趙士杰

摘要：隨著現(xiàn)代商用車的快速發(fā)展，為了滿足人們對商用車娛樂性、舒適性和輔助功能等方面的需求，商用車的相關(guān)功能不斷增加。商用車電子系統(tǒng)中的執(zhí)行器、控制模塊和傳感器不斷增多，這對商用車的網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。以新車型開發(fā)為背景，對控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線的網(wǎng)關(guān)進行了研究。

關(guān)鍵詞：商用車網(wǎng)關(guān);CAN總線;車載網(wǎng)絡(luò)

0?前言

隨著汽車電控系統(tǒng)數(shù)量的不斷增加，汽車功能越來越強大、舒適性越來越高，同時汽車電子與電器系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。過去，傳統(tǒng)的汽車電子控制系統(tǒng)大都采用繼電器和點對點的模式將電子控制單元及負載設(shè)備相連。車輛上的電控單元需要與傳感器、執(zhí)行器之間實現(xiàn)通信，如果沿襲傳統(tǒng)的連接方式，將會產(chǎn)生大量線束和插接件。這樣不僅會增加車身質(zhì)量，帶來裝配困難的問題，同時也增加了故障維修難度，還會降低系統(tǒng)安全性[1.2]。

網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)能較好地解決上述矛盾。目前國內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò)主要還是采用控制器局域網(wǎng)（CAN）總線技術(shù)，但該項技術(shù)在商用車上仍未廣泛應(yīng)用。對商用車應(yīng)用CAN總線的目的是提高整車的電氣性能，改變國產(chǎn)商用車整車電器系統(tǒng)仍停留于傳統(tǒng)電器設(shè)計的現(xiàn)狀，減輕整車質(zhì)量，提高整車實時控制的精度，因此具有較強的工程應(yīng)用價值[3]。

車載網(wǎng)關(guān)的重要作用為接收和轉(zhuǎn)發(fā)不同網(wǎng)段、不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信報文，其中的中央處理器（MCU）、CAN收發(fā)器等作為核心部件發(fā)揮著重要的作用，目前16位MCU的產(chǎn)品應(yīng)用正在逐步完善。因此，基于16位MCU對CAN進行應(yīng)用研究對商用汽車網(wǎng)關(guān)的設(shè)計有著重大意義。

1?網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

在網(wǎng)關(guān)的整體設(shè)計中，研究人員首先應(yīng)當確認整車使用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其主要由5路CAN總線。圖1為整車網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

研究人員分析了實際情況，以網(wǎng)關(guān)（GWM）為終端，5路CAN總線都連接了除了診斷口（OBD）以外的24個電子控制單元（ECU）系統(tǒng)。這5路CAN都是基于ISO 11898.2.2003標準的高速CAN總線，速率為500 kb/s。

根據(jù)S平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲，研究人員選擇基于ISO 11898.2.2003的高速CAN作為要求開發(fā)網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)負責建立不同CAN網(wǎng)絡(luò)之間的連接，并且從源網(wǎng)絡(luò)傳輸、轉(zhuǎn)換信號到目標網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)連接5路高速CAN網(wǎng)絡(luò)。在整車上，不同的網(wǎng)段需要滿足不同的網(wǎng)絡(luò)管理要求，動力網(wǎng)絡(luò)（PT_Network）和底盤網(wǎng)絡(luò)（CH_Network）采用間接網(wǎng)絡(luò)管理（架構(gòu)策略15電喚醒和休眠）;車身網(wǎng)絡(luò)（BD_Network）和信息娛樂網(wǎng)絡(luò)（Info_Network）和故障自檢網(wǎng)絡(luò)（Diag_Network）采用通訊規(guī)范直接網(wǎng)絡(luò)管理（OSEK）。

通過網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)PT_Network、BD_Network、CH_Network、Info_Network和Diag_Network的5個網(wǎng)段的互連。圖2所示為網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖。OBD有1組CAN通道，通過Diag_Network連接網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計基于整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、CAN2.0B的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、OSEK網(wǎng)絡(luò)管理與統(tǒng)一診斷服務(wù)（UDS）網(wǎng)絡(luò)診斷服務(wù)的商用車網(wǎng)關(guān)的功能定義，完全具備了應(yīng)對現(xiàn)階段多路CAN網(wǎng)絡(luò)的商用車網(wǎng)絡(luò)需求。

2?網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)設(shè)計采用英飛凌（Infineon）公司的16位XC2268作為單片機，集成了摩托羅拉擴展網(wǎng)絡(luò)（MSCAN）控制器，優(yōu)化了網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的硬件組成由XC2268作為MCU芯片、電源芯片、CAN相適配的收發(fā)器和存儲器。網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計要能夠滿足整車網(wǎng)絡(luò)在各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信的要求，在網(wǎng)關(guān)中實現(xiàn)同一網(wǎng)段下不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的相互報文傳輸，以及在不同的網(wǎng)段下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的報文傳輸。

本文網(wǎng)關(guān)的MCU芯片是1款16位英飛凌的XC2268N微控制器。XC2268N微控制器架構(gòu)結(jié)合了精簡指令集計算機（RISC）、復(fù)雜指令集計算機（CISC）和數(shù)字信號處理器（DSP）的優(yōu)點，并使用先進的外圍子系統(tǒng)進行了平衡設(shè)計。芯片上內(nèi)存塊允許研究人員在硅晶片上設(shè)計緊湊的系統(tǒng)，具有最適合計算、控制和通信的最大性能。芯片上的存儲塊和通用外圍設(shè)備通過單獨的高速總線連接到CPU。另一個總線（LXBus）連接額外的片上資源和外部資源。該總線結(jié)構(gòu)支持XC2268N多個子系統(tǒng)的并行運行，提高了整個系統(tǒng)的性能[4]。

