劉浩銳， 錢亞容， 王旭紅

（1.東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430058；2.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430056）

隨著車載總線技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，LIN、CAN總線在車載網(wǎng)絡(luò)中得到了極大的應(yīng)用，其中CAN總線一般被設(shè)計(jì)為主干網(wǎng)，LIN和容錯(cuò)CAN設(shè)計(jì)為子網(wǎng)。為了適應(yīng)更多需求如更高傳輸速率，低時(shí)延、高容錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)安全及智慧交通的需要，車載網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)將向車載以太網(wǎng) （Ethernet） 快速演進(jìn)。這就對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)在各種網(wǎng)段和各個(gè)主干網(wǎng)之間的信號(hào)交互提出了更高的要求。為了保證車載網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和信息安全，中央網(wǎng)關(guān)就應(yīng)用而生，作為整車網(wǎng)絡(luò)管理和信息交互的核心部件，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換、流量控制、網(wǎng)絡(luò)管理的作用，對(duì)于它的功能設(shè)計(jì)和測(cè)試?yán)^而有了新的需求。

1 車載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

上個(gè)世紀(jì)末，美國汽車工程師協(xié)會(huì) （SAE-Society of Automotive Engineers） 根據(jù)汽車總線網(wǎng)絡(luò)的速率不同，將網(wǎng)絡(luò)劃分為A、B、C3類，隨著后來總線技術(shù)的發(fā)展和總線速率的提高，D類和E類總線雖不在該標(biāo)準(zhǔn)上定義，但根據(jù)總線速率可加進(jìn)此分類，如表1所示。

常見的A類網(wǎng)絡(luò)有LIN、CCD、UART等，一般為主從結(jié)構(gòu)用做子網(wǎng)。LIN 是在1999 年由歐洲汽車制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和Motorola公司組成的LIN協(xié)會(huì)，共同推出的用于汽車分布式電控系統(tǒng)的開放式的低成本串行通信標(biāo)準(zhǔn)，從而為LIN總線的廣泛使用打下了良好的基礎(chǔ)。

對(duì)于B類網(wǎng)絡(luò)，歐洲主流OEM廠使用容錯(cuò)CAN對(duì)應(yīng)的協(xié)議是ISO 11898-3，而北美主流OEM廠主要使用低速CAN對(duì)應(yīng)的協(xié)議SAE J2284-1。

C類網(wǎng)絡(luò)，也是目前大多數(shù)車型的主干網(wǎng)，是面向高速和實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，根據(jù)SAE的規(guī)定，C類網(wǎng)絡(luò)的位傳輸速率為125kb/s～1Mb/s，C類網(wǎng)絡(luò)都是以CAN2.0A定義的標(biāo)準(zhǔn)幀或CAN2.0B定義的擴(kuò)展幀為基礎(chǔ)協(xié)議的高速CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如ISO 11898-2，SAE J1939 （用于商用車），SAE J2284-3等。

表1 總線分類

D類網(wǎng)絡(luò)以TTP/C和FlexRay協(xié)議為兩種發(fā)展方向的代表，其中FlexRay主要由BMW、BOSCH、Motorola通用等OEM和半導(dǎo)體廠商支持的更可靠的高速車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于底盤控制和線控系統(tǒng)，速率可達(dá)10Mb/s。TTP/C則是由Audi、 Renault、Delphi、NEC等OEM和半導(dǎo)體廠商支持的基于FTDMA的確定性訪問方式用于安全控制和線控系統(tǒng)，速率可達(dá)25Mb/s。

E類網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用于車載娛樂多媒體和導(dǎo)航通信系統(tǒng)中，主要有MOST和IDB。MOST總線是一種采用環(huán)形拓?fù)淇梢詡鬏斖?、非同步和控制?shù)據(jù)類型的網(wǎng)絡(luò)，在BWM、Benz等公司車型上都有使用。IDB是基于CAN總線，采用光纖介質(zhì)通信，最大的優(yōu)點(diǎn)是兼容便攜式消費(fèi)電子設(shè)備連接到車載網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)互操作。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛以及V2X場(chǎng)景應(yīng)用的需要，模塊間的數(shù)據(jù)交互量越來越大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求越來越高，而且要求成本低，可靠性高，可以讓汽車成為一個(gè)移動(dòng)的終端，于是車載以太網(wǎng)被越來越多的OEM和半導(dǎo)體廠商所看好。

2 車載網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)

在電子電器架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，架構(gòu)工程師根據(jù)整車功能的耦合度不同，將耦合度高的車輛功能集成到一個(gè)ECU中，如將車輛進(jìn)入和防盜報(bào)警功能、門鎖控制、鑰匙學(xué)習(xí)及燈光控制等功能集成到車身控制器BCM中，而將點(diǎn)火、燃燒、噴油和排放等功能集成到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECM中。根據(jù)ECU數(shù)據(jù)交互量、系統(tǒng)功能完整性、實(shí)時(shí)性及車輛配置等需求，把關(guān)聯(lián)性強(qiáng)相關(guān)的一類ECU設(shè)計(jì)到一個(gè)主干網(wǎng)中來降低總線各個(gè)主干網(wǎng)的負(fù)載率和提高通信效率，保證傳輸時(shí)延和容錯(cuò)率，如Powertrain主干網(wǎng)主要包括ECM和AT等，底盤主干網(wǎng)主要包括ESP、EPS和suspension等?？偟脑O(shè)計(jì)原則就是高內(nèi)聚低耦合。

