基于獨立網關的汽車網絡總線系統設計

周紅英，陶龍龍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

設計研究

基于獨立網關的汽車網絡總線系統設計

周紅英，陶龍龍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

網絡總線在汽車中的應用越來越普遍，如何高效、低風險的做好汽車網絡總線的平臺化開發，顯得尤為重要。本文提出了一種高效的網絡總線開發理念：基于獨立網關的汽車網路總線開發；基于獨立網關的汽車網絡總線系統設計方法能有效地降低開發風險；提高開發效率，保證網絡通訊安全，并能靈活實現系統平臺化設計。

汽車網絡總線；集成網關；獨立網關；診斷

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-01-04

引言

隨著整車越來越多的舒適娛樂功能需求，使得整車CAN (Controller Area Network控制器局域網絡)控制電子模塊控制器大大增加，傳統的基于集成網關的網絡總線結構已經不能滿足總線通訊需求，單條CAN總線上節點多、通訊量大，導致網絡負載率增大，影響CAN通訊質量。本文重點介紹了基于獨立網關技術的整車網絡總線系統設計，通過設計和開發應用，掌握了汽車電子電器網絡總線系統開發、生產檢測與配置、售后診斷的全過程開發能力，為新車型應用共平臺運作的產業化開發模式奠定了基礎。整車網絡總線系統的設計不僅是將各CAN控制器用雙絞線在整車上連接，還需要對整車報文進行ID地址分配，時序分析，系統負載率設計，整車網絡管理系統設計，診斷系統設計等，同時要求在生產過程中實現自動化配置和檢測系統，以及在售后過程中實現智能診斷。

1、基于集成網關網絡總線架構設計

基于集成網關的網絡總線架構設計的基本思路：首先選擇一個CAN網絡節點作為集成網關，除了要完成節點本身功能外，還需負責CAN網絡信息的轉發。在設計時將整車網絡分成兩個主要子網：動力CAN子網和車身CAN子網，采用一個控制器，如儀表（ICM）作為集成網關。通過集成網關將兩子網連接起來，進行信號轉換和診斷。圖1為基于集成網關的網絡總線架構拓撲。

1.1 動力CAN

經過對整車功能和零部件分析，發動機管理系統(EMS)、變速箱控制單元(TCU)、車輛電子穩定系統（ESC)、電子助力轉向（EPS）、安全氣囊（SRS）等之間的信息交換量比較大，也比較頻繁，它們同屬動力系統范疇，所以將以上ECU共同組成一個動力CAN子網。由于動力控制子網中的數據相對較多，實時性、可靠性要求較高，所以采用500Kbps的高速CAN通訊速率。

1.2 車身CAN

由于車身控制器(BCM)，空調控制器(HVAC)、DVD等模塊信息交換量大，故將這些跟舒適娛樂相關控制器組成一個車身CAN子網。相對動力控制子網而言，車身控制子網的控制器信息較少，實時性要求也不是十分嚴格，所以采用100Kbps的低速CAN通訊速率。

基于集成網關的網絡總線架構只具備兩條CAN通訊能力，可擴展性不強。隨著網絡上CAN控制器逐漸增多，采用集成網關的兩條CAN網絡結構出現網絡負載率過大的現象，影響CAN通訊質量。

2、基于獨立網關網絡總線架構設計

在CAN網絡總線架構設計過程中，必須充分考慮了以下幾個方面：

（1）電磁兼容性：要滿足電磁輻射標準；

（2）信號確定性：控制信號的傳輸延遲時間要小于規定的閥值；

（3）完善的錯誤處理策略：定義CAN通訊中節點BUSOFF和CAN通訊超時的錯誤處理策略；

（4）容錯性：發生故障后能恢復到正常狀態；

（5）獨立診斷：網絡的監控和故障診斷功能；

（6）網絡可擴展性：CAN通信網絡要容易展；

（7）低成本：汽車電子器件的低成本對汽車的批量生產至關重要；

（8）報文質量：網絡傳輸報文的速率、優先等級，網絡的節點容量。

獨立網關支持多路總線的特性使得整車網絡總線靈活性大大提高，網絡總線跨平臺整合變得簡便快捷。通常情況下一個整車網絡總線可包含多個通訊子網，如動力網絡總線、舒適網絡總線，娛樂總線等，各子網以獨立網關為通訊樞紐。

