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，這對商用車的網絡提出了新的要求。以新車型開發(fā)為背景，對控制器局域網絡（CAN）總線的網關進行了研究。

關鍵詞：商用車網關;CAN總線;車載網絡

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，將會產生大量線束和插接件。這樣不僅會增加車身質量，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]。

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

車載網關的重要作用為接收和轉發(fā)不同網段、不同網絡協(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的產品應用正在逐步完善。因此，基于16位MCU對CAN進行應用研究對商用汽車網關的設計有著重大意義。

1?網關總體設計

在網關的整體設計中，研究人員首先應當確認整車使用的網絡拓撲結構，其主要由5路CAN總線。圖1為整車網絡拓撲結構圖。

研究人員分析了實際情況，以網關（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平臺的網絡拓撲，研究人員選擇基于ISO 11898.2.2003的高速CAN作為要求開發(fā)網關。

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

通過網關可以實現(xiàn)PT_Network、BD_Network、CH_Network、Info_Network和Diag_Network的5個網段的互連。圖2所示為網關硬件結構圖。OBD有1組CAN通道，通過Diag_Network連接網關。

網關設計基于整車網絡節(jié)點、CAN2.0B的網絡協(xié)議、OSEK網絡管理與統(tǒng)一診斷服務（UDS）網絡診斷服務的商用車網關的功能定義，完全具備了應對現(xiàn)階段多路CAN網絡的商用車網絡需求。

2?網關硬件設計

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

本文網關的MCU芯片是1款16位英飛凌的XC2268N微控制器。XC2268N微控制器架構結合了精簡指令集計算機（RISC）、復雜指令集計算機（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)進行了平衡設計。芯片上內存塊允許研究人員在硅晶片上設計緊湊的系統(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。該總線結構支持XC2268N多個子系統(tǒng)的并行運行，提高了整個系統(tǒng)的性能[4]。

本設計開發(fā)的CAN總線網關能夠被滿足多個不同網段之間數(shù)據(jù)發(fā)送接受的需要，可以進行同一網段內不同網絡節(jié)點之間的通信，以及不同的網段下各個網絡節(jié)點之間的相互通信。網關設計了5個CAN網段，用來滿足各個系統(tǒng)不同網絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。本文選用TJA1042T作為網關的CAN收發(fā)器，對應5路CAN網段，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，其在控制器網絡中的網絡節(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?網關軟件設計

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

本系統(tǒng)采用Mentor Graphics公司的Volcano通訊基礎軟件，實現(xiàn)CAN總線通訊及診斷刷新功能。MCU軟件底層的驅動模塊包含CAN的串行通訊端口（COM）模塊、存儲器的驅動模塊（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軟件底層驅動包含帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）的驅動模塊（FEE），對這些芯片控制進行軟件封裝。服務層的驅動模塊包含了重啟管理（用于喚醒等）、堆棧監(jiān)控、基礎調動、操作系統(tǒng)、守護模式（WD管理）、狀態(tài)管理、UDS網絡診斷、網絡管理、傳輸表等。為了應用層能夠方便地調用底層驅動模塊和服務層模塊，在軟件設計時，根據(jù)驅動模塊歸類封裝[5]。

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

4?總結

通過檢測網絡節(jié)點和網絡管理，研究人員測試驗證了通信網關的收發(fā)、路由、診斷等過程的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，應用層協(xié)議和網關被證明可以滿足本設計要求。

CAN總線協(xié)議是目前應用最廣泛的汽車總線協(xié)議，CAN網絡能夠有效降低組網成本。商用車乘用車化是當前發(fā)展趨勢，而車載網關負責接收和轉發(fā)不同網段之間的通信轉換，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到來，新的技術使得高品質車載娛樂系統(tǒng)的視聽功能得到增強。智能駕駛輔助技術，以及遠程升級（FOTA）、大數(shù)據(jù)等一系列技術得以不斷創(chuàng)新。這些新的功能和技術使得車載網絡的發(fā)展需求越來越大。已經超出了CAN總線、局域互聯(lián)網絡（LIN）總線和FlexRay總線等車載網絡的承載能力。

構筑新的電子網絡總線平臺已經成為新一代汽車的必然之選。以太網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網絡為基礎，加上以太網控制器的連接端口，類似混合型的車載網絡結構將成為未來的主流。

參考文獻

[1]Road vehicles.low speed serial data communication[S]. ISO 11519，1994，8.

[2]Road vehicles.interchange of digital information.controller area network（CAN） for high.speed communication[S]. ISO 11898.2.2003/ISO 11898.5.2007.

[3]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4]程夕明.汽車嵌入式微控制器原理及應用—英飛凌XC2000家族MCU[M].電子工業(yè)出版社：2013.

[5]EKIZ H，KUTLU A，POWNER E T.Design and implementation of a CAN/CAN bridge[M].Parallel Architectures，Algorithms，and Networks，1996.