智能網(wǎng)聯(lián)趨勢下車輛網(wǎng)關(guān)路由緩存研究與應(yīng)用

張曉光 陶英軒 黃金山

（一汽奔騰轎車有限公司，長春130012）

主題詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 CAN 網(wǎng)關(guān) 緩存區(qū) 以太網(wǎng)

略縮語

CAN Controller Area Network OSI Open Systems Interconnection SOC System-On-a-Chip MCU Micro-Controller Unit RAM Random Access Memory

ID Identity Document DLC Data Length Code

1 前言

伴隨著車輛智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，CAN 總線和以太網(wǎng)相結(jié)合的融合網(wǎng)絡(luò)將成為車輛主流電氣架構(gòu)[1]，其中網(wǎng)關(guān)傳遞的路由信息也爆發(fā)式增長，而出于成本角度考慮，低成本網(wǎng)關(guān)將放棄SOC 架構(gòu)[2]，采用MCU 集成CAN 控制器和外延Ethernet-Switch 芯片電路的技術(shù)方案，以實現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)通信。由于MCU 內(nèi)部CAN控制器的硬件接收緩存區(qū)和硬件發(fā)送緩存區(qū)很小，當CAN網(wǎng)絡(luò)上短時間內(nèi)出現(xiàn)大量報文時，接收硬緩存區(qū)就會存滿，如不能及時處理，接收報文將丟失；同樣當目標總線負載率過高，硬件發(fā)送緩存區(qū)就將形成積壓報文，使緩存區(qū)溢出，這樣就會導(dǎo)致漏發(fā)報文[3]。為此，本文基于融合網(wǎng)絡(luò)車載網(wǎng)關(guān)，提出設(shè)計軟件路由緩存區(qū)方法，保證路由信息被及時接收與發(fā)送[4]，并在奔騰品牌某車型上進行了實際應(yīng)用。

2 CAN總線通信原理

CAN 總線，是一種基于ISO 國際標準化的串行通信總線,傳輸速率可達500 kbit/s[5]，在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低功耗、低成本的考慮，應(yīng)用于汽車內(nèi)各種電子控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)準確的數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行器功能控制。1986年德國博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。CAN總線通信協(xié)議逐漸標準化，逐漸形成并完善了CAN 協(xié)議ISO 11898-1:201，使得不同開發(fā)商的ECU 可實現(xiàn)無障礙通信。CAN 總線的高性能和高可靠性已被汽車行業(yè)所認同，并成為汽車電氣系統(tǒng)的主要通信手段，對汽車電氣功能的快速發(fā)展提供了信息通道保障。

3 車載以太網(wǎng)通信原理

車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個不同層次上的協(xié)議簇，是一個5層的協(xié)議系統(tǒng)，從上到下分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。5 層結(jié)構(gòu)對應(yīng)于OSI參考模型[6]，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議簇及高層應(yīng)用程序，區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，車載以太網(wǎng)的協(xié)議架構(gòu)按照圖1進行分層。

圖1 車載以太網(wǎng)協(xié)議分層[1]

物理層（或稱Physical Layer）是計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中最低的一層。物理層規(guī)定:為傳輸數(shù)據(jù)所需要的物理鏈路創(chuàng)建、維持、拆除，而提供具有機械的，電子的，功能的和規(guī)范的特性。

數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型中的第二層，介乎于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，其最基本的服務(wù)是將源自網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標機網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)將多個網(wǎng)絡(luò)連接到一起，形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)間尋址、路由、數(shù)據(jù)報封裝、分片和重組以及某些類型的差錯處理和診斷功能。

傳輸層代表著高層與低層之間的過渡，其下是主要基于硬件、面向數(shù)據(jù)傳遞的低層，其上是更為抽象、面向軟件應(yīng)用和功能的高層。

應(yīng)用層定義了應(yīng)用協(xié)議，實現(xiàn)用戶應(yīng)用和其它高層功能。應(yīng)用層處于協(xié)議棧的最頂端，它使用下方各層提供的服務(wù)，而不向任何層提供服務(wù)。

