淺析車用CAN系統中網關的特性

朱雙華

（株洲職業技術學院，株洲 412001）

0 引言

網關（Gateway）實際上就是一種模塊，它工作的好壞決定了不同的總線、模塊和網絡相互間通信的好壞。網關就像一個居民小區的門衛，在他讓任何客人進大門之前，他得問問客人是否是應邀前來，或者通知某位住戶有人來訪了。對不兼容但卻需要互相通信的總線和網絡來說，網關所起的作用就和門衛一樣。

1 網關的實質

網關是連接異型網絡的接口裝置，它綜合了橋接器和路由器的功能，汽車網關主要能在OSI參考模型的物理層、數據鏈路層和應用層上對雙方不同的協議進行翻譯和解釋。

對于Bosch公司為奔馳600SEL等汽車開發的控制器局域網CAN1.2與CAN2.0協議之間的網關，是指為處理多個ECU的核中核CPU之間的通信而提供的一種綜合接口裝置，實際上就是一個Intel-16位80C196單片微機，而美國三大汽車公司采用的SAE1850網絡與Bosch-CAN網絡之間的網關，實際上就是一個Intel-16位87C196KR單片微機。

一個網關必須具備有從一個網絡協議到另一個協議轉換信息的能力，對于CAN協議的網關，應能涉及CAN協議4種幀類型中的兩種，即數據幀和遠程幀。另外兩種錯誤幀和超限幀，由該網關的CAN芯片硬件控制，因此，可以說網關無附加的響應性。當然，網關必須具備有“狀態位”，即在任何一個網絡中發生的錯誤太多時，網關有報警狀態位或總線中斷狀態位，這樣，網關就像網絡中的節點那樣，可以調查總線狀態。

對于兩個網絡之間的網關，其具備盡量少的傳輸等待時間，信息丟失或超限差錯最少，能處理總線出現的差錯等特性。

2 網關的布置

如果兩個CAN網絡執行器是兩片獨立的芯片(圖1)，微控制器(單片微機)作為網關，那么，CAN芯片就像靈巧的隨機存儲器被網關讀寫。一旦接收到信息，網關就執行接收CAN芯片的外部讀操作，接著執行轉換信息的邏輯指令，然后執行外部寫操作，對第二個網絡的CAN芯片作傳輸編程。

所以說，網關主要是執行外部讀、寫操作和轉換信息標識符，而執行讀、寫操作的重要技術條件是時間，讀、寫所要求的時間又取決于網關在CAN芯片接口的定時特性。

圖1 網關硬件的布置

3 Bosch CANl.2與CAN2.0之間的網關結構

1991年9月，標準的1.2版本的CAN協議修訂為新的2.0版本，新版本的技術關鍵是增加了信息標識符，也就是說，新的CAN2.0既支持標準的11位，也支持擴展后的29位信息標識。

CAN2.0實施新的信息位，標識擴展位(IDE位)使CAN操作裝置能區分標準和擴展格式，但大多數現存的標準CAN-1.2版本不能識別擴展后的信息格式，在實施過程中會響應錯誤信息。

為了能實施29位的信息標識，Intel公司開發了品種繁多的芯片，作為CAN的汽車用戶，需采用網關使網絡互連(圖2)，在僅用CAN-l.2-11位信息標識的條件下，能正確響應29位標識。

圖2 Bosch CAN1.2與CAN2.0之間的網關連接圖

圖3 網關處理的內容

4 網關處理的內容

網關主要“處理” 有關下面三部分的內容(如圖3所示)：從第一個網絡讀取所接收的信息，翻譯信息，向第二個網絡發送信息。圖中翻譯信息標識符的含義如下：CAN1.2和CAN2.0 的網關可用于以下兩種情況；第一種是最簡單的實施方式，即在兩個網絡之間不需要對信息標識符翻譯，只是傳送標準信息，也就是說，這時的網關只起到互連CANl.2與CAN2.0，并讓這兩個網絡共享標準信息的任務；第二種實施方式需要對信息標識符作翻譯，也就是說，兩個網絡有各自的信息標識符，例如，“發動機溫度信息”在CAN1.2網絡上具有專用的11位標準信息標識符，而在CAN2.0網絡上卻具有擴展的29位信息標識符，此時的網關需對這兩種信息標識符通過計算或“查表”翻譯。

