某插電式混合動力汽車網絡架構及網關設計*

楊朝陽 阮海庭 殷春風 易琨

（1.湖北汽車工業學院；2.神龍汽車有限公司技術中心）

隨著電氣化的發展，汽車傳感器和控制器的應用越來越多。使用傳統的LIN 和CAN 總線，在速率上不能滿足要求；在架構上拓撲結構也越來越復雜，從而提高了總線負載，降低了數據信息的實時性，威脅行車安全[1]。傳輸速率更高的FlexRay 總線和實時以太網近年來在汽車領域開始引起廣泛關注。實時以太網雖然傳輸速率高，但在汽車動力總線方面尚無完善的協議標準；FlexRay 總線已發展多年，協議標準相對完善，相關研究也有一定進展。文獻[2]研究了CAN-FlexRay網絡的數據轉換，完成了簡單的試驗驗證，文獻[3]完成了2 MB/s 速率的FlexRay 通信并應用于汽車發動機故障診斷系統。文章針對PHEV 車型的特點，設計了CAN/FlexRay 混合網絡架構，以及對應的車載網關，設計符合汽車產品級別的工程要求。

1 網絡架構設計

1.1 需求分析設計

插電式混合動力汽車（PHEV）車型不同于普通的燃油汽車，需要發動機和動力電機協同工作，且有很高的速率和時效要求，要求數據安全可靠。某PHEV 車型在搭載三路500 KB/s 的高速CAN 總線的前提下，總線負載率仍高達40%，而一般產品要求CAN 總線負載在30%以下。故僅搭載CAN 總線，在通信速率、總線負載及架構上都無法滿足整車高速通信的要求。

FlexRay 總線在數字數據傳輸速度方面可以達到單信道10 MB/s，同時其非冗余雙信道架構還可以在每條信道上傳輸不同的數據進而將通信速率提高至20 MB/s，并且由于FlexRay 的靜態段通信采用時分多址（TDMA）的通信形式，每個節點在規定的時間發送和接收數據，數據具有確定性。

故考慮在整車上加入FlexRay 網絡，提升傳輸速率，降低CAN 總線負載。因此，汽車上會既有CAN 網絡也有FlexRay 網絡。2 個網絡之間的數據不能直接對應，需要通過特定設備進行協議轉換才能通信，這就需要網關來實現[4]。

1.2 網絡架構設計

該PHEV 車型中接入網絡通信的模塊眾多，其中，負責發動機控制的CMM，變速箱控制的TCU，電機控制的ERAD，三者實時性要求高，使用FlexRay 網絡通信，其他控制器利用三通道CAN 網絡進行通信，分別為CAN_HS1，CAN_HS2，CAN_HYB。網關除了具有數據處理轉發管理功能外，還具有整車診斷、標定、程序在線刷新及驅動特定硬件的功能。圖1 示出某PHEV車型混合網絡架構圖，其中VCU承擔網關功能。

1.3 CAN總線網絡設計

CAN 總線有3 個通道，分別為CAN_HS1，CAN_HS2，CAN_HYB，速率均為500 KB/s。其中，CAN_HS1 上的節點有AAS，DC-DC，BSI，EBB，ERAD，CMM；CAN_HS2 上 的 節 點 有 BSI，EBB，CMM；CAN_HYB 上的節點有DC-DC，ERAD，CMM。CAN 網絡遵循CAN 2.0B 協議規范設計，圖2 示出CAN 網絡結構。

圖2 CAN網絡結構顯示界面

1.4 FlexRay總線網絡設計

FlexRay 網絡通信單元有CMM，VCU，TCU，ERAD。對于FlexRay參數的設定，通信速率為10 MB/s，使用單通道（Channel A），只使用靜態段，靜態時槽（Slot）為76個，1 個循環的周期（Cycle） 為5 ms，宏時間拍（Macrotick）為2 μs，數據載荷長度（PayloadLength）為8 word。FlexRay 網絡遵循V2.1 Reva 協議規范設計[5]。圖3 示出FlexRay 網絡結構。圖4 示出FlexRay TDMA結構。