根據(jù)功能需求、電子電器架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)關(guān)主要用于不同協(xié)議之間或者相同協(xié)議不同主網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息傳輸或數(shù)據(jù)共享等功能的實(shí)現(xiàn)。目前車載網(wǎng)關(guān)存在兩種形式，一種是由其它ECU兼容網(wǎng)關(guān)功能，進(jìn)行報(bào)文信號(hào)路由或協(xié)議轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 集成網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

另一種是把主干網(wǎng)之間的報(bào)文信號(hào)路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)休眠喚醒及網(wǎng)絡(luò)安全等功能由一個(gè)專門的ECU來完成，該ECU稱之為中央網(wǎng)關(guān)，如圖2所示。而且隨著車載總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的能力要求越來越高，協(xié)議轉(zhuǎn)換種類也越來越多，對(duì)網(wǎng)關(guān)性能也有了更高的需求，如果按照域控制器以太網(wǎng)的架構(gòu)發(fā)展，那么中央網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢(shì)就更加明顯，且是未來的發(fā)展方向。

圖2 中央網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

網(wǎng)關(guān)的基本功能是實(shí)現(xiàn)報(bào)文信號(hào)路由。報(bào)文路由就是將源網(wǎng)段接收到的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段。信號(hào)路由是指網(wǎng)關(guān)根據(jù)需求提取源網(wǎng)段報(bào)文中的一些信號(hào)進(jìn)行重新打包，使用符合總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新的標(biāo)識(shí)符轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段。如何高效地進(jìn)行報(bào)文信號(hào)路由是設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的一個(gè)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。以高速CAN總線為主干網(wǎng)的車載網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)為例，網(wǎng)關(guān)寄存器分為兩種緩存區(qū)，一個(gè)為接收緩存區(qū)（記作Rx_buffer） 用來存放未處理的接收數(shù)據(jù)，另一個(gè)為發(fā)送緩存區(qū)（記作Tx_buffer） 用來存放處理過的即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)進(jìn)行報(bào)文信號(hào)路由可分為3個(gè)步驟，即接收、計(jì)算處理和發(fā)送，如圖3所示。

圖3 中央網(wǎng)關(guān)工作步驟示意

接收就是網(wǎng)關(guān)按照Global ID列表對(duì)來自所有通道或者主干網(wǎng)的報(bào)文進(jìn)行比對(duì)，把在該列表的報(bào)文按照接收時(shí)間存放在Rx_buffer里。計(jì)算處理是網(wǎng)關(guān)根據(jù)需求將Rx_buffer中的報(bào)文進(jìn)行處理直接傳遞到目標(biāo)網(wǎng)段Tx_buffer中或?qū)π枰男盘?hào)進(jìn)行提取計(jì)算和打包為新的報(bào)文傳遞到目標(biāo)網(wǎng)段Tx_buffer中。發(fā)送為網(wǎng)關(guān)根據(jù)一定的規(guī)則將Tx_buffer中的報(bào)文發(fā)送到HW Tx_buffer，并當(dāng)目標(biāo)總線空閑時(shí)發(fā)送到總線上，該規(guī)則可以是先進(jìn)先出隊(duì)列模式（報(bào)文記作MsgFF） 或最高優(yōu)先級(jí)的先發(fā)送模式（報(bào)文記作MsgMF） 等，如圖4所示。

除了要遵循整車電子電器架構(gòu)和總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求，為了提高網(wǎng)關(guān)報(bào)文信號(hào)路由效率和實(shí)時(shí)性，一般應(yīng)遵從以下設(shè)計(jì)原則。

1） 報(bào)文路由 直接轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，應(yīng)保持報(bào)文標(biāo)識(shí)符、發(fā)送方式、周期等參數(shù)不變，一般要求網(wǎng)關(guān)無輸入不發(fā)送。報(bào)文路由可以對(duì)其轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)（DLC） 按照需求進(jìn)行減少，一般DLC長度可以設(shè)計(jì)為1,2,4,8byte等2的指數(shù)冪，這樣可以減少網(wǎng)關(guān)工作負(fù)荷、提高轉(zhuǎn)發(fā)效率和減少目標(biāo)網(wǎng)段負(fù)載率。

2） 信號(hào)路由 信號(hào)路由、標(biāo)識(shí)符遵照總線網(wǎng)絡(luò)定義，發(fā)送方式一般定義為使能周期類型。當(dāng)有目標(biāo)信號(hào)發(fā)生變化，使能報(bào)文進(jìn)行發(fā)送；若沒有目標(biāo)信號(hào)發(fā)生改變，僅按照定義周期進(jìn)行報(bào)文刷新。當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，各個(gè)信號(hào)按照默認(rèn)值或特殊定義進(jìn)行填充轉(zhuǎn)發(fā)。