基于獨立網關的網絡總線架構設計的基本路：在設計中將整車網絡分成4條CAN子網和2條LIN控制子網：動力CAN子網、底盤CAN子網、舒適CAN子網和娛樂CAN子網，以及2條速率為19.2Kbps的LIN線子網，隨著各控制器功能逐漸增多，通訊量很大，故將4條CAN總線速率均設為500Kbps，便于進行CAN網絡擴展。通過獨立網關將各子網連接起來，進行信號轉換和獨立診斷。圖2為基于獨立網關的網絡總線架構拓撲 ：

2.1 子網設計

（1）動力CAN

經過對整車功能和零部件分析，發動機管理系統(EMS)、變速箱控制單元(TCU)、換擋模塊控制（SLC）和安全氣囊（SRS）之間的數據交換量比較大，也比較頻繁，它們同屬動力系統范疇，所以將以上ECU共同組成一個動力CAN子網。

（2）底盤CAN

由于車身控制器（ESC）、電子助力轉向（EPS）、電子駐車（EPB）、轉角傳感器（SAS）等又細屬于底盤范疇，組成底盤CAN總線。

（3）舒適CAN

將儀表（ICM）、車身控制器（BCM）、空調（HVAC）、無鑰匙進入無鑰匙啟動（PEPS）等跟舒適相關控制器組成舒適CAN子網。

（4）娛樂CAN

將DVD、品牌音響（AMP）、倒車影像（VRR）、時鐘（CLOCK）等娛樂相關的控制器組成娛樂CAN子網。

（5）LIN線

由于BCM和車窗防夾模塊（APM）、雨量傳感器（RS）之間通訊量較大。故采用BCM作為集成網關，負責兩條LIN線與CAN之間的通訊，同時在獨立網關上預留兩路LIN線，可用于功能擴展。

2.2 診斷設計

在整車網絡架構中，獨立網關作為各個子網的信息中轉站，診斷接口和網關直接連接，不深入到各子網中去，在診斷儀與網關之間需要經過握手，判斷是否執行后續的診斷操作。即通過Routine Control (31) 診斷服務，發送握手信號請求握手，診斷儀根據算法自行算出該握手信號對應的反饋值T1；網關接收到請求后，經過相同的算法算出請求信號的反饋值G1，并返回肯定響應； 診斷儀接收到肯定響應后，再次請求發出診斷儀自行計算的反饋值T1，網關接收到后，比較兩個反饋值T1 與G1，判斷是否一致；一致則認為握手成功，并返回肯定響應，診斷儀后續發送的診斷請求，按照實際情況處理；若不一致，則認為握手失敗，返回否定響應，診斷儀發送的診斷請求，網關不做處理或者返回否定響應。因此，由診斷儀發出的對任意控制器的診斷服務命令都是由獨立網關轉發給相應的控制器，這樣就可以從物理上避免對任意控制器單元的直接訪問，所有對控制器的訪問都要受到網關的監測，用戶的身份識別和授權驗證工作均由網關成，對于所有不被授權的非法訪問進行隔離，防止非法用戶入侵整車網絡，提高網絡的安全等級，從而提高汽車整體的安全性。

2.3 基于獨立網關的網絡總線結構的優勢分析

國內應用獨立網關技術已經成熟，獨立網關是汽車發展的趨勢。下面將采用集成網關與采用獨立網關的結構進行對比分析：

（1）儀表作為集成網關只具備2路CAN的通訊能力，擴展性差，而獨立網關具備6路CAN、2路LIN的通訊能力，具有很強的擴展性和可持續性，在項目進展中，如果遇到網絡節點發生通訊變更，可以方便地配置網絡；

（2）根據以往眾多車型和配置的開發經驗，儀表作為網關會存在多達40多個版本，而加入獨立網關后，儀表將作為單獨一路網段接入獨立網關，其他功能性零部件的信號變動，不會影響儀表。若通訊信號變更，硬件保持不變，只需軟件變動，實現硬件的通用化和平臺化；

（3）儀表作為集成網關時OBD口與2路CAN直接連接，通訊信息很容易獲取，而采用獨立網關后，OBD口與獨立網關直接連接，保證了整車通訊信息的安全性；

（4）獨立網關預留了一定的I/O口，有利于整車功能的擴展；

（5）獨立網關的單件變動，實現零部件的各車型通用；

（6）采用獨立網關后，承擔集成網關功能的儀表可以降低MCU負荷，大大降低了儀表的軟硬件成本，獨立網關開發一次可以應用江淮所有車型，節省開發費用；

（7）獨立網關具備信號轉發、網絡管理、診斷、Bootloader刷新等功能，可配置性強，采用平臺化軟件設計，網絡配置變動只需要通過BT軟件刷新即可完成新配置的注入，且刷新可由主機廠主導完成；

