淺析車用CAN系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)的特性

朱雙華

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001）

0 引言

網(wǎng)關(guān)（Gateway）實(shí)際上就是一種模塊，它工作的好壞決定了不同的總線、模塊和網(wǎng)絡(luò)相互間通信的好壞。網(wǎng)關(guān)就像一個(gè)居民小區(qū)的門衛(wèi)，在他讓任何客人進(jìn)大門之前，他得問問客人是否是應(yīng)邀前來，或者通知某位住戶有人來訪了。對(duì)不兼容但卻需要互相通信的總線和網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)關(guān)所起的作用就和門衛(wèi)一樣。

1 網(wǎng)關(guān)的實(shí)質(zhì)

網(wǎng)關(guān)是連接異型網(wǎng)絡(luò)的接口裝置，它綜合了橋接器和路由器的功能，汽車網(wǎng)關(guān)主要能在OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上對(duì)雙方不同的協(xié)議進(jìn)行翻譯和解釋。

對(duì)于Bosch公司為奔馳600SEL等汽車開發(fā)的控制器局域網(wǎng)CAN1.2與CAN2.0協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)，是指為處理多個(gè)ECU的核中核CPU之間的通信而提供的一種綜合接口裝置，實(shí)際上就是一個(gè)Intel-16位80C196單片微機(jī)，而美國(guó)三大汽車公司采用的SAE1850網(wǎng)絡(luò)與Bosch-CAN網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，實(shí)際上就是一個(gè)Intel-16位87C196KR單片微機(jī)。

一個(gè)網(wǎng)關(guān)必須具備有從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到另一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換信息的能力，對(duì)于CAN協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，應(yīng)能涉及CAN協(xié)議4種幀類型中的兩種，即數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。另外兩種錯(cuò)誤幀和超限幀，由該網(wǎng)關(guān)的CAN芯片硬件控制，因此，可以說網(wǎng)關(guān)無附加的響應(yīng)性。當(dāng)然，網(wǎng)關(guān)必須具備有“狀態(tài)位”，即在任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的錯(cuò)誤太多時(shí)，網(wǎng)關(guān)有報(bào)警狀態(tài)位或總線中斷狀態(tài)位，這樣，網(wǎng)關(guān)就像網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)那樣，可以調(diào)查總線狀態(tài)。

對(duì)于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，其具備盡量少的傳輸?shù)却龝r(shí)間，信息丟失或超限差錯(cuò)最少，能處理總線出現(xiàn)的差錯(cuò)等特性。

2 網(wǎng)關(guān)的布置

如果兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器是兩片獨(dú)立的芯片(圖1)，微控制器(單片微機(jī))作為網(wǎng)關(guān)，那么，CAN芯片就像靈巧的隨機(jī)存儲(chǔ)器被網(wǎng)關(guān)讀寫。一旦接收到信息，網(wǎng)關(guān)就執(zhí)行接收CAN芯片的外部讀操作，接著執(zhí)行轉(zhuǎn)換信息的邏輯指令，然后執(zhí)行外部寫操作，對(duì)第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CAN芯片作傳輸編程。

所以說，網(wǎng)關(guān)主要是執(zhí)行外部讀、寫操作和轉(zhuǎn)換信息標(biāo)識(shí)符，而執(zhí)行讀、寫操作的重要技術(shù)條件是時(shí)間，讀、寫所要求的時(shí)間又取決于網(wǎng)關(guān)在CAN芯片接口的定時(shí)特性。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件的布置

3 Bosch CANl.2與CAN2.0之間的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

1991年9月，標(biāo)準(zhǔn)的1.2版本的CAN協(xié)議修訂為新的2.0版本，新版本的技術(shù)關(guān)鍵是增加了信息標(biāo)識(shí)符，也就是說，新的CAN2.0既支持標(biāo)準(zhǔn)的11位，也支持?jǐn)U展后的29位信息標(biāo)識(shí)。

CAN2.0實(shí)施新的信息位，標(biāo)識(shí)擴(kuò)展位(IDE位)使CAN操作裝置能區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式，但大多數(shù)現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)CAN-1.2版本不能識(shí)別擴(kuò)展后的信息格式，在實(shí)施過程中會(huì)響應(yīng)錯(cuò)誤信息。

為了能實(shí)施29位的信息標(biāo)識(shí)，Intel公司開發(fā)了品種繁多的芯片，作為CAN的汽車用戶，需采用網(wǎng)關(guān)使網(wǎng)絡(luò)互連(圖2)，在僅用CAN-l.2-11位信息標(biāo)識(shí)的條件下，能正確響應(yīng)29位標(biāo)識(shí)。

圖2 Bosch CAN1.2與CAN2.0之間的網(wǎng)關(guān)連接圖

圖3 網(wǎng)關(guān)處理的內(nèi)容

4 網(wǎng)關(guān)處理的內(nèi)容

網(wǎng)關(guān)主要“處理” 有關(guān)下面三部分的內(nèi)容(如圖3所示)：從第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)讀取所接收的信息，翻譯信息，向第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息。圖中翻譯信息標(biāo)識(shí)符的含義如下：CAN1.2和CAN2.0 的網(wǎng)關(guān)可用于以下兩種情況；第一種是最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式，即在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間不需要對(duì)信息標(biāo)識(shí)符翻譯，只是傳送標(biāo)準(zhǔn)信息，也就是說，這時(shí)的網(wǎng)關(guān)只起到互連CANl.2與CAN2.0，并讓這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享標(biāo)準(zhǔn)信息的任務(wù)；第二種實(shí)施方式需要對(duì)信息標(biāo)識(shí)符作翻譯，也就是說，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)有各自的信息標(biāo)識(shí)符，例如，“發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息”在CAN1.2網(wǎng)絡(luò)上具有專用的11位標(biāo)準(zhǔn)信息標(biāo)識(shí)符，而在CAN2.0網(wǎng)絡(luò)上卻具有擴(kuò)展的29位信息標(biāo)識(shí)符，此時(shí)的網(wǎng)關(guān)需對(duì)這兩種信息標(biāo)識(shí)符通過計(jì)算或“查表”翻譯。

