某輕型卡車獨立網關設計

劉有志 薛麗萍

摘 要：文章較系統地對獨立網關開發必要性、設計原則、功能實現等方面進行了介紹，并對零部件內部硬件和軟件層面設計進行約束，為汽車電氣和網絡領域開發設計人員提供開發思路。

關鍵詞：獨立網關;硬件;軟件;路由

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-32-03

Abstract： This paper systematically introduces the necessity of independent gateway development， design principle， function realization and so on， and constrains the internal hardware and software design of parts， so as to provide development ideas for the developers in the field of automobile electric and network.

Keywords： Gateway; Hardware; Software; Route

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-32-03

1 前言

汽車總線技術的開發應用越來越深入，如何高效、低風險地做好汽車網絡總線的平臺化開發顯得尤為重要;目前，隨著輕型卡車由于控制器數量逐漸增加，單網段式網絡架構由于其：可配置性差、網段負載率高等問題，已經盡顯疲態;為了對整車網絡系統進行更專業的管理和優化，具有多路CAN和多路LIN通訊的獨立網關可解決目前單網段的問題，本篇就獨立網關的一般設計流程和設計原則進行簡單介紹。

2 設計原則

2.1 平臺化原則

以開發一款平臺化的獨立網關為目標，獨立網關方案是基于整個電氣架構設計思路基礎上的，方案應具備子網獨立、平臺設計、網絡總線可裁剪，成本較低等技術特征。

2.2 前瞻性原則

根據該輕型輕卡所在平臺相關規劃，以及競品車型配置情況，了解法規動態及智能駕駛發展趨勢，預留未來3-5年輕卡配置要求。

2.3 兼容原則

根據平臺化網絡拓撲，設計獨立網關信號通道，又根據輕卡有SAE J1939和ISO 11898兩種通信協議的現狀，設計獨立網關軟硬件。硬件方面兼容12V和24V兩種電壓，支持本地喚醒和網絡喚醒;軟件方面兼容SAE J1939和ISO 11898 兩種通信協議，信號路由可配置，便于應用于不同車型，最終達到一款硬件適應全系產品。

3 網關功能設計

3.1 報文路由設計

報文路由是指網關將源子網上接收到的報文完整的復制到目標子網，并且從目標子網上發送出來。在這個過程中報文的周期和內容不會被更改，報文ID則可以按照定義進行修改或保持不變。網關收到報文就立即進行轉發，收不到報文就停止轉發。

3.2 信號路由設計

信號路由是指網關將需要轉發的信號從源子網的報文中取出，重新打包到網關的自主報文中，再將該自主報文發送到目的子網。當網關未接收到源子網的信號時，網關發送預定義的替代值，以表示該信號為網關所發，并非來自于源子網的發送節點。

3.3 路由時間

以CAN-CAN路由為例，網關的完整的報文傳輸過程包括報文接收、報文處理以及報文發送三部分。

T1：網關接收一幀報文所需要的時間，約小于0.3ms;

T2：網關處理一幀報文所需要的時間，對于報文路由，應小于0.4ms，對于信號路由，取決于自主報文的發送周期;

T3：網關發送一幀報文所需要的時間，約小于0.3ms;

綜上所述，網關的報文路由時間應不超過1ms;網關的信號路由時間不超過自主報文的發送周期。如果目標子網對信號的實時性要求較高，需應用報文路由策略。

3.3 路由表設計

以CAN-CAN路由為例，路由表中應該包含以下重要信息：源子網、目標子網、路由方式、信號和報文定義。

4 硬件設計

4.1 MCU選型

MUC的選型決定了網關的功耗、運行速度、功能實現程度，以及成本和運算速率;要選好一款處理器更好考慮相關的配套開發工具、仿真器、以及軟件支持情況等。

4.2 LIN接口電路

以LIN收發器TJA1021為核心器件，終端電阻位于PIN6和PIN8之間，支持本地喚醒和外部（LIN）喚醒。

4.3 CAN接口電路

以CAN收發器TJA1043為核心器件，終端電阻位于PIN11和PIN12、PIN11和PIN13之間，支持本地喚醒和外部（CAN）喚醒。

5 軟件設計

5.1 軟件架構設計

根據網絡拓撲設計要求，軟件兼容ISO11898和SAE J1939兩種通訊協議，主要包括：電源管理任務、IO任務、AD任務、NV讀寫任務、自診斷模塊任務、路由調度模塊任務、LIN總線任務、CAN總線任務、空閑任務等。各個模塊均進行相關的應用功能處理。

5.2 信號路由配置

設計開放的軟件模塊，通過配置軟件自定義路由關系，生成路由表;將路由表通過 UDS 協議寫入網關;路由表支持“報文路由”和“信號路由”兩種路由關系。

信號路由：網關從 CAN 報文中將信號解析出來，并將信號重組到另一個報文中發出，發出報文的時候遵循目標報文自身的的發送策略。

報文路由：網關將某個 CAN 接口上接收到的報文完整的復制到另一個或多個CAN 接口，并從這些接口上發出，在這個過程中報文的內容被完整的復制而不會更改，復制后的報文 ID 則可以按照定義進行修改或保持不變。報文路由在 CAN接口接收到完整的 CAN 報文后立即執行。

6 測試驗證

通過網關功能的規劃、硬件的設計、軟件的設計，網關基本成型，生產前要經過很多測試，主要包括通信測試、網絡管理測試、診斷測試和刷寫測試。診斷測試程序使用CANdela制作診斷數據庫文件，使用CAN.DiVa直接生產測試用例，其他功能測試需要使用CAPL+CANoe+程控硬件的模式。

7 結束語

整車網絡不僅是將各網絡節點使用雙絞線在整車上進行連接，還需實現不同子網絡間的數據通信、對整車網絡進行報文ID分配、設計各報文的精度與長度，設計系統的負載率，設計整車網絡管理系統、網絡通訊的實時監聽和智能診斷;獨立網關可滿足上述情況要求，因此未來輕型卡車網絡通訊依靠獨立網關已成為必然趨勢。

參考文獻

[1] 凌永成.汽車車載網絡技術[M]機械工業出版社2016.

[2] 羅峰，孫澤昌.CAN總線系統原理、設計與應用[M]電子工業出版社2010.

[3] 王巖松.汽車網絡技術[M]清華大學出版社2012.