圖3 FlexRay網絡結構顯示界面

圖4 FlexRay TDMA結構顯示界面

2 網關VCU設計

2.1 硬件選型和設計

硬件方面，選用Infineon AURIX TC265 主控芯片設計外圍電路制成系統板作為網關VCU 硬件。TC265有2 個TriCore 內核，每個內核的時鐘頻率最高可達300 MHz。該產品系列可配備一個包含2 個專用信號處理單元（SPU）的新型處理子系統、支持千兆以太網等最新通信接口、提供附加CAN FD 和LIN 接口，以及面向外部閃存的eMMC 接口，TC265 芯片符合車載網關硬件功能的選型要求。圖5 示出TC265硬件平臺架構。

圖5 TC265硬件平臺架構顯示界面

2.2 軟件設計

網關VCU軟件相關驅動程序通過Infineon 提供的BaseFramework 集成環境和iLLD 底層驅動，運用High-Tec 軟件開發。

底層驅動主要完成了系統時鐘、中斷配置及IO，ADC，PWM配置，CAN收發驅動和緩沖區配置，FlexRay收發驅動和緩沖區配置，報文解析轉發策略。

中間層主要完成底層接口與應用層接口的對接、CAN 協議集成、FlexRay 協議集成、標定和故障診斷功能的實現。

復雜驅動部分主要是冷卻水泵和閥門等執行器的控制程序。庫函數部分主要是XCP，UDS 等功能的庫函數文件。

應用層使用MATLAB 軟件開發。設計功能包括網絡狀態管理、VCU 休眠與喚醒、發動機啟停、駕駛模式、混動模式切換、動力系統激活/啟動等。通過搭建MATLAB/Simulink 模型，進行參數關聯、數據管理等配置后，生成嵌入式代碼和標定A2L 文件[6]。圖6 示出不同駕駛模式下轉矩需求模塊Simulink 模型。

圖6 不同駕駛模式下轉矩需求模塊Simulink模型顯示界面

最后將各層代碼集成，聯合調試編譯。通過Bootloader 軟件刷寫到VCU硬件中[7]。圖7 示出軟件架構框圖。

圖7 網關VCU軟件架構框圖

3 網關VCU測試

3.1 網關功能測試

硬件方面，使用某公司的VN7600 作為CAN 和FlexRay 的收發監控設備。網關VCU 接入3 個網絡，其中2 個500 KB/s的高速CAN網絡（CAN_HS1，CAN_HS2），1 個10 MB/s 的FlexRay 的網絡。VN7600通過USB 與電腦連接[8]。圖8 示出網關測試時各硬件連接架構。

圖8 網關VCU功能測試連接架構圖

3.2 試驗結果

3.2.1 CAN 報文轉FlexRay 報文測試

圖9 示出CAN 報文轉FlexRay 報文測試結果。從圖9 可以看出，網關VCU 接收ID 為0x155 的CAN 報文后，把接收到的數據在FlexRay 網絡中下一個Cycle的Slot7 的前8 個字節發出。

圖9 CAN 報文轉FlexRay報文測試結果顯示界面

3.2.2 FlexRay報文轉CAN報文測試

圖10 示出FlexRay報文轉CAN報文測試結果。從圖10 可以看出，FlexRay 網絡的Slot2 數據，通過網關VCU 接收后，把接收到的16 個字節的FlexRay 數據的前8 個字節以ID 為0x260 的CAN 報文發出，后8個字節以ID 為0x270 的CAN 報文發出。

圖10 FlexRay報文轉CAN報文測試結果顯示界面

4 結論

文章完成了CAN-FlexRay 混合網絡架構和車載網關的設計與測試。通過在某PHEV 實際車載網關上使用混合網絡架構，實現了：

1）CAN 總線負載率從未添加FlexRay 總線之前的40%降低至24%，大幅降低了低優先級報文的通信時延；

2） 使用10 MB/s 的FlexRay 總線通信的CMM，VCU，TCU，ERAD 相比以前500 KB/s 的CAN 總線，提升了通信速率，使控制和反饋更加及時、精準；

3）網關VCU 能實現報文轉發，保證了CAN 網絡和FlexRay 網絡之間數據交互的實時性和穩定性，以及在長時間工作中的可靠性。

測試結果表明，文章設計的CAN/FlexRay 混合網絡的分布式網絡架構和車載網關符合設計要求，為今后PHEV 和EV（純電動汽車）車型的車載網絡架構提供了新的參考解決方案。