基于Ethernet的車載ECU診斷刷新研究

黃志堅，姜立標(biāo)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641)

0 引言

隨著汽車領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，汽車越來越智能化，相應(yīng)的汽車電子控制單元ECU數(shù)量也越來越多，ECU功能越來越復(fù)雜。同時隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車需要配備更多的攝像頭、雷達(dá)等傳感器，這些傳感器感知系統(tǒng)會采集到大量的數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)快速完整地傳輸?shù)接嬎銠C(jī)處理單元，并及時地做出響應(yīng)，也對總線的數(shù)據(jù)傳輸能力和可靠性提出了非常高的要求[1]。

當(dāng)前基于CAN總線的車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足需要傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，車載以太網(wǎng)的誕生可以適應(yīng)傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，在車載網(wǎng)絡(luò)通信，傳輸數(shù)據(jù)和一次性傳輸數(shù)據(jù)大小等各個方面都高于CAN總線的性能。本文作者基于DoIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了車載ECU在線軟件升級，極大提升了當(dāng)前車載ECU刷新的速率，同時也驗證了車載以太網(wǎng)應(yīng)用于車載ECU刷新的可行性。

1 以太網(wǎng)介紹

自20世紀(jì)70年代以太網(wǎng)問世以來，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為世界上最受歡迎的局域網(wǎng)LAN技術(shù)，基于Broadcom的Broad-Reach技術(shù)(百兆以太網(wǎng)技術(shù))的車載以太網(wǎng)也得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)一次只能允許網(wǎng)絡(luò)中的一臺設(shè)備進(jìn)行通信，但是Broad-Reach支持全雙工通信，使得一條鏈路上的兩臺設(shè)備能夠同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 以太網(wǎng)全雙工通信

這表明車載以太網(wǎng)支持額定速率為100 Mb/s的全雙工通信，同時意味著兩節(jié)點(diǎn)間的理論總數(shù)據(jù)速率能夠達(dá)到200 Mb/s，而CAN、LIN、MOST以及FlexRay規(guī)定的總帶寬只是為它們的額定速率，這個帶寬由所有設(shè)備共享。

以太網(wǎng)由點(diǎn)到點(diǎn)線路構(gòu)成，即每根UTP電纜只連接兩個節(jié)點(diǎn)，一端一個。各個節(jié)點(diǎn)是通過交換機(jī)連接的，形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹型以及菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時以太網(wǎng)基于IEEE802.3的接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層可以利用TCP/IP的高層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并不會與傳統(tǒng)以太網(wǎng)通信技術(shù)相排斥。

車載以太網(wǎng)不僅可以提供高速的帶寬，而且具備支持未來更高性能的潛力。相比于當(dāng)前應(yīng)用廣泛的CAN總線技術(shù)，車載以太網(wǎng)有如下優(yōu)勢：

(1)車載以太網(wǎng)帶寬高并且是獨(dú)享帶寬，效率更高，而且車載以太網(wǎng)還支持音視頻數(shù)據(jù)，可以更好地運(yùn)用在汽車信息娛樂系統(tǒng)。

(2)車載以太網(wǎng)可以采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，作為中央以太網(wǎng)骨干交換機(jī)，與汽車各ECU通信。

(3)車載以太網(wǎng)可以通過TCP/IP與車輛外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，比如借助計算機(jī)通過車載以太網(wǎng)進(jìn)行ECU軟件刷寫，提高了效率，節(jié)約了成本。

IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)幀格式包含若干個幀報頭字段、傳輸數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)場長度范圍為46～1 500字節(jié))和一個單字段報尾(CRC校驗幀尾)，如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)幀格式

2 DoIP協(xié)議介紹

DoIP(Diagnostic communication over Internet Protocol)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的診斷。基于該診斷協(xié)議，主機(jī)廠和售后工程可以對車輛進(jìn)行診斷、刷新等操作[2]。DoIP協(xié)議形成了ISO 13400標(biāo)準(zhǔn)《道路車輛——基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的診斷通信(DoIP)》。該標(biāo)準(zhǔn)分成3個部分：

(1)通用信息和用例定義;

(2)傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層服務(wù);

(3)基于IEEE802.3的車用有線接口。

即ISO 13400標(biāo)準(zhǔn)介紹了其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層等內(nèi)容。依據(jù)OSI七層模型，DoIP與基于CAN總線的診斷(DoCAN)的協(xié)議棧對比如圖3所示。

圖3 DoIP與DoCAN協(xié)議棧對比

DoIP報文的結(jié)構(gòu)是由DoIP報頭和DoIP凈荷構(gòu)成，DoIP報頭包含了協(xié)議版本、初始協(xié)議版本、凈荷類型、凈荷長度等信息;DoIP凈荷數(shù)據(jù)長度范圍為0～4 294 967 295字節(jié)，相當(dāng)于4 GB大小的數(shù)據(jù)。DoIP凈荷中包含源地址、目的地址和用戶數(shù)據(jù),其中源地址相當(dāng)于該DoIP報文的發(fā)起者;目的地址則為接收該DoIP報文的接收者;用戶數(shù)據(jù)如UDS相關(guān)請求。DoIP協(xié)議的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DoIP協(xié)議的結(jié)構(gòu)