5 SAEJ1939與J1980網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)

SAE選用CAN2.0協(xié)議作為“C級(jí)”串行控制和通信網(wǎng)絡(luò)的推薦實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，由稱為SAE1939規(guī)范。CAN2.0每秒鐘的數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mbit/s， 也就是說，CAN2.0執(zhí)行相當(dāng)于SAE-C級(jí)的高速數(shù)據(jù)速率。可對(duì)于貨車的掛車或被牽引的機(jī)具來說，并不需要如此高CAN網(wǎng)絡(luò)均數(shù)據(jù)速率。由于高速率串行鏈路的電子元件和硬件的成本較昂貴，因此，就采用中速數(shù)據(jù)速率(B級(jí)) 41.6Kbitls的J1850網(wǎng)絡(luò)來管理掛車的牽引和制動(dòng)，而CAN2.0只用于支持主車發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)ECU，這樣，在貨車和大客車上出現(xiàn)了連接異型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)(如圖4所示)。

圖4 CAN與J1850之間的關(guān)系

同樣原理，原實(shí)施SAE-J1850B級(jí)通信速率的小客車，感到發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器、ABS等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率偏低，想提高通信速率以改善汽車的控制性能，又不能讓汽車成本增加太多，就將原實(shí)施J1850的汽車增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)(如圖5所示)，并將網(wǎng)關(guān)前方的總線修改為CAN總線。

圖5 轎車CAN網(wǎng)與J1850網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)

6 奧迪A4-B6控制器局域網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

6.1 奧迪A4-B6控制器局域網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)的功能

由于幾種數(shù)據(jù)總線的傳輸速率不同，所以系統(tǒng)之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而事實(shí)上，在車輛處于正常工作狀態(tài)時(shí)，不同的總線系統(tǒng)之間是需要有信息交流的，如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（動(dòng)力總線）與空調(diào)系統(tǒng)（舒適總線）之間就有信息交流，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)將節(jié)氣門開度、水溫、轉(zhuǎn)速等信號(hào)傳給空調(diào)控制單元，而空調(diào)控制單元需將壓縮機(jī)工作狀態(tài)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。為了解決此問題，特設(shè)置了網(wǎng)關(guān)，即Gateway，又稱為網(wǎng)絡(luò)適配器。它能把各種總線系統(tǒng)的傳輸速度轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間頻率，從而使所有連接在CAN總線上的控制單元之間都能進(jìn)行信息交流，整車的CAN總線系統(tǒng)就形成了一個(gè)有機(jī)的整體，如圖6所示。

在奧迪A4-B6 轎車上，Gateway只起到交換各種總線信息的作用， 這種Gateway稱為數(shù)據(jù)Gateway。而在Bora車上，Gateway 除起到交換信息的作用外，還能在不改變數(shù)據(jù)的前提下，將動(dòng)力總線、舒適總線和娛樂總線上的自診斷信息傳遞到K線上，這樣可以使系統(tǒng)進(jìn)行自診斷的速度加快。

6.2 奧迪A4-B6控制器局域網(wǎng)中Gateway的適配

當(dāng)更換某條CAN總線上的某個(gè)控制單元后，需進(jìn)行該條CAN總線的適配，其目的在于使Gateway認(rèn)識(shí)此新的控制單元并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，否則該控制單元將不能參與CAN總線工作。每條CAN總線的每個(gè)控制單元都有一個(gè)固定的代碼數(shù)值，適配時(shí)需將CAN總線上所有控制單元的代碼數(shù)值加起來，輸入總和數(shù)值到適當(dāng)?shù)耐ǖ溃瑒t該CAN總線適配成功，如果去掉某一控制單元的數(shù)值，則該控制單元無法參與CAN總線工作。如果更換了組合儀表，由于Gateway安裝在組合儀表里，所以3條Gateway總線都需進(jìn)行適配。但例外的是安全氣囊控制單元，它不用編碼，即不在適配范圍之內(nèi)，直接更換即可。

動(dòng)力總線的適配：用VAG1551或 VAS5051進(jìn)入地址碼“17”（儀表），然后選擇“10”功能（適配），進(jìn)入“060”通道，輸入相應(yīng)數(shù)值后“確認(rèn)”即可。各單元數(shù)值：發(fā)動(dòng)機(jī)為1，變速器為2，ESP為4，組合儀表為1024，如果該車是手動(dòng)變速器，則適配時(shí)應(yīng)輸入“1209”。

舒適總線的適配：進(jìn)入“061”通道輸入各控制單元代碼數(shù)值：汽車控制單元為1，舒適系統(tǒng)控制單元為2，組合儀表為256，轉(zhuǎn)向柱控制單元為1024，空調(diào)系統(tǒng)為2048，駐車加熱為32768。

信息娛樂總線的適配：進(jìn)入“062”通道輸入各控制單元代碼數(shù)值：收音機(jī)為1，電話為 2，電子導(dǎo)航為4，組合儀表為16。

圖6 奧迪A4-B6轎車CAN系統(tǒng)示意圖

[1] 張鳳山.奧迪系列轎車維修保養(yǎng)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 李東江,張大成.汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理與檢修[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.