OSEK網絡管理在商用車CAN網絡中的應用

李 芳，宋 偉，陳燕梅

（南京依維柯汽車有限公司產品工程部，江蘇 南京 210028）

1 OSEK網絡管理概述

OSEK（德文：OffeneSystemeand deren Schnittstellen fur die Elektronik im Kraftfahr-zeug）體系是1993年德國汽車工業界提出的，其含義是汽車電子開放式系統及其接口。這個體系的最早倡導者有：寶馬、博世、戴姆勒克萊斯勒、歐寶、西門子、大眾和卡爾魯斯厄大學的工業信息技術研究所。法國的汽車制造商標致和雷諾于1994年加入了OSEK體系，并將法國汽車工業使用的汽車分布式運行系統 （Vehicle Distributed Ex-ecutivr，VDX）也納入這一體系。

在1995年召開的研討會上，眾多汽車廠商對OSEK和VDX的認識達成了共識，產生了OSEK／VDX規范，OSEK網絡管理 （OSEK Net Management，OSEK NM） 只是OSEK／VDX規范中的一部分［1］， 以下是基于南京依維柯車型對OSEK管理進行闡述。

2 南京依維柯PD2014車型的OSEK網絡管理實現機制

PD2014 CAN網絡管理有兩種實現機制，即直接網絡管理和間接網絡管理，節點清單見表1，網絡拓撲圖如圖1所示。其中ECU根據其電源情況可分為兩種類型，包括點火鑰匙控制型 （+15電節點）和常電型 （+30電節點）。

+15節點是指在點火鑰匙處于非OFF檔時ECU獲得電源，OFF檔時ECU失去電源。+15節點的網絡管理采用間接網絡管理策略。

表1 節點清單

+30節點是指ECU電源不受點火鑰匙控制，點火鑰匙處于OFF檔時進入睡眠狀態。+30節點網絡管理采用直接網絡管理策略。

2.1 間接網絡管理

+15節點采用間接網絡管理策略，在PD2014車型上采用間接網絡管理的節點為：EDC，TCU，IMMO，行駛記錄儀，安全氣囊模塊，ESP。

2.1.1 網絡啟動

在網絡管理中+15節點具有3種狀態：網絡非激活狀態 （Network inactive）、網絡啟動狀態 （Network startup）、 網絡激活狀態 （Network active）。 3種狀態之間的轉換見圖2。

網絡非激活狀態向網絡激活狀態的轉換由IGN OFF到IGN ON的改變引起的。一旦進入網絡啟動狀態，節點須開啟從CAN總線上接收報文的功能；一旦進入網絡激活狀態，節點須立刻開始傳輸指定的周期性應用報文。

2.1.2 網絡非激活狀態

網絡激活狀態向網絡非激活狀態的轉換由IGN ON到IGN OFF的改變引起。在網絡非激活狀態下，節點不允許傳輸應用報文。網絡激活狀態到網絡非激活狀態的轉換時間 （tShutdownIGN）見表2。

表2 間接網絡管理定時參數

2.2 直接網絡管理

直接網絡管理是一種自組織形式的網絡管理，網絡節點中沒有主從之分，每個節點都被網絡中其他節點監控，同時該節點也監控網絡中的其他節點，在PD2014車型上采用直接網絡管理的節點為：儀表和BCM。

2.2.1 邏輯環

在直接網絡管理中，網段中節點通過節點地址的先后順序依次發送網絡管理報文，這種發送順序在邏輯上形成一種結構，稱之為邏輯環。邏輯環中每一個節點都具備一個前任者和后繼者。每個節點的前任者和后繼者是通過節點地址的數值確定的。邏輯環中，節點地址大小的關系是：前任節點＜本地節點＜后繼節點。每個節點接收到的來自前任者指向自己的環報文，之后向自己的后繼者發送出自己的環報文。地址最大的節點的后繼者是地址最小的節點。這樣，有規律地向各自的邏輯后繼者發送同步環報文，以此來監控已建立的環，實現了直接網絡管理功能，如圖3所示。PD2014車型的邏輯環如圖4所示，儀表的地址為0x17，BCM的地址為0x21，儀表是BCM的前任者，BCM是儀表的后繼者。

2.2.2 網絡管理報文類型

1）Ring報文 在穩定的邏輯環形成后，環中的每個節點在接收到其前任的Ring報文后，向后繼者發送自己的Ring報文。

2）Alive報文 網絡中的節點初始化完成后，發送Alive報文，用于表明有新的節點加入到網絡的邏輯環中。

3）LimpHome報文 當接收／發送錯誤計數器超過其閾值或總線出現嚴重錯誤時，節點進入NMLimpHome狀態，并周期發送LimpHome報文。

2.2.3 網絡管理報文格式

節點的網絡管理報文將和PGN、數據長度一起發送。網絡管理報文的類型都可以通過標志位來識別，此標志位是網絡管理CAN數據幀數據場的一部分。表3定義了網絡管理報文的基本參數。表4定義了網絡管理CAN數據幀的數據場的格式。

表3 網絡管理報文基本參數

以PD2014車型儀表為例，其網絡管理報文格式見表5。

表5 儀表報文格式

2.2.4 直接網絡管理定時參數 （表6）

表6 直接網絡管理定時參數

2.2.5 直接網絡管理策略

網絡管理策略規定了節點網絡管理報文的時序流程，其目的是建立和維護節點之間的聯系。網絡管理策略只是提供網絡的狀態信息，而不同狀態的控制方法由應用程序負責。網絡中各個節點狀態見表7，狀態之間的轉換關系見圖5。

