一種高端重卡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

成金峰，藺春明，李攀，林國(guó)干，張少宇

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一種高端重卡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

成金峰，藺春明，李攀，林國(guó)干，張少宇

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CAN總線是車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分，目前已在汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著汽車(chē)電子化技術(shù)的不斷深入發(fā)展，汽車(chē)上電子控制單元（ECU）的數(shù)量已經(jīng)越來(lái)越多，而一些高端汽車(chē)電子控制單元數(shù)量已達(dá)到幾十個(gè)，傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于負(fù)載率等問(wèn)題已難以滿足需求。本文提出的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在負(fù)載率、安全性上的不足。

CAN總線；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；負(fù)載率；分布式

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-07-04

前言

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)上的電控單元(ECU)也越來(lái)越多，采用能夠滿足多路復(fù)用的總線通信系統(tǒng)，可以將各個(gè)ECU連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以共享的方式傳送數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字通信與控制功能。CAN總線是車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分，目前已在汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)中得到廣發(fā)應(yīng)用。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一旦增加配置，節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)較多，信息交互量會(huì)很大，因此實(shí)際負(fù)載也很高，這就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)時(shí)性急劇下降，信息開(kāi)始在總線上延遲，許多數(shù)據(jù)由于優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題無(wú)法在總線上發(fā)送，集中式總線網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法勝任需求。

1、分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文提出的方案主要解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼容性差、負(fù)載率過(guò)高的問(wèn)題。在集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了分布式總線網(wǎng)絡(luò)的概念，它在繼續(xù)遵循CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，將原有的總線網(wǎng)絡(luò)分成了動(dòng)力域、底盤(pán)與安全域、車(chē)身域和信息管理域四個(gè)部分，每一個(gè)域都有一個(gè)主控單元，主控單元將每個(gè)域分成若干個(gè)子網(wǎng)段，每個(gè)子網(wǎng)段將信息交互量最大的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分在一起，由主控單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)域內(nèi)的工作，當(dāng)某個(gè)子網(wǎng)段出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響域內(nèi)其它網(wǎng)段的正常工作，大大提升了架構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。四個(gè)域間通過(guò)骨干網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)域間交互信息的共享。分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分割有效地降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，當(dāng)單個(gè)域的網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，其它域還能正常工作。

下面結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的框圖，對(duì)實(shí)施案例進(jìn)行說(shuō)明。參見(jiàn)圖2。

表1 各ECU功能

1.1 車(chē)身域

車(chē)身域的主要功能是實(shí)現(xiàn)整車(chē)大部分的電氣功能。作為主控單元的SCA，既要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)域內(nèi)電氣功能的正常運(yùn)行，還得負(fù)責(zé)與其它域的信息交互。SCA集成了繼電器和保險(xiǎn)絲，控制車(chē)身前部和駕駛室內(nèi)部的燈光、雨刮、電磁閥和傳感器等；SCA的前后側(cè)直接連接駕駛室內(nèi)外部線束，節(jié)省了很多接插件。各個(gè)開(kāi)關(guān)組都是一個(gè)獨(dú)立的小控制器，通過(guò)總線，連接到了開(kāi)關(guān)主模塊（MSF）上。通過(guò)總線開(kāi)關(guān)組有效地解決了開(kāi)關(guān)的可擴(kuò)展性，隨意增加開(kāi)關(guān)成為可能。主干網(wǎng)上共9個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，包括：中央控制器SCA、左車(chē)門(mén)控制器DCMD、右車(chē)門(mén)控制器DCMP、一鍵啟動(dòng)控制器EIS、空調(diào)控制器HVAC、開(kāi)關(guān)主模塊MSF、車(chē)隊(duì)管理系統(tǒng)TCC、收音機(jī)RAD、安全氣囊控制器SRS，通過(guò)SCA上集成的網(wǎng)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)與其它模塊的信息交互。

例如：當(dāng)左轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，MSF采集該信號(hào)后發(fā)至Cabin CAN，SCA負(fù)責(zé)控制左前轉(zhuǎn)向燈并將開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送至CGW，CGW再將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至Exterior CAN，SCH接收到該信號(hào)后控制左后轉(zhuǎn)向燈。

圖3為中央控制器SCA的系統(tǒng)框圖：

中央控制器SCA電路板具有電源模塊、開(kāi)關(guān)采集模塊、高邊驅(qū)動(dòng)模塊、CAN模塊、LIN模塊等，實(shí)現(xiàn)組合燈（近光燈、遠(yuǎn)光燈等）、柜燈、標(biāo)識(shí)燈等燈光開(kāi)關(guān)的采集和相應(yīng)的控制，通過(guò)CAN、LIN實(shí)現(xiàn)同后控制器等的通信。

圖4為中央控制器SCA的軟件流程：

1.2 動(dòng)力域

車(chē)輛控制器VCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器MCM、變速箱控制器TCM、緩速器控制器RCM等構(gòu)成了動(dòng)力域的大體框架。動(dòng)力域包含了整車(chē)核心動(dòng)力部分，主要關(guān)注點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)型和變速箱的傳功效率上。車(chē)輛控制器（VCU）作為動(dòng)力總線的主控單元，變速箱擋位選擇開(kāi)關(guān)（GSM）通過(guò)LIN連接到了VCU，發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板則通過(guò)硬線連接到了VCU上，其它信息（如自適應(yīng)巡航，緊急制動(dòng)等）則通過(guò)CAN信息傳輸。VCU通過(guò)硬線和發(fā)動(dòng)機(jī)總線（ECAN）收集發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、緩速器、制動(dòng)等工作信息，并通過(guò)內(nèi)部邏輯加以運(yùn)算，最后輸出（CAN信息或電磁閥控制），實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力域的控制，TCM和RCM已接近一個(gè)執(zhí)行器。VCU作為動(dòng)力域的主控單元，也為將來(lái)的功能擴(kuò)展（如主動(dòng)制動(dòng)、節(jié)油等）打下了基礎(chǔ)。