本設(shè)計開發(fā)的CAN總線網(wǎng)關(guān)能夠被滿足多個不同網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)發(fā)送接受的需要，可以進行同一網(wǎng)段內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信，以及不同的網(wǎng)段下各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的相互通信。網(wǎng)關(guān)設(shè)計了5個CAN網(wǎng)段，用來滿足各個系統(tǒng)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。本文選用TJA1042T作為網(wǎng)關(guān)的CAN收發(fā)器，對應(yīng)5路CAN網(wǎng)段，除去電源芯片TLE9263QX中包含的CH_Network，共需要使用4個TJA1042T芯片。

TJA1042芯片用于高速CAN收發(fā)器，其在控制器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和物理雙線CAN總線之間提供接口，以及向CAN總線提供交互消息的功能。TJA1042芯片收發(fā)器還具有以下特點：（1）符合ISO11898.2.2003和ISO11898.5.2007的標準;（2）傳輸高效，速率高達1 Mb/s;（3）具備低電磁輻射（EME）;（4）具有高電磁抗干擾（EMI）;（5）適用于24 V和12 V系統(tǒng);（6）節(jié)點斷電時與總線斷開，不會對總線造成干擾;（7）具有傳輸數(shù)據(jù)（TXD）超時功能;（8）具有低功耗模式，并且能夠通過主機和總線喚醒;（9）瞬態(tài)傳輸時總線引腳不受影響;（10）兼容3～5 V電源輸入;（11）具有熱保護功能。

3?網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。研究人員針對MCU等硬件，結(jié)合軟件架構(gòu)，對網(wǎng)關(guān)的MCU初始化、MSCAN的初始化、CAN總線的接受和發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)路由和網(wǎng)絡(luò)診斷如何實現(xiàn)都開展了詳細的流程設(shè)計，并且對報文發(fā)送和接受、路由報文、網(wǎng)絡(luò)管理報文和網(wǎng)絡(luò)診斷報文，都進行了設(shè)計定義與舉例，基本涵蓋了整個網(wǎng)關(guān)的軟件功能。

本系統(tǒng)采用Mentor Graphics公司的Volcano通訊基礎(chǔ)軟件，實現(xiàn)CAN總線通訊及診斷刷新功能。MCU軟件底層的驅(qū)動模塊包含CAN的串行通訊端口（COM）模塊、存儲器的驅(qū)動模塊（FLASH等）、模擬信號采集模塊（ADC）、數(shù)字信號采集模塊（DIO），對MCU控制進行軟件封裝。ECU軟件底層驅(qū)動包含帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）的驅(qū)動模塊（FEE），對這些芯片控制進行軟件封裝。服務(wù)層的驅(qū)動模塊包含了重啟管理（用于喚醒等）、堆棧監(jiān)控、基礎(chǔ)調(diào)動、操作系統(tǒng)、守護模式（WD管理）、狀態(tài)管理、UDS網(wǎng)絡(luò)診斷、網(wǎng)絡(luò)管理、傳輸表等。為了應(yīng)用層能夠方便地調(diào)用底層驅(qū)動模塊和服務(wù)層模塊，在軟件設(shè)計時，根據(jù)驅(qū)動模塊歸類封裝[5]。

本設(shè)計網(wǎng)絡(luò)管理方案采用OSEK協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)管理，通過直接網(wǎng)絡(luò)管理的概念來監(jiān)控整車網(wǎng)絡(luò)中部分采用直接網(wǎng)絡(luò)管理的節(jié)點的狀態(tài)，間接網(wǎng)絡(luò)管理的節(jié)點通過上下電來控制休眠和喚醒，確保整車網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點能夠同時進入休眠狀態(tài)。每個被直接網(wǎng)絡(luò)管理的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)可以通過其他節(jié)點監(jiān)視，這時被監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會陸續(xù)向整個網(wǎng)絡(luò)按照排序依次發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息。這樣，直接網(wǎng)絡(luò)管理形式只需要通過1個指令邏輯環(huán)來實現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理。

4?總結(jié)

通過檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)管理，研究人員測試驗證了通信網(wǎng)關(guān)的收發(fā)、路由、診斷等過程的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，應(yīng)用層協(xié)議和網(wǎng)關(guān)被證明可以滿足本設(shè)計要求。

CAN總線協(xié)議是目前應(yīng)用最廣泛的汽車總線協(xié)議，CAN網(wǎng)絡(luò)能夠有效降低組網(wǎng)成本。商用車乘用車化是當前發(fā)展趨勢，而車載網(wǎng)關(guān)負責接收和轉(zhuǎn)發(fā)不同網(wǎng)段之間的通信轉(zhuǎn)換，作為整車控制的核心，一直是汽車電子控制的研究課題。

汽車智能化、電氣化甚至自動駕駛的新時代已經(jīng)到來，新的技術(shù)使得高品質(zhì)車載娛樂系統(tǒng)的視聽功能得到增強。智能駕駛輔助技術(shù)，以及遠程升級（FOTA）、大數(shù)據(jù)等一系列技術(shù)得以不斷創(chuàng)新。這些新的功能和技術(shù)使得車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求越來越大。已經(jīng)超出了CAN總線、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線和FlexRay總線等車載網(wǎng)絡(luò)的承載能力。

構(gòu)筑新的電子網(wǎng)絡(luò)總線平臺已經(jīng)成為新一代汽車的必然之選。以太網(wǎng)也許就是接下去汽車發(fā)展的切入點。在原來的車身控制、動力總成控制、底盤控制和以CAN網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，加上以太網(wǎng)控制器的連接端口，類似混合型的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將成為未來的主流。

參考文獻

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