（8）ICM作為集成網關起關聯高低速兩路CAN的作用，按當前JAC車型配置，集成網關功能基本已達極限，不滿足未來車輛智能化發展需求，同時，集成網關集成在其他零部件內部，無法滿足擴展三路及更多CAN網段的需求。

3、獨立網關的開發

獨立網關采用飛思卡爾公司MC9S12XDP512的 16位微控制器芯片，它具有雙核特點，兩個處理器能同時運行。芯片支持五路CAN總線模塊，兩路LIN總線模塊，理論上可以支持100個以上的控制器進行數據通訊。

3.1 硬件結構

圖3為獨立網關硬件結構。該獨立網關設計又5路CAN總線接口和2路LIN線接口，傳輸速率和信號轉發速率從100Kbps到500Kbps之間可配置。各條CAN總線、LIN線以及診斷總線之間的通訊信號都由獨立網關進行信號路由。同時針對獨立網關還專門進行硬件接口定義，設定網絡通訊規范，網絡管理功能規范，診斷規范，錯誤管理規范等一系列規范。確保獨立網關在整個網絡中充分發揮作用。

3.2 軟件架構

圖4為獨立網關軟件架構，主要由7個部分組成。其中COM（IL）層主要完成基于CAN總線數據收發工作；傳輸層（Transport Layer）完成用于流控制及大數據的分片、打包；診斷服務層（Diagnostic Service Layer）主要完成UDS診斷服務；網絡管理層（Network Managenment）完成基于OSEK直接網絡管理；刷新模塊（Boot loader）完成程序或網絡配置的更新；DTC管理時基于診斷服務接口 ，完成診斷故障碼的存儲、讀取及清除；診斷應用模塊是配合診斷協議層，實現診斷服務及相關功能。

3.3 時序控制

根據網絡信號幀速率與信號幀類型(周期信號、立即信號或事件信號)定義不同，獨立網關要做好信號轉發的時間控制，明確每個信號的更新時間，事件性信號的最小間隔時間，確定信號優先級，調用V—Output函數時間等時間參數，并根據優先級進行信號轉發。網關幀轉發最大延遲時間為2ms，信號轉發周期誤差小于10%。根據ISO11898規范，當錯誤計數器大于255時將進入Busoff狀態，應用程序需要按照足夠快的周期（不大于10ms）對Busoff狀態進行檢查，防止Busoff狀態的丟失，當檢測到Busoff時，Busoff計數器加1，當計數器達到6時，記錄Busoff 故障碼。此后如果繼續檢測到Busoff狀態，計數器值仍保持為6。在Busoff計數器非零的情況下，如果在5000ms內未檢測到Busoff，則計數器清零，同時故障類型由當前故障轉為歷史故障。

4、總結

應用開發結果表明，基于獨立網關的汽車網絡總線系統具備子網獨立，實施靈活；平臺化設計，適用多種車型；整車網絡總線可擴展強；系統整體成本低廉；網絡通訊安全等級高；開發風險較低等多種技術優勢。同時獨立網關轉發功能由主機廠進行管控，路由轉發配置可以由主機廠網絡工程師根據需要編寫，可配置性極強，在Mule車搭載及前期驗證方面有巨大優勢，后期遇到市場問題也可以迅速應對。

[1]王文海. CAN總線在汽車領域的應用[J]. 電子科技，2011，24（5）.

[2]史久根. CAN現場總線系統設計技術[M]. 第1版，北京：國防工業出版社，2004. 21～22.

[3]ISO 11898-2, Road vehicles — Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[4]ISO 14229, Road vehicles — Unified diagnostic services (UDS)—Part 1: Specification and requirements, 2005.5.8.

The automotive network bus system design Based on an independent gateway

Zhou Hongying, Tao Longlong
（AnHui JiangHuai Automobile Co.,Ltd.Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Along with Network bus applications increasingly common in cars,How efficient and low-risk to do development platform of automotive network bus, becomes increasingly important. This paper presents an efficient bus network development philosophy: the automotive network bus system design Based on an independent gateway. It can effectively reduce development risk, improve development efficiency, ensure network communications security, and flexibly implement platform design the for automotive network bus system.

Automotive Network Bus；Integrated Gateway；Independent Gateway；Diagnosis

U462.1

A

1671-7988(2015)04-01-04

周紅英，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。