汽車(chē)儀表網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧總體方案設(shè)計(jì)分析

鄒 耀

（重慶矢崎儀表有限公司，重慶 401123）

1 研究背景

汽車(chē)電子在汽車(chē)領(lǐng)域的作用越來(lái)越大，汽車(chē)電子各個(gè)ECU 間通信信息量、數(shù)據(jù)量都是急劇增加，而且各個(gè)ECU的功能越來(lái)越繁雜，這也導(dǎo)致各個(gè)ECU 之間的通信結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的不是傳統(tǒng)的并行通信模式，而是采用了串行數(shù)據(jù)總線的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)中的線束數(shù)量，從而降低產(chǎn)品的的開(kāi)發(fā)成本。

2 協(xié)議棧分析

（1）OSEK/VDX 網(wǎng)絡(luò)管理的主要任務(wù)是保證汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。OSEK/VDX 直接網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能是：在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、總線系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、喚醒和休眠管理、啟動(dòng)硬件。

（2）AUTOSAR 網(wǎng)絡(luò)管理的主要目的是協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行模式和Busoff 模式之間轉(zhuǎn)換傳輸，另外是節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)管理主要由comM 模塊、Nmlf 模塊、其它網(wǎng)絡(luò)管理模塊、其它狀態(tài)管理器模塊共同完成網(wǎng)絡(luò)的管理功能。

（3）SAE J1939 通信協(xié)議是基于CAN 2.0B 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。J1939-81 是J1939 的網(wǎng)絡(luò)管理的一部分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可配置性，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為不可配置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通過(guò)專(zhuān)用工具配置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通過(guò)命令來(lái)配置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、以自配置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)4 個(gè)級(jí)別。

3 方案設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析，結(jié)合本項(xiàng)目主機(jī)廠商的具體要求，我們進(jìn)行了汽車(chē)儀表網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧的總體方案設(shè)計(jì)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c節(jié)點(diǎn)分類(lèi)

在汽車(chē)電源中，根據(jù)ECU 工作時(shí)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，將CAN 網(wǎng)絡(luò)中的ECU 分為兩類(lèi)：I 類(lèi)和II 類(lèi)。

I 類(lèi)：ECU 僅在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)（KL15）和（或）ACC 檔時(shí)工作；II 類(lèi)：ECU 在點(diǎn)火鑰匙為OFF 時(shí)繼續(xù)工作。

如表1 所示，定義了網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的基本參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為8 個(gè)字節(jié)，其ID 的基地址為0x600。

表1 網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文基礎(chǔ)參數(shù)

3.2 網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文中控制場(chǎng)的值，決定了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的類(lèi)型

Ring 報(bào)文、Alive 報(bào)文、LimpHome 報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)場(chǎng)中有標(biāo)識(shí)位來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)參數(shù)定義如表2 中所示：

表2 網(wǎng)絡(luò)管理的基礎(chǔ)時(shí)間參數(shù)

3.3 邏輯環(huán)建立要求

網(wǎng)絡(luò)管理的核心機(jī)制就是如何在網(wǎng)絡(luò)中形成穩(wěn)定的邏輯環(huán)。

如圖1 所示，邏輯環(huán)中的節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自其前趨節(jié)點(diǎn)的Ring 報(bào)文（目標(biāo)地址=后繼節(jié)點(diǎn)地址，即目標(biāo)地址=5）后，等待tTyp延時(shí)，之后向自己的后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ring 報(bào)文（目標(biāo)地址=后繼節(jié)點(diǎn)地址，即目標(biāo)地址=9）。通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不斷發(fā)送的Ring 報(bào)文，就如同形成一個(gè)傳遞的“令牌”，來(lái)管理控制整個(gè)邏輯環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 邏輯環(huán)示意圖

前趨節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)的確定是通過(guò)比較節(jié)點(diǎn)地址大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，處于邏輯環(huán)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其前趨節(jié)點(diǎn)Ring 報(bào)文的目標(biāo)地址未指向自身，則該節(jié)點(diǎn)將識(shí)別自身被跳過(guò)。

如果節(jié)點(diǎn)識(shí)別自身被跳過(guò)，它必須立即發(fā)送Alive 報(bào)文，以通知其他節(jié)點(diǎn)自己仍然處于網(wǎng)絡(luò)中。

3.4 為了在汽車(chē)儀表中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理

必然需要滿足其需求的硬件平臺(tái)的支撐。單片機(jī)最小模塊設(shè)計(jì)：

圖2 汽車(chē)儀表硬件平臺(tái)

如圖2 所示，主控制器采用東芝Cap-Bt 芯片，該芯片采用ARM Cortex-R4 內(nèi)核，主頻可達(dá)300MHz，具有低電壓待機(jī)模式，8 通道32 位系統(tǒng)時(shí)鐘保護(hù)單元（STPU），支持AutoSAR 4.0，所有內(nèi)核相關(guān)的內(nèi)存提供ECC 校驗(yàn)。內(nèi)置I2S聲音發(fā)生模塊，可輸出WAV 格式聲音。總線方面：3channel高速CAN BUS 總線；2channel LIN/UART 總線；1channel I2C總線。圖形處理能力：支持最大1440×540 分辨率輸出，2.5D圖形引擎及硬件單元（卷曲、位圖半透明疊加、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視投影變換、圖畫(huà)）。電源回路采用四路電源輸出：5V,3.3V，1.8V，1.1V。存儲(chǔ)芯片采用I2C 接口的EEPROM記錄里程及相關(guān)配置信息。采用256Mbit 外擴(kuò)FLASH，存儲(chǔ)程序及圖片資源。

整體硬件模塊由存儲(chǔ)器模塊、CAN 通信模塊、電源模塊、SPI 通信模塊、聲音模塊等模塊構(gòu)成。

微控制器驅(qū)動(dòng)由DIO 驅(qū)動(dòng)、PWM 驅(qū)動(dòng)、SPI 驅(qū)動(dòng)、看門(mén)狗驅(qū)動(dòng)、CAN 驅(qū)動(dòng)等模塊構(gòu)成。

網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧就可在該軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)基于該項(xiàng)目的客戶需求，我們分析了各種網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧，并構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧的基礎(chǔ)平臺(tái)，確定了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的基礎(chǔ)參數(shù)，從而制定了有效的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的整體方案。