1）睡眠狀態 當睡眠條件滿足時，節點需要進入睡眠狀態。通過對Ring報文中的：“Sleep indication=1”和 “Sleep acknowledge=1”來切換到睡眠狀態。

睡眠協商通過以下步驟完成 （圖6）：①睡眠條件滿足后，下一個要發送的Ring報文中的位Sleepindication置1；②當Ring報文在邏輯環中傳遞一周，并且所有接收Ring報文中的位Sleep indication都被置1，那么最先發出Sleep indication=1 Ring報文的節點發送Ring報文，并將位Sleep acknowledge置1；③所有接收到Sleep acknowledge=1的Ring報文的節點停止發送任何應用報文，所有節點進入到睡眠狀態， 啟動定時器TWaitBusSleep， 在TWaitBusSleep期間， 沒有網絡啟動條件發生，當TWaitBusSleep后總線進入非激活狀態。

表7 節點狀態

2）網絡啟動 每個節點的啟動順序都一樣，見圖7。

圖7表示了節點A發生了本地喚醒之后的網絡啟動順序。

①在tNwStartupLocal，A時間，節點A能夠接收數據。為了喚醒網絡上的其它節點，節點A發送激活報文。此喚醒報文開始了節點B和節點C的初始化。只要節點A沒有接收到其它節點的CAN協議應答，節點A的CAN控制器將重復發送激活報文 （總線負載為100%），直到被別的節點應答。

②在節點A第一次發送激活報文之后的tNwStartupRemote，B時間，節點B能接收應用報文。節點B接收激活報文，同時CAN控制器進行應答。節點A的CAN控制器停止重復發送激活報文。

③節點C比節點B的啟動過程要慢。它沒有接收到節點A的激活報文，在節點A第一次發送的激活報文之后的tNwStartupRemote，C時間，節點C也可以接收應用報文。

④節點B在tNwStartupRemote，B時間， 節點C在tNwStartupRemote，C時間分別發送各自的激活報文，但是這些報文不影響網絡的啟動行為。

⑤tNwActive，A時間之后，節點A從網絡啟動狀態轉移到網絡激活狀態。這是節點A最早可以發送應用報文的時間，因為至少在此時，所有的節點能夠接收應用報文。此時，節點A允許發送包含導致網絡喚醒的信號信息的應用報文。

3）激活狀態 在激活狀態下，節點主要在“邏輯環”中進行Ring報文的接收和發送。

4）跛行狀態 跛行狀態表明網絡通信存在故障。進入跛行狀態的前提條件：NM報文發送失敗；在TMax時間內沒有收到有效的Ring報文。

當以上情況的發生使得網絡管理計數器NMRxcount、NMTxcount的數值超過各自的閾值NNm-RxLimit、NNmTxLimit時，節點進入跛行狀態。跛行狀態下，節點以Terror周期地發送LimpHome報文，使得網絡上的所有節點仍然能夠監聽到它。接收到LimpHome報文的節點應更新自身網絡的LimpHome配置。當總線進入睡眠或接收到任意一條NM報文后，LimpHome狀態結束。

3 PD2014車型CAN網絡管理測試［3］

PD2014網絡管理測試主要包括：3輪臺架測試，2輪labcar集成測試，2輪在車測試，1輪EMC測試，4輪道路試驗。

每輪測試包括間接網絡管理測試和直接網絡管理測試。間接網絡管理測試包括網絡啟動性能測試、網絡停止性能測試。直接網絡管理測試包括正常網絡管理通信測試、網絡喚醒和睡眠測試、電源電壓情況測試、網絡啟動測試、網絡關閉測試、跛行狀態下節點收發能力測試、網絡管理配置測試。下面以直接網絡管理中的睡眠測試為例，介紹網絡管理臺架測試的方法。

1）測試設備 筆記本電腦PC，CANcardXL（包含CANcab），插接件若干 （DB9轉接頭、OBD-DB9轉接頭等），120Ω終端電阻 （2個），可調電源。

2）測試環境 ①如果待測節點未集成終端電阻，則電路需要連接 圖8中 “1” 和“2”終端網絡；②如果待測節點集成了120 Ω的終端電阻，則電路只需要連接圖8中 “1” 終端網絡。

3）測試步驟 ①CANoe建立3個具備網絡管理功能的虛擬節點；②啟動CANoe，使虛擬節點在線；③本地事件觸發DUT通信；④CANoe監測總線報文，查看DUT是否和虛擬節點建立穩定邏輯環；⑤滿足DUT睡眠條件；⑥等待2000ms；⑦CANoe監測總線上的報文，查看DUT是否發送網絡管理報文將 “SleepIndication” 位置 “1”。

4）評價指標 DUT發送SI置1的Ring報文。

4 結論

本文介紹了OSEK網絡管理原理，并對南京依維柯PD2014車型網絡管理實現機制進行了闡述。對深入理解OSEK網絡管理和將OSEK網管應用到具體的工程項目中，以及研究或開發特定要求的總線OSEK網絡系統具有指導意義。

［1］熊毅.基于OSEK規范的網絡管理的研究與改進［J］.計算機應用研究，2007，24（9）：217-220.

［2］張利.OSEK網絡管理在汽車CAN系統中的研究與實現［J］.電子測量與儀器學報， 2011， 25 （6）： 522-527.

［3］程安宇.OSEK／VDX直接網絡管理一致性測試方法設計［J］. 計算機技術與應用， 2012， 38 （4）： 133-136.