交互信息的共享。分布式網(wǎng)絡架構(gòu)通過網(wǎng)絡分割有效地降低了網(wǎng)絡負載率，當單個域的網(wǎng)絡中斷時，其它域還能正常工作。

下面結(jié)合網(wǎng)絡架構(gòu)的框圖，對實施案例進行說明。參見圖2。

表1 各ECU功能

1.1 車身域

車身域的主要功能是實現(xiàn)整車大部分的電氣功能。作為主控單元的SCA，既要負責協(xié)調(diào)域內(nèi)電氣功能的正常運行，還得負責與其它域的信息交互。SCA集成了繼電器和保險絲，控制車身前部和駕駛室內(nèi)部的燈光、雨刮、電磁閥和傳感器等；SCA的前后側(cè)直接連接駕駛室內(nèi)外部線束，節(jié)省了很多接插件。各個開關組都是一個獨立的小控制器，通過總線，連接到了開關主模塊（MSF）上。通過總線開關組有效地解決了開關的可擴展性，隨意增加開關成為可能。主干網(wǎng)上共9個CAN節(jié)點，包括：中央控制器SCA、左車門控制器DCMD、右車門控制器DCMP、一鍵啟動控制器EIS、空調(diào)控制器HVAC、開關主模塊MSF、車隊管理系統(tǒng)TCC、收音機RAD、安全氣囊控制器SRS，通過SCA上集成的網(wǎng)關功能實現(xiàn)與其它模塊的信息交互。

例如：當左轉(zhuǎn)向開關打開時，MSF采集該信號后發(fā)至Cabin CAN，SCA負責控制左前轉(zhuǎn)向燈并將開關信號發(fā)送至CGW，CGW再將信號轉(zhuǎn)發(fā)至Exterior CAN，SCH接收到該信號后控制左后轉(zhuǎn)向燈。

圖3為中央控制器SCA的系統(tǒng)框圖：

中央控制器SCA電路板具有電源模塊、開關采集模塊、高邊驅(qū)動模塊、CAN模塊、LIN模塊等，實現(xiàn)組合燈（近光燈、遠光燈等）、柜燈、標識燈等燈光開關的采集和相應的控制，通過CAN、LIN實現(xiàn)同后控制器等的通信。

圖4為中央控制器SCA的軟件流程：

1.2 動力域

車輛控制器VCU、發(fā)動機控制器MCM、變速箱控制器TCM、緩速器控制器RCM等構(gòu)成了動力域的大體框架。動力域包含了整車核心動力部分，主要關注點集中在發(fā)動機的經(jīng)濟型和變速箱的傳功效率上。車輛控制器（VCU）作為動力總線的主控單元，變速箱擋位選擇開關（GSM）通過LIN連接到了VCU，發(fā)動機油門踏板則通過硬線連接到了VCU上，其它信息（如自適應巡航，緊急制動等）則通過CAN信息傳輸。VCU通過硬線和發(fā)動機總線（ECAN）收集發(fā)動機、變速箱、緩速器、制動等工作信息，并通過內(nèi)部邏輯加以運算，最后輸出（CAN信息或電磁閥控制），實現(xiàn)了對動力域的控制，TCM和RCM已接近一個執(zhí)行器。VCU作為動力域的主控單元，也為將來的功能擴展（如主動制動、節(jié)油等）打下了基礎。

圖5為車輛控制器VCU系統(tǒng)框圖：

車輛控制器由電源模塊、MCU模塊、CAN模塊、LIN模塊、高驅(qū)模塊、低驅(qū)等模塊組成，實現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器等的控制，通過CAN和LIN總線實現(xiàn)同外部的通信。

1.3 底盤安全域

底盤安全域由底盤段和安全制動2大模塊組成。后控制器SCH主要負責協(xié)調(diào)底盤段與骨干網(wǎng)的信息交互。后控制器（SCH）連接后部燈光、傳感器和電磁閥，電源直接通過后部配電實現(xiàn)，中央網(wǎng)關和后部模塊之間只有CAN線連接，增加了線束的可靠性。