4 融合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

為滿足車輛智能網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)量的傳輸特性，網(wǎng)關(guān)與TBOX以及IC等將采用以太網(wǎng)方式連接，與車內(nèi)其它ECU 控制器將采用CAN 總線方式連接，進而搭建融合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。本文以奔騰品牌某車型進行說明，該車型包含7路CAN，2路以太網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 奔騰品牌某車型融合網(wǎng)絡(luò)拓撲

5 網(wǎng)關(guān)路由方式

5.1 CAN到CAN報文路由

對于報文路由，網(wǎng)關(guān)將整個報文打包進行轉(zhuǎn)發(fā)，對報文的ID、周期和內(nèi)容不進行改變或重組，網(wǎng)關(guān)收到報文后立即進行轉(zhuǎn)發(fā)，收不到報文就停止轉(zhuǎn)發(fā)，如圖3所示，其中T0～T5 代表6個不同的報文發(fā)送周期。

圖3 報文路由示意

5.2 CAN到CAN信號路由

對于信號路由，網(wǎng)關(guān)將根據(jù)路由表從源總線中收取相關(guān)報文，從報文中提取需要的信號，然后對其進行打包重組，按照路由表定義的報文ID、周期進行發(fā)送（該報文定義為網(wǎng)關(guān)的自組報文），無論是否收到源總線的報文，網(wǎng)關(guān)都將自組報文發(fā)送至目標總線，如圖4所示。

圖4 信號路由示意

5.3 CAN到以太網(wǎng)信號路由

網(wǎng)關(guān)將10 ms 周期內(nèi)接收到的所有需要上傳的CAN總線報文，按照報文重組格式重新打包成以太網(wǎng)幀，傳輸給互聯(lián)-Ethernet網(wǎng)絡(luò)上的T-BOX單元。

5.4 以太網(wǎng)到CAN信號路由

互聯(lián)-Ethernet 上的T-BOX 單元將接收到的遠程控制信息按照一定格式，打包成以太網(wǎng)幀，通過以太網(wǎng)傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再進行CAN 報文拆解，分發(fā)給各網(wǎng)段。

6 網(wǎng)關(guān)路由任務(wù)

網(wǎng)關(guān)將對CAN到CAN、CAN到以太網(wǎng)、以太網(wǎng)到CAN、以太網(wǎng)到以太網(wǎng)之間的信息進行報文與信號轉(zhuǎn)發(fā)功能。其中奔騰某品牌車型路由任務(wù)統(tǒng)計如下：網(wǎng)關(guān)CAN接收報文最大負載出現(xiàn)在EV-CAN，需要接收10 ms 周期13 條報文、100 ms 周期18 條報文、250 ms周期7 條報文、1000 ms 周期49 條報文。CAN 到互聯(lián)-Ethernet發(fā)送報文10ms周期20條報文、20 ms周期12條報文、100 ms周期38條報文、250 ms周期14條報文、1000 ms 周期63 條報文；互聯(lián)-Ethernet 到CAN 接收報文100 ms 周期8 條報文；互聯(lián)-Ethernet 到信息-Ethernet，為二層直接轉(zhuǎn)發(fā)。詳見表1。

表1 奔騰某車型路由任務(wù)統(tǒng)計

7 網(wǎng)關(guān)工作主流程設(shè)計

基于網(wǎng)關(guān)路由任務(wù)，對網(wǎng)關(guān)提出的實時性（報文路由1 ms 轉(zhuǎn)出）、報文完整性要求，設(shè)計出網(wǎng)關(guān)主流程，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)主流程

當某子網(wǎng)節(jié)點發(fā)送報文后，CAN收發(fā)器將進行濾波，將數(shù)據(jù)存儲到CAN 控制器接收硬緩存區(qū)中，并產(chǎn)生接收中斷[7]。接收中斷將打破網(wǎng)關(guān)主流程，并開啟中斷流程-報文存儲發(fā)送進程。報文存儲發(fā)送進程按照路由表進行篩選，將篩選報文直接放到目標發(fā)送硬緩存區(qū)中，如發(fā)送緩存區(qū)已滿，則將數(shù)據(jù)存儲到軟件緩存區(qū)中。對于存儲在軟件緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)主流程按照每1 ms周期進行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)存儲到發(fā)送硬緩存區(qū)中，等待CAN 發(fā)送器發(fā)送[8]。以太網(wǎng)發(fā)送流程同CAN流程。

