一種開放式可擴展的車載電腦公共平臺系統

熊厚德+柳郁松

摘 要：該文提出了一種開放式可擴展的車載電腦公共平臺系統：車載電子處理單元（EPU）系統，該平臺系統采用CAN網絡和EtherCAT網絡并通過公共網絡通訊協議，把各擴展功能模塊連接成一個完整的系統，從而實現不同廠家、不同品牌、不同功能的擴展功能模塊的互連和數據共享、資源共用，通過對不同的擴展功能模塊的增減或替換，可提升車載電子處理單元系統的性能、實現各種不同的功能。

關鍵詞：車載電子處理單元（EPU） CAN網絡 EtherCAT網絡 擴展功能模塊

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0154-04

隨著汽車工業與電子工業的不斷發展，各種車載電子產品越來越多地進入到汽車里，從而提高了汽車的智能化程度和乘車的舒適性。然而由于沒有統一的平臺接口，使得這些車載電子產品沒有通用性和兼容性，也無法方便實現對產品的維修升級。為此，我們首次提出了車載電子處理單元（EPU，Electronic Processing Unit）的概念，EPU實際就是一臺開放式可擴展的車載電腦公共平臺，但它有別于普通的車載電腦，EPU只集成了基本硬件功能和系統操作平臺，其他外圍電子產品（如倒車攝像頭等）作為擴展功能模塊掛接在EPU擴展的CAN網絡或EtherCAT網絡上，并通過開放式的通信協議，將這些外圍擴展功能模塊與EPU組成一個完整的車載電子處理單元系統，從而實現數據互用、資源共享。車載電子處理單元公共平臺的開放性和可擴展性體現在各擴展功能模塊以及各種軟件的自由添加更換，它允許第三方，包括汽車擴展功能模塊制造商在其上開發軟件或硬件產品，以提供更加豐富，更為強大，更加實時的功能和特性。

1 車載電子處理單元系統總體結構

車載電子處理單元系統主要是由車載電子處理單元（EPU）、CAN網絡和EtherCAT網絡組成，其系統總體結構如圖1所示。其他可擴展、可增減的擴展功能模塊通過CAN網絡或EtherCAT網絡與車載電子處理單元（EPU）連接，組成一個完整的車載電子處理單元系統。

1.1 車載電子處理單元（EPU）

車載電子處理單元（也稱為基本系統）是車載電子處理單元系統中的核心部件。車載電子處理單元（EPU）包括主控制板、電源、觸摸液晶顯示器和揚聲器幾部分。主控制板以中央處理器（CPU）為核心，集成了基本的硬件功能模塊，包括DDR3存儲器、FLASH存儲器、固態硬盤、擴展了USB接口、OTG接口、SD卡、標準RJ45接口，并內置了WIFI模塊、藍牙模塊、麥克風、AM/FM收音模塊、GPS模塊和蜂鳴器，同時還擴展了OBD-II接口以及以太網接口和CAN總線接口。主控制板通過OBD-II接口與電子控制單元（ECU）連接，以獲取汽車運行和故障數據。因此，車載電子處理單元（EPU）已在汽車上實現了基本的車載電腦功能，通過在其上安裝相應的公共軟件系統，可實現如：GPS導航、影音播放、AM/FM收音以及車載辦公等功能。

車載電子處理單元主控制板采用了CortexTM-A9架構的飛思卡爾i.MX6Q四核處理器芯片作為主處理器。i.MX6Q是飛思卡爾新推出的一款汽車級的處理器芯片，專用于車載娛樂系統。它基于ARM CortexTM-A9架構，40nm工藝制程，最高運行頻率可達1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。處理器內部為64/32位總線結構，32/32KB一級緩存，1M二級緩存，可以實現12000DMIPS（每秒運算12億條指令集）的高性能運算能力，并自帶3D圖形加速引擎，88M的圖像多邊形生成率，像素填充率為1.066G 像素/秒，2D圖形加速，最大支持4096x4096 pixels分辨率。視頻編碼支持MPEG-4/H.263/H.264，達到1080p@30fps，解碼MPEG2/VC1/Xvid等視頻達到1080p@30fps，支持高清HDMI TV輸出。

