某乘用車網關通信設計及測試

岳意娥 范志容 蘇芮琦

摘要：隨著汽車電子技術的發展，車上的電子系統越來越多，需要共享并相互傳遞大量的信息，傳統的布線已不能滿足要求，汽車總線技術成了解決這些的關鍵技術。整車網絡結構越來越復雜，為了保證整車網絡的正常運行，網關作為“橋梁”產生并大量應用。本文介紹了網關的通信設計，包含路由模式，信號路由，路由策略等，并在某車上進行了應用，最終通過仿真、測試驗證了該網關通信設計的正確性。

關鍵詞：網關;路由

隨著社會對汽車節能、環保、安全要求的日益嚴格以及人們對乘坐舒適性、駕駛便捷性要求的日益提升，電子化、信息化、網絡化和智能化成為汽車產品先進性的重要體現。據統計，汽車上70%的創新來源于汽車電子技術的應用^[1]，現代汽車上傳統的電器部件逐步變為電子化控制，車上的電子系統越來越多，在這些電子設備中，需要共享并相互傳遞大量的信息，按照傳統的布線方式將導致車身限速龐大且復雜，安裝空間緊缺，運行可靠性降低，故障維修難度增大，線速系統的成本高，因此汽車總線技術成為解決這些的關鍵技術。

為了滿足不同的系統需求，整車往往采用多種總線形式，如CAN、LIN、MOST、Flexray等。各類總線的傳輸速率不同，應用場合也不同，如LIN總線傳輸速率通常小于20 Kh/s，主要用于電動車門鎖，車窗和后視鏡等設備;CAN總線傳輸速率通常小于1 MKh/s，主要用于車身控制、舒適系統;MOST總線傳輸速率高達500 Mh/s，主要用于多媒體設備、高速數據流傳輸的高性能網絡;FlexRay總線傳輸速率高達20 Mb/s，主要用于車輛底盤控制系統。

由于汽車電子的大量運用，車輛上的控制器越來越多，交互信息的增加，網絡結構也從單一網段逐步發展到復雜網段的形式;同時多總線形式的應用，均導致了車載網關的產生。網關作為整車網絡的橋梁，是整車網絡的核心。本文介紹了網關的通信設計，包含路由模式，信號路由，路由策略等，并在某乘用車上進行了應用，最終測試驗證了該網關通信設計的正確性。

1 網關的通信設計方法

網關將報文分組從一個網段路由到另一網段的設備，是網絡互連設備的一種。對于采用多種總線形式的整車，網關還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。網關的每個網段接口均必須滿足該網段的所有網絡標準要求，包含通信，網絡管理，診斷等。

網關的通信設計包含網段接口、路由模式、發送方式、變更標識符、路由策略、路由時間等，下面一一進行闡述。

1.1網段接口

網關所具有的網段接口個數，網絡接口的總線類型根據具體的車型的網絡拓撲決定。如圖1拓撲示意圖中的網關，具有4個網段接口，其中3個CAN接口，1個LIN接口。

1.2路由模式

路由模式有報文路由和信號路由兩種。

1.2.1報文路由

報文路由，如圖2所示，是指網關從源網段接收到需要路由的報文后，直接將其轉發到月標網段，而不作任何更改。報文路由方式存在兩種情況：一種是采用相同的協議，相同的格式（如相同的ID，數據等），另一種采用不同的協議或者傳輸速率。

報文路由模式一般在網關的底層程序就可以實現，無需上層應用程序支持，因此可大幅降低網關的處理時間。對于實時性要求較高的信號，或者整幀報文均需要轉發，一般采用報文路由模式。

1.2.2信號路由

信號路由是指網關可以根據需要提取不同報文的信號，重組成一個新的報文并轉發到目標網段，而且網關能夠更改新報文的發送方式和發送周期。

信號路由模式可以提高報文數據場的利用率，降低目標網段的網絡負載，但會增加網關的處理時間。對于實時性要求不高的信號，或者兩個系統接口問均無法更改的時候，一般采用信號路由模式。

信號路由存在以下幾種情況：

1）重新封裝（Repackage）：一幀中的信號轉發到另一個網段的一個或者多個幀中，數據只是重新封裝，沒有調整，如圖3所示：

2）組裝（Assemhle）：來自一個網段上的兩幀或多幀的信號（這些幀可能來自不同的控制器），重新組合成一幀發送到另一個網段。數據沒有調整，但是排列進行了調整。如圖4所示。