5 SAEJ1939與J1980網絡協議之間的網關

SAE選用CAN2.0協議作為“C級”串行控制和通信網絡的推薦實施標準，由稱為SAE1939規范。CAN2.0每秒鐘的數據速率可達1Mbit/s， 也就是說，CAN2.0執行相當于SAE-C級的高速數據速率。可對于貨車的掛車或被牽引的機具來說，并不需要如此高CAN網絡均數據速率。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，就采用中速數據速率(B級) 41.6Kbitls的J1850網絡來管理掛車的牽引和制動，而CAN2.0只用于支持主車發動機的各個ECU，這樣，在貨車和大客車上出現了連接異型網絡的網關(如圖4所示)。

圖4 CAN與J1850之間的關系

同樣原理，原實施SAE-J1850B級通信速率的小客車，感到發動機、自動變速器、ABS等系統的數據速率偏低，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，就將原實施J1850的汽車增加一個網關(如圖5所示)，并將網關前方的總線修改為CAN總線。

圖5 轎車CAN網與J1850網絡之間的網關

6 奧迪A4-B6控制器局域網中網關的應用

6.1 奧迪A4-B6控制器局域網中網關的功能

由于幾種數據總線的傳輸速率不同，所以系統之間不能直接進行數據交換。而事實上，在車輛處于正常工作狀態時，不同的總線系統之間是需要有信息交流的，如發動機系統（動力總線）與空調系統（舒適總線）之間就有信息交流，發動機控制單元會將節氣門開度、水溫、轉速等信號傳給空調控制單元，而空調控制單元需將壓縮機工作狀態傳遞給發動機控制單元。為了解決此問題，特設置了網關，即Gateway，又稱為網絡適配器。它能把各種總線系統的傳輸速度轉換成一個中間頻率，從而使所有連接在CAN總線上的控制單元之間都能進行信息交流，整車的CAN總線系統就形成了一個有機的整體，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稱為數據Gateway。而在Bora車上，Gateway 除起到交換信息的作用外，還能在不改變數據的前提下，將動力總線、舒適總線和娛樂總線上的自診斷信息傳遞到K線上，這樣可以使系統進行自診斷的速度加快。

6.2 奧迪A4-B6控制器局域網中Gateway的適配

當更換某條CAN總線上的某個控制單元后，需進行該條CAN總線的適配，其目的在于使Gateway認識此新的控制單元并對其進行數據轉換，否則該控制單元將不能參與CAN總線工作。每條CAN總線的每個控制單元都有一個固定的代碼數值，適配時需將CAN總線上所有控制單元的代碼數值加起來，輸入總和數值到適當的通道，則該CAN總線適配成功，如果去掉某一控制單元的數值，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，直接更換即可。

動力總線的適配：用VAG1551或 VAS5051進入地址碼“17”（儀表），然后選擇“10”功能（適配），進入“060”通道，輸入相應數值后“確認”即可。各單元數值：發動機為1，變速器為2，ESP為4，組合儀表為1024，如果該車是手動變速器，則適配時應輸入“1209”。

舒適總線的適配：進入“061”通道輸入各控制單元代碼數值：汽車控制單元為1，舒適系統控制單元為2，組合儀表為256，轉向柱控制單元為1024，空調系統為2048，駐車加熱為32768。

信息娛樂總線的適配：進入“062”通道輸入各控制單元代碼數值：收音機為1，電話為 2，電子導航為4，組合儀表為16。

圖6 奧迪A4-B6轎車CAN系統示意圖

[1] 張鳳山.奧迪系列轎車維修保養手冊[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 李東江,張大成.汽車車載網絡系統原理與檢修[M].北京:機械工業出版社,2008.