1.2 車載電子處理單元系統的CAN網絡

對于數據通訊量較小、成本要求較低、實時性要求較高的擴展功能模塊（如超聲波倒車雷達、中控鎖模塊、胎壓監測模塊、防盜防劫持報警模塊、遙控接收等功能模塊），車載電子處理單元（EPU）通過CAN總線接口與它們相連接，組成CAN網絡；CAN網絡的數據傳輸速率在1Mbps以下。

⑴CAN網絡的特點

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，可以歸屬于工業現場總線的范疇，通常稱為CAN bus，即CAN總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領域上的應用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。

CAN總線的特點：

●多主機方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活；

●網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級，可以滿足不同的實時要求；

●采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據；

●可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數據；

●直接通信距離長；

●抗干擾能力強；

●采用總線結構組網，可掛接多個節點，接口簡單；

●采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個；

●每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數據出錯率極低；

●通信介質可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求；

●節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。

⑵車載電子處理單元的CAN總線接口

如圖2所示是車載電子處理單元（EPU）的CAN總線接口，該接口采用ISO1050芯片，它是一款隔離型的CAN總線驅動器，可提高CAN網絡抗干擾能力。

⑶擴展功能模塊的CAN總線接口

如圖3所示是擴展功能模塊的CAN總線接口，CAN總線接口電路是由CAN總線收發器MCP2515芯片和CAN總線驅動器ISO1050芯片來實現。圖中功能電路是指實現某個具體功能的電路，CPU控制功能電路的運行，獲取功能電路的實時數據，并通過CAN網絡實現與其他模塊的通訊。

1.3 車載電子處理單元系統的EtherCAT網絡

對于數據通訊量較大、處理能力較強、實時性要求較高的擴展功能模塊（如倒車攝像頭、行車攝像頭、車內攝像頭、數字功放、數字電視、GSM模塊、3G模塊、4G模塊、CD/DVD播放器、汽車黑匣子等功能模塊），車載電子處理單元（EPU）系統通過EtherCAT實時以太網接口與它們相連接，組成EtherCAT網絡。EtherCAT網絡的數據傳輸速率可達到100Mbps，且實時性高。車載電子處理單元用作EtherCAT的主站，而各擴展功能模塊作為從站掛接在EtherCAT網絡上。

⑴EtherCAT網絡的特點

EtherCAT是一種實時工業以太網技術，它充分利用了以太網的全雙工特性。使用主從模式介質訪問（MAC），主站發送以太網幀給各從站，從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀中。主站使用標準的以太網物理層器件，從站使用專用EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。

EtherCAT的主要特點：

●通信方式靈活，可實現主/從、從/從通訊；

●通信周期短，實時性高；

●通訊實時性采用分布時鐘機制實現，同步時間快；

●可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播等多種傳送方式接收數據；

●直接通信距離長；

●通信速率為100Mb/s；

●可掛接節點數量多；

●兼容TCP/IP。

從以太網的角度來看，一個EtherCAT網段就是一個以太網設備，它接收和發送標準的ISO/IEC8802.3以太網數據幀。但是，這種以太網設備并不局限于一個以太網控制器及相應的微處理器，它可由多個EtherCAT從站組成，如圖4所示是一個非冗余的EtherCAT網絡。這些從站可以直接處理接收的報文，并從報文中提取或插入相關的用戶數據，然后將該報文傳輸到下一個EtherCAT從站。最后一個EtherCAT從站發回經過完全處理的報文，并由第一個從站作為響應報文將其發送給主站。