3） 其它原則 網(wǎng)關(guān)從其它源網(wǎng)段的報(bào)文中獲得信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行判斷、計(jì)算、比對(duì)，使信號(hào)精度、類型發(fā)生改變，或者重新生成一個(gè)新的信號(hào)，嚴(yán)格意義上不算是信號(hào)路由，并且該種新信號(hào)需打包到新的標(biāo)識(shí)符報(bào)文中按需求進(jìn)行發(fā)送。

網(wǎng)關(guān)各個(gè)總線通道需確保電器接口獨(dú)立，發(fā)生短路開路的通道不能影響其它通道，也應(yīng)確保源網(wǎng)段和目標(biāo)網(wǎng)段工作的獨(dú)立性，例如某一個(gè)目標(biāo)網(wǎng)段BusOff不能影響源網(wǎng)段和其它目標(biāo)網(wǎng)段的工作。網(wǎng)關(guān)根據(jù)路由協(xié)議轉(zhuǎn)換表過濾各個(gè)通道中的報(bào)文，接收需要接收的報(bào)文存放在Rx_buffer中，當(dāng)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行硬件復(fù)位或者軟件復(fù)位時(shí)，網(wǎng)關(guān)應(yīng)該立即清除緩存器中的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，由于信號(hào)路由方式，網(wǎng)關(guān)的計(jì)算量大，資源消耗多，盡量少使用。為了提高整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能的容錯(cuò)性，網(wǎng)關(guān)需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)、報(bào)文和信號(hào)丟失功能判斷設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)丟失網(wǎng)關(guān)一般設(shè)計(jì)為判斷節(jié)點(diǎn)的最大周期報(bào)文5～10個(gè)周期內(nèi)未收到即節(jié)點(diǎn)丟失，報(bào)文信號(hào)丟失可參照節(jié)點(diǎn)丟失。當(dāng)判斷丟失可通過DTC進(jìn)行記錄。

網(wǎng)絡(luò)安全方面，一方面需要網(wǎng)關(guān)具備安全日志功能，對(duì)非法的報(bào)文信號(hào)和事件進(jìn)行記錄，對(duì)程序刷寫和變更進(jìn)行記錄等；另一方面，可通過中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行隔離車內(nèi)網(wǎng)和車外網(wǎng)。外網(wǎng)連接到車內(nèi)網(wǎng)的兩個(gè)通道,一個(gè)是通過無線連接T-Box，另一個(gè)通過硬線連接OBD接口。在這兩個(gè)對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)的接口上可以通過植入防火墻、進(jìn)行訪問過濾和安全訪問的方式來處理，還可設(shè)計(jì)硬件加密接口來保證網(wǎng)絡(luò)安全更高等級(jí)的需求。

圖4 報(bào)文發(fā)送規(guī)則

3 網(wǎng)關(guān)功能測(cè)試

網(wǎng)關(guān)功能測(cè)試可以由如圖5所示的系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，包括網(wǎng)關(guān)控制器功能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)測(cè)試和網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試。該系統(tǒng)通過上位機(jī)將測(cè)試用例指令下載到下位機(jī)，由下位機(jī)直接控制所述系統(tǒng)中的各通信板卡、I/O板卡、標(biāo)準(zhǔn)電源模塊及各總線干擾注入模塊，來給待測(cè)網(wǎng)關(guān)施加測(cè)試用例，并從總線采集模塊獲得中央網(wǎng)關(guān)各通道的總線信息，最后通過上位機(jī)測(cè)試管理軟件比對(duì)測(cè)試結(jié)果，給出測(cè)試報(bào)告和記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

根據(jù)路由表規(guī)則建立數(shù)據(jù)庫，并自動(dòng)生成基礎(chǔ)測(cè)試腳本可在測(cè)試系統(tǒng)中運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)最大值、最小值、隨機(jī)值、替代值、報(bào)文延時(shí)、周期時(shí)間等報(bào)文信號(hào)路由基本功能測(cè)試。

其它功能測(cè)試可通過配置壓力參數(shù)結(jié)合基礎(chǔ)測(cè)試腳本生成壓力測(cè)試腳本，加載壓力測(cè)試腳本到測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率變化影響測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)接口獨(dú)立性測(cè)試、邊界值測(cè)試、I/O故障激勵(lì)測(cè)試、多次故障恢復(fù)測(cè)試、總線故障注入測(cè)試、BUSOFF恢復(fù)測(cè)試、多次異常供電測(cè)試、魯棒性測(cè)試和健壯性等長時(shí)間、高負(fù)載場(chǎng)景下的壓力測(cè)試和魯棒性測(cè)試。

圖5 網(wǎng)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文介紹了車載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，結(jié)合電子電器架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)闡述網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，并介紹了網(wǎng)關(guān)功能測(cè)試步驟和測(cè)試系統(tǒng)搭建，值得在網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)借鑒和參考。