一種開放式可擴(kuò)展的車載電腦公共平臺(tái)系統(tǒng)

熊厚德+柳郁松

摘 要：該文提出了一種開放式可擴(kuò)展的車載電腦公共平臺(tái)系統(tǒng)：車載電子處理單元（EPU）系統(tǒng)，該平臺(tái)系統(tǒng)采用CAN網(wǎng)絡(luò)和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)并通過公共網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，把各擴(kuò)展功能模塊連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同品牌、不同功能的擴(kuò)展功能模塊的互連和數(shù)據(jù)共享、資源共用，通過對(duì)不同的擴(kuò)展功能模塊的增減或替換，可提升車載電子處理單元系統(tǒng)的性能、實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。

關(guān)鍵詞：車載電子處理單元（EPU） CAN網(wǎng)絡(luò) EtherCAT網(wǎng)絡(luò) 擴(kuò)展功能模塊

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0154-04

隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，各種車載電子產(chǎn)品越來越多地進(jìn)入到汽車?yán)?，從而提高了汽車的智能化程度和乘車的舒適性。然而由于沒有統(tǒng)一的平臺(tái)接口，使得這些車載電子產(chǎn)品沒有通用性和兼容性，也無法方便實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的維修升級(jí)。為此，我們首次提出了車載電子處理單元（EPU，Electronic Processing Unit）的概念，EPU實(shí)際就是一臺(tái)開放式可擴(kuò)展的車載電腦公共平臺(tái)，但它有別于普通的車載電腦，EPU只集成了基本硬件功能和系統(tǒng)操作平臺(tái)，其他外圍電子產(chǎn)品（如倒車攝像頭等）作為擴(kuò)展功能模塊掛接在EPU擴(kuò)展的CAN網(wǎng)絡(luò)或EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上，并通過開放式的通信協(xié)議，將這些外圍擴(kuò)展功能模塊與EPU組成一個(gè)完整的車載電子處理單元系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互用、資源共享。車載電子處理單元公共平臺(tái)的開放性和可擴(kuò)展性體現(xiàn)在各擴(kuò)展功能模塊以及各種軟件的自由添加更換，它允許第三方，包括汽車擴(kuò)展功能模塊制造商在其上開發(fā)軟件或硬件產(chǎn)品，以提供更加豐富，更為強(qiáng)大，更加實(shí)時(shí)的功能和特性。

1 車載電子處理單元系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車載電子處理單元系統(tǒng)主要是由車載電子處理單元（EPU）、CAN網(wǎng)絡(luò)和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其他可擴(kuò)展、可增減的擴(kuò)展功能模塊通過CAN網(wǎng)絡(luò)或EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與車載電子處理單元（EPU）連接，組成一個(gè)完整的車載電子處理單元系統(tǒng)。

1.1 車載電子處理單元（EPU）

車載電子處理單元（也稱為基本系統(tǒng)）是車載電子處理單元系統(tǒng)中的核心部件。車載電子處理單元（EPU）包括主控制板、電源、觸摸液晶顯示器和揚(yáng)聲器幾部分。主控制板以中央處理器（CPU）為核心，集成了基本的硬件功能模塊，包括DDR3存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、固態(tài)硬盤、擴(kuò)展了USB接口、OTG接口、SD卡、標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口，并內(nèi)置了WIFI模塊、藍(lán)牙模塊、麥克風(fēng)、AM/FM收音模塊、GPS模塊和蜂鳴器，同時(shí)還擴(kuò)展了OBD-II接口以及以太網(wǎng)接口和CAN總線接口。主控制板通過OBD-II接口與電子控制單元（ECU）連接，以獲取汽車運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)。因此，車載電子處理單元（EPU）已在汽車上實(shí)現(xiàn)了基本的車載電腦功能，通過在其上安裝相應(yīng)的公共軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)如：GPS導(dǎo)航、影音播放、AM/FM收音以及車載辦公等功能。

車載電子處理單元主控制板采用了CortexTM-A9架構(gòu)的飛思卡爾i.MX6Q四核處理器芯片作為主處理器。i.MX6Q是飛思卡爾新推出的一款汽車級(jí)的處理器芯片，專用于車載娛樂系統(tǒng)。它基于ARM CortexTM-A9架構(gòu)，40nm工藝制程，最高運(yùn)行頻率可達(dá)1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。處理器內(nèi)部為64/32位總線結(jié)構(gòu)，32/32KB一級(jí)緩存，1M二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)12000DMIPS（每秒運(yùn)算12億條指令集）的高性能運(yùn)算能力，并自帶3D圖形加速引擎，88M的圖像多邊形生成率，像素填充率為1.066G 像素/秒，2D圖形加速，最大支持4096x4096 pixels分辨率。視頻編碼支持MPEG-4/H.263/H.264，達(dá)到1080p@30fps，解碼MPEG2/VC1/Xvid等視頻達(dá)到1080p@30fps，支持高清HDMI TV輸出。