8 網(wǎng)關(guān)緩存區(qū)設(shè)計

按照主流程設(shè)計思路，設(shè)計報文緩存區(qū)、網(wǎng)管報文緩存區(qū)、診斷報文緩存區(qū)、CAN到以太網(wǎng)緩存區(qū)、以太網(wǎng)到CAN 緩存區(qū)[9]。其中以太網(wǎng)到以太網(wǎng)，因為是數(shù)據(jù)鏈路層直接轉(zhuǎn)發(fā)，所以并不涉及軟件緩存區(qū)[10]。為了保證網(wǎng)關(guān)的實時性和可靠性，以及節(jié)省RAM 空間，需要對緩存區(qū)大小上進行考量。

8.1 緩存區(qū)最小單元設(shè)計

針對CAN總線報文格式，計算出存入一條報文需要的最大內(nèi)存空間為[11]:

式中σ為單條報文存儲空間，單位為Byte。

因為嵌入式處理器的存儲器是以1 Byte 即8 bit為單位設(shè)計的，所以式（1）中的bit 數(shù)要向上取整成8的整數(shù)倍，11取整成16，4取整成8，得到結(jié)果為:

由此可知，最小的緩存區(qū)大小為11 Byte，即存下一條最大報文的大小。

8.2 緩存區(qū)大小設(shè)計

8.2.1 對于應(yīng)用報文緩存區(qū)的計算

根據(jù)本文章節(jié)6，網(wǎng)關(guān)的最大CAN 路由接收負載出現(xiàn)在EV 子網(wǎng)，分別為10 ms 周期13 條報文、100 ms周期18 條報文、250 ms 周期7 條報文、1000 ms 周期49條報文。如未設(shè)置報文發(fā)送段間隔，那么極限情況下，報文將出現(xiàn)排隊無間隙情況。也就是當控制器上電初始化完成后，第一時間將有：

式中Num為報文總數(shù)；Num1為10 ms周期報文數(shù)量；Num2為20 ms周期報文數(shù)量；Num3為100 ms周期報文數(shù)量；Num4 為250 ms 周期報文數(shù)量；Num5 為1000ms周期報文數(shù)量。

按照式（2）計算，將有86條報文等待傳輸，當總線波特率為500 kbit/s時，每幀報文傳輸時間為0.25 ms，計算得出這些報文將連續(xù)傳輸21.5 ms，同時10 ms周期報文將發(fā)送2輪，即總計將有110條報文排隊發(fā)送，預(yù)計發(fā)送時間27.5 ms。因此在此28 ms內(nèi)，網(wǎng)關(guān)將出現(xiàn)最大負載量即接收110條報文。考慮網(wǎng)關(guān)主程序為1 ms周期對緩存內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，假設(shè)目標總線負載率為40%，那么網(wǎng)關(guān)將每1 ms可處理報文數(shù)量為2條，28 ms 內(nèi)將處理56 條報文，也就是有110-56=54 條報文將被緩存起來。

式中ε1為所需緩存大小。

按照式（3）計算，計算出EV-CAN 接收緩存區(qū)的大小為:54×11=594 Byte。

8.2.2 對于CAN到以太網(wǎng)緩存區(qū)的計算

網(wǎng)關(guān)需要發(fā)送10 ms 周期20 條報文、20 ms 周期12條報文、100 ms周期38條報文、250 ms周期14條報文、1000 ms周期63條報文。當控制器上電初始化完成后，按照式（2）計算，第一時間將有20+12+38+14+63=147 條報文等待傳輸。按照式（3）計算CAN 到以太網(wǎng)需要接收緩存區(qū)的大小為:147×11=1617 Byte。

8.2.3 對于以太網(wǎng)到CAN緩存區(qū)的計算

網(wǎng)關(guān)需要發(fā)送10 ms 周期8 條報文。按照式（3）計算，以太網(wǎng)到CAN需要接收緩存區(qū)的大小為:8×11=88 Byte。