圖5為車(chē)輛控制器VCU系統(tǒng)框圖：

車(chē)輛控制器由電源模塊、MCU模塊、CAN模塊、LIN模塊、高驅(qū)模塊、低驅(qū)等模塊組成，實(shí)現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器等的控制，通過(guò)CAN和LIN總線實(shí)現(xiàn)同外部的通信。

1.3 底盤(pán)安全域

底盤(pán)安全域由底盤(pán)段和安全制動(dòng)2大模塊組成。后控制器SCH主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)底盤(pán)段與骨干網(wǎng)的信息交互。后控制器（SCH）連接后部燈光、傳感器和電磁閥，電源直接通過(guò)后部配電實(shí)現(xiàn)，中央網(wǎng)關(guān)和后部模塊之間只有CAN線連接，增加了線束的可靠性。

EAPU采用獨(dú)立的LIN與儀表（ICUC）相連，當(dāng)總線故障時(shí)，起到冗余備份作用，直接把事關(guān)整車(chē)安全的氣壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x表上并顯示出來(lái)。

SCA和后控制器SCH之間有備份總線，當(dāng)其中的Cabin CAN或Exterior CAN出現(xiàn)故障時(shí)，冗余總線立即被激活，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)Cabin CAN或Exterior CAN繼續(xù)得以傳輸。

EBS等安全段上的模塊涉及整車(chē)安全制動(dòng)，主要功能有主動(dòng)/被動(dòng)剎車(chē)、隨動(dòng)轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)等駕駛輔助系統(tǒng)，并且由于EBS等模塊直接關(guān)乎駕駛員的生命安全，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，后果十分嚴(yán)重，因此冗余技術(shù)的應(yīng)用十分關(guān)鍵。例如，比例繼動(dòng)閥AFEV、橫擺角速度傳感器YAWS、EBS電磁閥AREV都含備份總線，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)啟用備份總線，確保了整車(chē)的安全性。

圖6為后控制器SCH系統(tǒng)框圖：

SCH控制器采集開(kāi)關(guān)、傳感器信號(hào)及接受CAN總線信號(hào)，通過(guò)控制器內(nèi)部邏輯處理、判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部負(fù)載如車(chē)燈、執(zhí)行器等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)集成CAN、LIN通信功能。

1.4 信息管理域

信息管理域主要功能就是實(shí)現(xiàn)整車(chē)信息的采集，方便用戶實(shí)時(shí)觀察到整車(chē)的狀態(tài)。主控單元組合儀表ICUC與動(dòng)力總線和制動(dòng)總線直接通訊，并將所需顯示的信息和報(bào)警符號(hào)顯示在儀表上，并將相關(guān)故障信息轉(zhuǎn)給TCO。TCO記錄車(chē)輛參數(shù)及行駛信息、故障信息。駕駛輔助系統(tǒng)VRDU控制車(chē)道偏離系統(tǒng)，包括攝像頭、總線信號(hào)的采集處理和報(bào)警提示信號(hào)的輸出。

2、結(jié)束語(yǔ)

總線負(fù)載率促使我們必須對(duì)整車(chē)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)分，由原先的一條網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展到本發(fā)明的多域多總線的結(jié)構(gòu)（動(dòng)力域、底盤(pán)與安全域、車(chē)身域和信息娛樂(lè)域），在降低總線負(fù)載和清晰職能的同時(shí)，也為將來(lái)電子電氣系統(tǒng)的發(fā)展預(yù)留了較多擴(kuò)展空間，某些新增節(jié)點(diǎn)甚至可以直接掛到上述域中。同時(shí)大大提高了整車(chē)的安全性能，即使車(chē)身域或信息管理域出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響整車(chē)的正常行駛。

VCU并不是一個(gè)孤立的網(wǎng)關(guān)，它作為動(dòng)力系統(tǒng)的主控單元，通過(guò)編程完成了整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制，包括：整車(chē)能量扭矩的協(xié)調(diào)控制、整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理、換擋管理、智能駕駛、故障診斷處理、車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)視和控制，使得各部件控制器成為獨(dú)立的執(zhí)行器，分工更為明確，執(zhí)行效率更高并且減少了動(dòng)力系統(tǒng)的變更、優(yōu)化的難度及工作量，縮短了新車(chē)型開(kāi)發(fā)周期，提高了整車(chē)電子電氣的平臺(tái)化通用化，同時(shí)也為將來(lái)動(dòng)力方面的技術(shù)擴(kuò)展留下了伏筆。

[1]葉強(qiáng)生，陳書(shū)名.CAN總線在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息.2008.

[2]藺春明，孫永峰，俞燚.商用車(chē)車(chē)載CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù).2013.

[3]羅峰,孫澤昌.汽車(chē)CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2011.

[4]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

A high-end heavy truck network architecture

Cheng Jinfeng, Lin Chunming, Li Pan, Lin Guogan, Zhang Shaoyu
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

CAN BUS is an important consist of vehicle network. It has been applied to power system and body system of vehicle widely.With the development of vehicle electronic, the number of ECU increased rapidly, even more than 30 in some high-end vehicle. Traditional centralized network architecture could not accord with the demand owing to the limitation of Busload. Distributed architecture provided in this article can make up the vice of Busload and security.

CAN BUS; Network Architecture; Busload; Distributed

U463.6

A

1671-7988(2015)04-07-04

成金峰，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心電氣部。