1.2 車載電子處理單元系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于數(shù)據(jù)通訊量較小、成本要求較低、實(shí)時(shí)性要求較高的擴(kuò)展功能模塊（如超聲波倒車?yán)走_(dá)、中控鎖模塊、胎壓監(jiān)測模塊、防盜防劫持報(bào)警模塊、遙控接收等功能模塊），車載電子處理單元（EPU）通過CAN總線接口與它們相連接，組成CAN網(wǎng)絡(luò)；CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率在1Mbps以下。

⑴CAN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，可以歸屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，通常稱為CAN bus，即CAN總線，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，都采用了CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。

CAN總線的特點(diǎn)：

●多主機(jī)方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；

●網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；

●采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；

●可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)；

●直接通信距離長；

●抗干擾能力強(qiáng)；

●采用總線結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，可掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，接口簡單；

●采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)；

●每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；

●通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般采用廉價(jià)的雙絞線即可，無特殊要求；

●節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。

⑵車載電子處理單元的CAN總線接口

如圖2所示是車載電子處理單元（EPU）的CAN總線接口，該接口采用ISO1050芯片，它是一款隔離型的CAN總線驅(qū)動(dòng)器，可提高CAN網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。

⑶擴(kuò)展功能模塊的CAN總線接口

如圖3所示是擴(kuò)展功能模塊的CAN總線接口，CAN總線接口電路是由CAN總線收發(fā)器MCP2515芯片和CAN總線驅(qū)動(dòng)器ISO1050芯片來實(shí)現(xiàn)。圖中功能電路是指實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體功能的電路，CPU控制功能電路的運(yùn)行，獲取功能電路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其他模塊的通訊。

1.3 車載電子處理單元系統(tǒng)的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于數(shù)據(jù)通訊量較大、處理能力較強(qiáng)、實(shí)時(shí)性要求較高的擴(kuò)展功能模塊（如倒車攝像頭、行車攝像頭、車內(nèi)攝像頭、數(shù)字功放、數(shù)字電視、GSM模塊、3G模塊、4G模塊、CD/DVD播放器、汽車黑匣子等功能模塊），車載電子處理單元（EPU）系統(tǒng)通過EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口與它們相連接，組成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100Mbps，且實(shí)時(shí)性高。車載電子處理單元用作EtherCAT的主站，而各擴(kuò)展功能模塊作為從站掛接在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上。

⑴EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性。使用主從模式介質(zhì)訪問（MAC），主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀中。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件，從站使用專用EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。

EtherCAT的主要特點(diǎn)：

●通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)主/從、從/從通訊；

●通信周期短，實(shí)時(shí)性高；

●通訊實(shí)時(shí)性采用分布時(shí)鐘機(jī)制實(shí)現(xiàn)，同步時(shí)間快；

●可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等多種傳送方式接收數(shù)據(jù)；

●直接通信距離長；

●通信速率為100Mb/s；

●可掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)量多；

●兼容TCP/IP。

從以太網(wǎng)的角度來看，一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段就是一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，它接收和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC8802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。但是，這種以太網(wǎng)設(shè)備并不局限于一個(gè)以太網(wǎng)控制器及相應(yīng)的微處理器，它可由多個(gè)EtherCAT從站組成，如圖4所示是一個(gè)非冗余的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。這些從站可以直接處理接收的報(bào)文，并從報(bào)文中提取或插入相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，然后將該報(bào)文傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報(bào)文，并由第一個(gè)從站作為響應(yīng)報(bào)文將其發(fā)送給主站。

⑵車載電子處理單元（主站）的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口

EtherCAT主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，如圖5所示。通信控制器完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路的介質(zhì)訪問控制（MAC，Media Access Control）功能，物理層芯片PHY是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、譯碼和收發(fā)，它們之間通過一個(gè)MII（Media Independent Ineterface）接口交互數(shù)據(jù)。MII是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層接口，定義了與傳輸介質(zhì)無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)電氣和機(jī)械接口，使用這個(gè)接口將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完全隔離開，提高通信的可靠性。因此，車載電子處理單元作為EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的主站，i.MX6Q CPU已集成了以太網(wǎng)通信控制器芯片和MII接口，可以與PHY直接連接。