3 Bootloader開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)簡介

如圖5所示，整個車載ECU刷寫系統(tǒng)主要有Bootloader上位機(jī)，刷新硬件工具及其帶有Bootloader的下位機(jī)開發(fā)板。工程師或者測試人員通過PC端上位機(jī)的以太網(wǎng)刷寫界面進(jìn)行ECU的IP地址，上位機(jī)的IP地址，P2服務(wù)參數(shù)等配置，并在文件加載框中加載所需要的更新的APP文件。下位機(jī)接收到上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后將其寫入ECU開發(fā)板的Flash存儲器之中，實(shí)現(xiàn)了基于Ethernet的ECU在線軟件刷寫。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 下位機(jī)軟件

如圖6所示為Bootloader的軟件架構(gòu)圖。該軟件是基于HIS接口協(xié)議而開發(fā)的。Bootloader軟件架構(gòu)中各個模塊是分開的，這樣設(shè)計能減小各個模塊之間的相互影響，從而提高開發(fā)的質(zhì)量和效率。

Bootloader軟件主要包括以下部分。Boot Management啟動管理模塊負(fù)責(zé)軟件和Application的啟動順序。Bootloader應(yīng)用程序模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)軟件功能，如時鐘配置、時間片中斷重映射。Bootloader運(yùn)行環(huán)境模塊負(fù)責(zé)診斷協(xié)議的函數(shù)回調(diào)和控制系統(tǒng)運(yùn)行。Memory Management內(nèi)存管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理和邏輯塊配置。Ethernet驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)以太網(wǎng)收發(fā)器和控制器與傳輸層交互。TCP/IP 協(xié)議棧模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的實(shí)現(xiàn)。DoIP模塊負(fù)責(zé)封裝診斷報文。

圖6 Bootloader的軟件架構(gòu)

3.2.2 上位機(jī)軟件

如圖7所示為上位機(jī)軟件界面。上位機(jī)軟件功能主要分為系統(tǒng)參數(shù)配置和軟件刷寫兩大塊。系統(tǒng)參數(shù)配置中可以對ECU的IP地址，上位機(jī)的IP地址，P2服務(wù)參數(shù)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)ECU等配置，目的是確保上位機(jī)和車輛ECU之間能夠正常通信。軟件刷寫主要是加載安全密鑰文件，刷寫驅(qū)動文件和刷寫需要的APP數(shù)據(jù)文件。

圖7 上位機(jī)軟件配置及運(yùn)行界面

4 ECU刷新仿真實(shí)驗

為了驗證車載以太網(wǎng)應(yīng)用于車載ECU刷新的可行性及其刷新速率，文中搭建臺架，分別對基于車載Ethernet，基于CAN總線的刷新軟件進(jìn)行了八組對比刷新仿真實(shí)驗，如圖8所示。

圖8 基于車載以太網(wǎng)ECU刷新仿真實(shí)驗

刷新仿真實(shí)驗中，以太網(wǎng)設(shè)置為100 Mb/s的速率，CAN總線的比特率設(shè)置為500 kB/s。如表1所示，以太網(wǎng)刷新數(shù)據(jù)大小范圍為1 000～8 560 kB，刷新時間從18～198 s。CAN總線刷新數(shù)據(jù)大小范圍為880～3 832 kB，刷新時間從249～1 283 s。對比兩者刷新實(shí)驗數(shù)據(jù)，很顯然基于以太網(wǎng)的診斷刷新時間性能遠(yuǎn)高于基于CAN總線的診斷刷新時間性能。

表1 基于車載以太網(wǎng)和基于CAN總線的刷新性能對比

如圖9所示為基于以太網(wǎng)和基于CAN總線的刷新時間對比圖。

圖9 基于以太網(wǎng)和基于CAN總線的刷新時間對比圖

從圖中可以清晰看出兩者刷新之間的時間差別，在刷新數(shù)據(jù)大小為1 000 kB以內(nèi)時，基于CAN總線的刷新時間高于200 s，而在刷新數(shù)據(jù)大小為8 560 kB時，基于以太網(wǎng)的刷新時間仍小于200 s，為198 s。可以說，基于以太網(wǎng)刷新的時間性能是遠(yuǎn)大于基于CAN總線的刷新時間性能的。而且，隨著刷新文件越來越大，基于CAN總線的診斷刷新效率越來越低，而基于以太網(wǎng)刷新的時間性能優(yōu)勢卻越來越顯著。

5 結(jié)論

車載Ethernet是解決當(dāng)前智能汽車所需網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的一種相當(dāng)有效的技術(shù)，也是汽車網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的必然趨勢。文中通過介紹基于車載以太網(wǎng)的Bootloader軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，并通過刷新仿真實(shí)驗驗證了基于Ethernet的診斷刷新時間性能遠(yuǎn)高于基于CAN總線的診斷刷新時間性能。當(dāng)前車輛各個ECU之間是通過中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互連，在未來車載ECU診斷刷新可以充分借助以太網(wǎng)的高帶寬，來實(shí)現(xiàn)通過中央網(wǎng)關(guān)同時對車輛多個ECU進(jìn)行以太網(wǎng)刷新，能大大提高刷新的效率，降低相應(yīng)的成本。