3）組裝&重新封裝（Assemhle&Repackage;）：組裝和重新封裝的結合，信號來自一個網段上不同幀，封裝到兩個或者更多幀中，并發送到另一個網段，如圖5所示：

4）其它信號路由方式：網關修改傳輸的數據（精度、范圍等），如圖6所示。或者利用現有的數據合成新的數據，如接收輪速信號計算平均輪速。這種方式應用較少，當兩個系統之間的接口不能改變時采用。

1.3發送方式

1.3.1報文路由發送方式

報文路由的發送方式是事件傳輸。該傳輸模型允許網關從源網絡接收傳人的消息，并以最小的延遲傳輸到另一個網段，在該網絡上的傳輸也是周期性的。

1.3.2信號路由發送方式

1）周期發送

該傳輸模型允許網關定期從源網絡接收傳人的消息，并重新封裝到另一網段上規定的周期報文。這種發送方式存在的風險就是，如果目標報文在源報文到來前剛剛發出，那么該源信號的傳輸就會存在延時（目標報文的周期）。

如果源信號是周期發送，信號路由方式采用周期發送。

2）事件發送

該傳輸模型允許網關接收源網段的事件報文，并立即轉發到另一個網段上。該種發送方式需要設定一個轉發報文的最小時間間隔。如果很小時間段內連續發生事件，轉發的報文必須延時或者推遲最小時間間隔再發送。

如果所有的源信號均是事件型，則信號路由采用事件發送。

3）周期事件

周期事件是周期發送和事件發送的結合，當沒有事件發生時，網關周期接收源報文，并重新封裝到另一網段規定的周期報文中。當事件發生時，該發送模式可以使得對事件進行快速響應。

如果源信號既有周期發送、也有事件發送，或者源信號的周期小于目標報文的周期，則采用周期事件發送。

1.4變更標識符

在網關轉發報文過程中，如果被轉發的報文ID與目標網段的報文發生標識符沖突，則需要變更標識符。不同網段分配不同的標識符可以避免此類事情發生。

另外，不同協議之間也需要進行ID的變更。

1.5路由時間

路由時間指網關接收到路由對象到轉發到目標網段的時間，用于約束網關的開發。

2 某整車網關的通信設計

某整車網絡控制器數量多，發動機管理系統、變速箱控制器、車身控制器、儀表等;且信息交互量數據大，因此該乘用車采用雙網段的總線結構，網段之間使用一個網關來實現兩個子系統的信息交互，主要包括：發動機轉速，發動機冷卻液溫度，車速等。整車網絡拓撲示意圖如圖7所示。

整車網絡有兩個CAN網段，均采用ISO11898協議，通信速率均采用500kbit/s。因此該車載網關只需要進行信號的轉發，無需實現協議的匹配。

2.1網段接口

該車型的網關具有2路CAN接幾。

2.2路由設計

經統計，某乘用車上需要網關轉發的信號共有63個。根據各控制器對于信號的需求，對需要網關轉發信號的路由模式進行設計，最終將設計結果形成路由表，如表1所示。表2是某乘用車的部分信號路由表。

部分設計舉例如下：

1）車速信號是一鍵啟動系統下電的關鍵信號之一，因此采用報文路由的形式。

2）所有給儀表的報警信號，來自很多不同的控制器，每個信號長度短，如果均采用報文路由的形式，將較大地增加整車網絡負載;同時這類信號的實時性要求不高，因此采用信號路由的形式。

3）因為該車型只有兩個網段，所以主要采取的是組裝形式的信號路由方式。

2.3路由策略

采用信號路由方式的信號，網絡正常時，網關轉發的信號均是來白源節點的真實值。但是當網絡異常時，會帶來新的問題。

如表2中所示的信號，EMS_EngCoolantTemp來白EMS的0x306報文，ESC_ESCAlarmSig來白ESC的0x328報文，網關在另一網段將這兩個信號重新組裝放在了同一個報文0x315中。當ESC通信正常、EMS通信丟失時，網關接收不到0x306報文時，而網關在目標網段報文仍會發出0x315報文。此時網關轉發的EMS_EngCoolantTemp的值并不是當前的真實值。但是接收0x315報文的節點并不知道此時狀態，用這個值進行處理也許會帶來新的問題。