EAPU采用獨立的LIN與儀表（ICUC）相連，當總線故障時，起到冗余備份作用，直接把事關整車安全的氣壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x表上并顯示出來。

SCA和后控制器SCH之間有備份總線，當其中的Cabin CAN或Exterior CAN出現(xiàn)故障時，冗余總線立即被激活，相關數(shù)據(jù)通過Cabin CAN或Exterior CAN繼續(xù)得以傳輸。

EBS等安全段上的模塊涉及整車安全制動，主要功能有主動/被動剎車、隨動轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)等駕駛輔助系統(tǒng)，并且由于EBS等模塊直接關乎駕駛員的生命安全，一旦出現(xiàn)問題，后果十分嚴重，因此冗余技術的應用十分關鍵。例如，比例繼動閥AFEV、橫擺角速度傳感器YAWS、EBS電磁閥AREV都含備份總線，當出現(xiàn)故障時，自動啟用備份總線，確保了整車的安全性。

圖6為后控制器SCH系統(tǒng)框圖：

SCH控制器采集開關、傳感器信號及接受CAN總線信號，通過控制器內(nèi)部邏輯處理、判斷，實現(xiàn)對外部負載如車燈、執(zhí)行器等進行驅(qū)動，同時集成CAN、LIN通信功能。

1.4 信息管理域

信息管理域主要功能就是實現(xiàn)整車信息的采集，方便用戶實時觀察到整車的狀態(tài)。主控單元組合儀表ICUC與動力總線和制動總線直接通訊，并將所需顯示的信息和報警符號顯示在儀表上，并將相關故障信息轉(zhuǎn)給TCO。TCO記錄車輛參數(shù)及行駛信息、故障信息。駕駛輔助系統(tǒng)VRDU控制車道偏離系統(tǒng)，包括攝像頭、總線信號的采集處理和報警提示信號的輸出。

2、結(jié)束語

總線負載率促使我們必須對整車網(wǎng)絡進行優(yōu)化和細分，由原先的一條網(wǎng)絡逐步發(fā)展到本發(fā)明的多域多總線的結(jié)構(gòu)（動力域、底盤與安全域、車身域和信息娛樂域），在降低總線負載和清晰職能的同時，也為將來電子電氣系統(tǒng)的發(fā)展預留了較多擴展空間，某些新增節(jié)點甚至可以直接掛到上述域中。同時大大提高了整車的安全性能，即使車身域或信息管理域出現(xiàn)故障，也不會影響整車的正常行駛。

VCU并不是一個孤立的網(wǎng)關，它作為動力系統(tǒng)的主控單元，通過編程完成了整個動力系統(tǒng)的控制，包括：整車能量扭矩的協(xié)調(diào)控制、整車網(wǎng)絡的維護管理、換擋管理、智能駕駛、故障診斷處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視和控制，使得各部件控制器成為獨立的執(zhí)行器，分工更為明確，執(zhí)行效率更高并且減少了動力系統(tǒng)的變更、優(yōu)化的難度及工作量，縮短了新車型開發(fā)周期，提高了整車電子電氣的平臺化通用化，同時也為將來動力方面的技術擴展留下了伏筆。

[1]葉強生，陳書名.CAN總線在汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)中的研究與應用[J].微計算機信息.2008.

[2]藺春明，孫永峰，俞燚.商用車車載CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)設計思考[J].汽車實用技術.2013.

[3]羅峰,孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設計與應用[M].電子工業(yè)出版社.2011.

[4]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996.

A high-end heavy truck network architecture

Cheng Jinfeng, Lin Chunming, Li Pan, Lin Guogan, Zhang Shaoyu
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

CAN BUS is an important consist of vehicle network. It has been applied to power system and body system of vehicle widely.With the development of vehicle electronic, the number of ECU increased rapidly, even more than 30 in some high-end vehicle. Traditional centralized network architecture could not accord with the demand owing to the limitation of Busload. Distributed architecture provided in this article can make up the vice of Busload and security.

CAN BUS; Network Architecture; Busload; Distributed

U463.6

A

1671-7988(2015)04-07-04

成金峰，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心電氣部。