⑶擴(kuò)展功能模塊（從站）的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口

擴(kuò)展功能模塊作為EtherCAT從站設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信和應(yīng)用控制兩部分電路，如圖6所示，其硬件結(jié)構(gòu)主要由物理層器件、從站控制器ESC 、CPU和相應(yīng)功能電路四部分組成。其中，從站物理層包括PHY芯片和光纖接口電路；從站通信控制器芯片ESC負(fù)責(zé)處理EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通訊，并使用雙端口實(shí)現(xiàn)與EtherCAT主站或其他從站的數(shù)據(jù)通信，從站CPU可直接從ESC讀取控制指令或讀寫數(shù)據(jù)，因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與從站CPU響應(yīng)時(shí)間無關(guān)，從站CPU性能選擇取決于功能模塊的控制任務(wù)需求，可以使用8位、16位的單片機(jī)及32位的高性能CPU，功能電路是指擴(kuò)展功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)電路，它與從站CPU相連并直接由CPU負(fù)責(zé)控制操作。

2 車載電子處理單元系統(tǒng)通訊協(xié)議

由EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)可知，EtherCAT子報(bào)文數(shù)據(jù)域長度為32～1486 字節(jié)，此長度作為車載電子處理單元系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議定義的范圍，如圖7所示是EtherCAT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的基本格式，格式先定義了11位數(shù)據(jù)長度、并預(yù)留了1位保留位、4位數(shù)據(jù)類型，這三部分共計(jì)16位，占用2個(gè)字節(jié)，接著是8位功能碼，剩余為數(shù)據(jù)域，其最大可使用字節(jié)長度為1486-3=1483字節(jié)。

在CAN 2.0B總線協(xié)議規(guī)范中， 定義了一種具有29位標(biāo)識(shí)符ID的擴(kuò)展幀格式。電子處理單元系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)使用這種擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀，并對(duì)CAN報(bào)文的29位標(biāo)識(shí)符ID和8字節(jié)數(shù)據(jù)域做出了具體定義。其中，標(biāo)識(shí)符ID 定義為ID28為1位保留位，ID27-ID20為8位目的地址，ID19-ID12為8位源地址， ID11-ID8為4位數(shù)據(jù)類型，ID7-ID0為8位功能碼，數(shù)據(jù)域第一字節(jié)分為三部分：先定義2位的段標(biāo)識(shí)，接著是3位保留位，再是3位數(shù)據(jù)長度，第2字節(jié)為8位分段編號(hào)/數(shù)據(jù)，根據(jù)段標(biāo)識(shí)的不同，該字節(jié)可作為段編號(hào)或數(shù)據(jù)使用，后48位（共6字節(jié)）為數(shù)據(jù)，這樣每幀最多可傳送7字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于分段編號(hào)占用8位，最多可分256段，而分段數(shù)據(jù)每幀最多可傳送6字節(jié)，這樣CAN報(bào)文數(shù)據(jù)長度最多為6*256=1536字節(jié)，大于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)單幀傳送數(shù)據(jù)最大值1483字節(jié)，從而解決了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互傳的問題。

3 車載電子處理單元系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載電子處理單元系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為車載電子處理單元、EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能模塊三種類型。其中，車載電子處理單元操作系統(tǒng)使用Linux3.0.35+QT4.8.5，并首先移植了IGH開源源碼ethercat-1.5.2主站協(xié)議棧，再按車載電子處理單元系統(tǒng)通訊協(xié)議要求設(shè)計(jì)通訊程序、系統(tǒng)界面和應(yīng)用程序。各擴(kuò)展功能模塊根據(jù)實(shí)際功能需求選取相應(yīng)性能CPU芯片，并按車載電子處理單元系統(tǒng)通訊協(xié)議要求設(shè)計(jì)通訊程序和相應(yīng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。

4 結(jié)語

該文提出了一種開放式可擴(kuò)展的車載電腦公共平臺(tái)系統(tǒng)：車載電子處理單元（EPU）系統(tǒng)，它規(guī)范了車載電子產(chǎn)品的連接接口和通訊協(xié)議，結(jié)束車載電子產(chǎn)品五花八門，雜亂無章的局面，并為汽車電子工業(yè)提供了全新的商機(jī)和更加廣闊的發(fā)展空間，對(duì)未來汽車的發(fā)展和汽車電子工業(yè)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用，車載電子處理單元（EPU）系統(tǒng)項(xiàng)目在實(shí)際實(shí)施中取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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