由于接收節點對于信號丟失的處理方式不同（采用無效值，初始值或替代值等），故無法由網關直接采用某一種值進行處理。因此在該車型中首次提出了節點監測功能，并通過一個信號將節點的當前通信狀態反饋出來，該信號的定義如表3所示。當EMS通信丟失時，網關將LostToEMS置為1，接收方同時接收這個信號，在進行處理時結合這個信號進行判斷以解決因信號路由帶來的問題。

3 某整車網關的通信設計仿真

CANoe是德國Vector公司開發的分布式系統設計、仿真、測試、評估的強大工具，它能支持總線開發的整個過程，是本測試系統的核心。該工具提供了整個開發流程各階段的專業功能，包括通信協議數據庫的創建和修改、建模、仿真、功能測試、診斷和分析^[2]。利用CANoe對網關通信設計結果進行仿真，對網關通信設計進行驗證。

3.1仿真系統的構建

利用CANne，根據整車通信網絡信號矩陣，編制相應的數據庫，以便用于測試。

在CANne環境下，添加數據庫，將網絡上的節點自動生成，如圖8所示。

3.2仿真方法

利用CAPL編程，當其他節點發送報文/信號時，網關接收，按照沒計進行處理后發出。觀察結果判斷網關通信設計的正確性。

例如，O0x210報文采用報文路由的形式從P-CAN轉發到B-CANt。編制如下程序，運行后觀察網關是否正確轉發報文。當收到來自CAN2（ P-CAN）的0x210報文，是否轉發到CAN1（ B-CAN）上。

on message CAN2.0x210

{message CAN1.0x210 msg;

if（this.dir！= rx） return;

msg= this;

output（msg）;}

3.3 仿真結果

利用CANne中CAPL編程，實現網關信號路由功能，驗證了網關路由的正確性。

4 某整車網關的通信測試

在系統開發過程中，需要對網關通信進行測試，驗證網關通信設計以及實現的正確性。

根據網關的通信設計，網關通信測試包含以下內容：

1）路由模式的測試：測試報文路由和信號路由是否按照要求進行;

2）信號路由正確性測試：信號值是否按照要求正確轉發;

3）信號路由時間測試：信號路由時間是否滿足設計要求;

4）路由策略測試：網關是否按照要求進行處理，包含節點監測機制。

4.1 測試類型

測試共包含單元測試、臺架測試、實車測試。

單元測試：整個測試環境主要由網關、穩壓電源和CANoe軟硬件模塊等幾部分組成，除了網關，其他的節點均是FHCANoe工具虛擬而成。需要轉發的報文/信號均采用模擬。

臺架測試：通過搭建整車網絡臺架，將網絡節點的實際樣件均接人，對網關進行測試。實車測試：裝配好的實車上，對網關進行測試。

4.2測試方法

臺架測試和實車測試網關轉發的是來自其他節點的真實值。單元測試中則需要通過節點配置，增加一個交互式的節點，將需要路由的報文添加到節點中，模擬信號路由，并為信號設置觸發方式，模擬信號變化。

1）路由模式

運行后通過Trace窗口觀察網關的轉發情況，是否滿足路由模式的設計。

2）路由正確性測試

利用Craphic工具，將源信號和目標信號調出，觀察網關路由的正確性。

3）信號路由時間測試

測試方法同信號路由正確性測試，在Craphic界面，將源信號和目標信號調出，利用工具測量信號間的延時。

4）路由策略測試

模擬節點通信丟失，觀察網關是否按照設計的路由策略實現。

4.3測試結果

對網關的通信進行了測試，以下列出部分單元測試結果。

信號值正確性：模擬“空調的環境溫度信號”發送，利用Craphlc，觀察所得目標信號值跟隨源信號值變化，滿足設計要求。

利用Craphic中測量工具進行測試，測得的結果是△t=8.7ms（ <10ms），滿足設計要求。

5 結論

隨著汽車電子的大量運用，車載網絡的復雜化，網關在汽車上應用越來越多。網關作為整車網絡的橋梁，是整車網絡的核心。本文介紹了網關的通信設計，包含路南模式，信號路由等，在某乘用車上進行了應用，并首次提出節點監測機制，最終通過仿真以及測試驗證了該網關通信設計的正確性。該車輛已量產，從目前的實際情況也驗證了網關通信設計的正確性，

參考文獻：

[1]陳光前，汽車電子技術的發展及應用，湖北汽車工業學院學報，2010年6月，第24卷第2期

[2]神紅玉、宋錦剛、宋錦明，基于CANoe的高性能網關測試系統的構建，工業控制計算機，2010年，第23卷第8期