8.2.4 對于診斷報文緩存區(qū)的計算

按照總線波特率為500 kbit/s 時，每幀報文傳輸時間為0.25 ms[12]。當目標控制器反饋流控STmin 為0 ms時[13]，而又不開啟禁用通信診斷指令的前提下[14]，需最大傳輸數(shù)據(jù)量為1 kByte（奔騰某車型防夾數(shù)據(jù)的寫入）。那么網(wǎng)關(guān)將在250 ms 內(nèi)將收取診斷儀傳輸?shù)? kByte 數(shù)據(jù)，考慮網(wǎng)關(guān)主程序為1 ms 周期對緩存內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，假設(shè)目標總線負載率為40%，那么網(wǎng)關(guān)將每1 ms 可處理報文數(shù)量為2 條，而能夠在250 ms內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)0.5 kByte數(shù)據(jù)，即還有0.5 kByte數(shù)據(jù)需要緩存。因此按照式（3）計算出診斷報文接收緩存區(qū)的大小為500 Byte.

8.2.5 對于網(wǎng)絡(luò)管理報文緩存區(qū)的計算

按照AUTOSAR 簡單網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范[15]，根據(jù)奔騰某車型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最大節(jié)點出現(xiàn)在舒適CAN，子節(jié)點數(shù)量為8 個，即100 ms 內(nèi)將有8 條報文錄入網(wǎng)關(guān)。按照式（3）計算出舒適-CAN 接收緩存區(qū)的大小為:8×11=88 Byte。

8.2.6 小結(jié)

按照以上計算，將在網(wǎng)關(guān)MCU內(nèi)設(shè)計7路CAN接收緩存區(qū)，分別為6 個594 Byte 大小的應(yīng)用報文軟件緩存區(qū)，1 個500 Byte 大小的診斷報文軟件緩存區(qū)，7個88 Byte 大小的網(wǎng)絡(luò)報文軟件緩存區(qū)；在網(wǎng)關(guān)MCU內(nèi)設(shè)計1個CAN 到以太網(wǎng)緩存區(qū)，大小為1617 Byte；在網(wǎng)關(guān)MCU內(nèi)設(shè)計1個以太網(wǎng)到CAN緩存區(qū)，大小為88 Byte。

9 實際驗證測試

奔騰某車型依據(jù)上述路由軟件緩存設(shè)計方法，進行了網(wǎng)關(guān)的實際開發(fā)。通過各路CAN 數(shù)據(jù)實際的讀取分析，網(wǎng)關(guān)并無丟幀現(xiàn)象。以舒適CAN（CAN2）中BCM1_2 轉(zhuǎn)錄到信息CAN（CAN3）為例，轉(zhuǎn)發(fā)時效性控制在1.6 ms以內(nèi)，時間參數(shù)遠遠小于規(guī)范中定義的2 ms要求，如圖6所示。

10 結(jié)束語

本文以奔騰某車型的實際應(yīng)用為例，闡述了智能網(wǎng)聯(lián)車輛的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展以及關(guān)鍵零件-網(wǎng)關(guān)的路由軟件緩存區(qū)設(shè)立的必要性與方法，可以得出以下結(jié)論和啟示。

圖6 BCM1_2轉(zhuǎn)錄報文時序

（1）隨著智能網(wǎng)聯(lián)快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量將越來越高，使得傳統(tǒng)的CAN總線已逐漸無法滿足智能車輛需求，將出現(xiàn)CAN總線與車載以太網(wǎng)并存的融合網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)關(guān)將對CAN 到CAN、CAN 到以太網(wǎng)、以太網(wǎng)到CAN、以太網(wǎng)到以太網(wǎng)之間的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，且路由吞吐量將大幅度增加。

（3）在路由吞吐量大幅度增加情況下，網(wǎng)關(guān)丟幀、轉(zhuǎn)發(fā)不及時性等問題將凸顯，單獨設(shè)計網(wǎng)關(guān)路由軟件緩存區(qū)將成為解決上述問題的方法，進而使汽車智能網(wǎng)聯(lián)化能夠在低成本車輛上得到應(yīng)用，達到降低汽車零部件的成本，提高了社會效益目的。