⑵車載電子處理單元（主站）的EtherCAT網絡接口

EtherCAT主站使用標準的以太網控制器，如圖5所示。通信控制器完成以太網數據鏈路的介質訪問控制（MAC，Media Access Control）功能，物理層芯片PHY是實現數據編碼、譯碼和收發，它們之間通過一個MII（Media Independent Ineterface）接口交互數據。MII是標準的以太網物理層接口，定義了與傳輸介質無關的標準電氣和機械接口，使用這個接口將以太網數據鏈路層和物理層完全隔離開，提高通信的可靠性。因此，車載電子處理單元作為EtherCAT網絡的主站，i.MX6Q CPU已集成了以太網通信控制器芯片和MII接口，可以與PHY直接連接。

⑶擴展功能模塊（從站）的EtherCAT網絡接口

擴展功能模塊作為EtherCAT從站設備，需要實現EtherCAT通信和應用控制兩部分電路，如圖6所示，其硬件結構主要由物理層器件、從站控制器ESC 、CPU和相應功能電路四部分組成。其中，從站物理層包括PHY芯片和光纖接口電路；從站通信控制器芯片ESC負責處理EtherCAT網絡通訊，并使用雙端口實現與EtherCAT主站或其他從站的數據通信，從站CPU可直接從ESC讀取控制指令或讀寫數據，因此，EtherCAT網絡與從站CPU響應時間無關，從站CPU性能選擇取決于功能模塊的控制任務需求，可以使用8位、16位的單片機及32位的高性能CPU，功能電路是指擴展功能模塊的具體實現電路，它與從站CPU相連并直接由CPU負責控制操作。

2 車載電子處理單元系統通訊協議

由EtherCAT數據幀結構可知，EtherCAT子報文數據域長度為32～1486 字節，此長度作為車載電子處理單元系統應用層協議定義的范圍，如圖7所示是EtherCAT網絡應用層協議的基本格式，格式先定義了11位數據長度、并預留了1位保留位、4位數據類型，這三部分共計16位，占用2個字節，接著是8位功能碼，剩余為數據域，其最大可使用字節長度為1486-3=1483字節。

在CAN 2.0B總線協議規范中， 定義了一種具有29位標識符ID的擴展幀格式。電子處理單元系統的CAN網絡使用這種擴展格式數據幀，并對CAN報文的29位標識符ID和8字節數據域做出了具體定義。其中，標識符ID 定義為ID28為1位保留位，ID27-ID20為8位目的地址，ID19-ID12為8位源地址， ID11-ID8為4位數據類型，ID7-ID0為8位功能碼，數據域第一字節分為三部分：先定義2位的段標識，接著是3位保留位，再是3位數據長度，第2字節為8位分段編號/數據，根據段標識的不同，該字節可作為段編號或數據使用，后48位（共6字節）為數據，這樣每幀最多可傳送7字節的數據。由于分段編號占用8位，最多可分256段，而分段數據每幀最多可傳送6字節，這樣CAN報文數據長度最多為6*256=1536字節，大于EtherCAT網絡單幀傳送數據最大值1483字節，從而解決了EtherCAT網絡與CAN網絡數據互傳的問題。

3 車載電子處理單元系統軟件設計

車載電子處理單元系統軟件設計分為車載電子處理單元、EtherCAT網絡和CAN網絡擴展功能模塊三種類型。其中，車載電子處理單元操作系統使用Linux3.0.35+QT4.8.5，并首先移植了IGH開源源碼ethercat-1.5.2主站協議棧，再按車載電子處理單元系統通訊協議要求設計通訊程序、系統界面和應用程序。各擴展功能模塊根據實際功能需求選取相應性能CPU芯片，并按車載電子處理單元系統通訊協議要求設計通訊程序和相應功能設計應用程序。

4 結語

該文提出了一種開放式可擴展的車載電腦公共平臺系統：車載電子處理單元（EPU）系統，它規范了車載電子產品的連接接口和通訊協議，結束車載電子產品五花八門，雜亂無章的局面，并為汽車電子工業提供了全新的商機和更加廣闊的發展空間，對未來汽車的發展和汽車電子工業的發展具有積極的推動作用，車載電子處理單元（EPU）系統項目在實際實施中取得了良好的效果。

參考文獻

[1] 郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007，29（11）：79-82.

[2] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3] 鐃運濤，王進宏.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.