汽車CAN總線信號快速跨網絡轉發算法的研究

牛昱棟，劉永春，高發廷

（中國重型汽車集團汽車研究總院，山東 濟南 250002）

1 引言

從車輛發明至今，汽車已經從純粹的機械結構發展到擁有數個甚至數十個控制單元，隨著車輛安全、舒適需求的增加，控制單元的數量越來越多，對網絡的負擔也越來越大。車輛根據不同的功能域進行了劃分，每個域擁有一個獨立的CAN總線網絡，但是由于車輛是一個完整的整體，每個域之間存在著一定數據的流通，信號穩定實時轉發，才能保證車輛整體功能的穩定可靠。

本文通過對CAN報文屬性的研究、操作系統的運行模式與信號網絡轉發的需求分析，設計一套適用于大部分情況的快速穩定的跨網絡轉發策略，并且具有相當的靈活性。

2 信號在設計架構上的數據流向

車輛上存在多個總線網絡間信號交互的時候，我們將轉發前即存在該信號的總線網絡稱為該信號的源網絡，將該信號轉發到總線網絡稱為該信號的目標網絡。在CAN總線網絡之間的數據流即為從源網絡轉發到目標網絡，轉發邏輯的實現我們稱之為網關功能區，圖1給出了總線數據從源網絡轉發到目標網絡上的具體流向，此過程主要由網關功能區，判斷該信號是否需要轉發并將其轉發到特別目標網絡，無關信號不會被轉發。

圖1 總線數據數據流向

3 網關功能區對信號的處理

網關功能區是CAN總線網絡信號轉發功能的實現區域，負責從源網絡接收數據，判斷數據是否需要轉發到目標網絡，若需要轉發，則將該數據發送至目標網絡。

網關功能區細分為4個子功能模塊，分別為CAN信號接收子模塊、CAN信號轉發需求判斷子模塊、CAN信號發送子模塊和CAN信號發送成功確認子模塊，圖2為各個子功能模塊間的數據流向。

圖2 網關功能區內數據流向

1）CAN信號接收子模塊負責信號的初步接收，并將信號中需要的信息保存至相應CAN網絡的接收buffer中，等待CAN信號轉發需求判斷子模塊對數據進行具體判斷處理。

2）CAN信號轉發需求判斷子模塊將接收buffer中的信號與提前準備好的轉發配置表對比，判斷該信號是否需要轉發，若需要轉發，則將該信號存放在對應通道的發送buffer中，等待CAN信號發送子模塊判斷信號合適進行發送。

3）CAN信號發送子模塊，判斷各個CAN通道的發送buffer的狀態與當前CAN網絡狀態，當buffer狀態不為空且CAN網絡狀態為空閑時，按先進先出依次發送CAN信號到相應的網絡上。

4）CAN信號發送成功確認子模塊，當需要轉發的CAN信號發送成功后，此模塊會被回調，判斷發送buffer中還存在CAN信號未發送則跳轉到CAN信號發送子模塊，若發送buffer為空則退出，等待新CAN信號的到來。

4 CAN信號接收子模塊對信號的處理

CAN信號接收子模塊位于中斷當中，主要任務是將CAN網絡接收到的數據從寄存器搬移到特定的RAM區域，并觸發CAN信號轉發需求判斷子模塊的事件。為了達到穩定安全的目的，在中斷中的工作盡量做得少，圖3為CAN信號接收子模塊的數據流向。

圖3 CAN信號接收子模塊數據流向

5 CAN信號轉發需求判斷子模塊對信號的處理

CAN信號轉發需求判斷子模塊被觸發之后，讀取RAM中存放的具體的數據并與轉發配置表中的信息對比，確認是否需要轉發，若需要轉發，則根據配置表中的信息，將需要轉發的數據存放至對應通道的發送buffer中。考慮到操作系統之間通過事件切換任務需要時間，在成功接收到信號后直接在同一個任務中調用CAN信號發送子模塊。圖4為CAN信號轉發需求判斷子模塊的數據流向。

圖4 CAN信號轉發需求判斷子模塊數據流向

6 CAN信號發送子模塊對信號的處理

CAN信號發送子模塊即將具體的數據從發送buffer中取出，通過寄存器操控硬件將數據發送到目標網絡上，圖5為CAN信號發送子模塊的數據流向。

圖5 CAN信號發送子模塊的數據流向

7 CAN信號發送成功確認子模塊的處理

CAN信號發送成功確認子模塊負責管理一條報文發送后，確認發送成功并判斷是否繼續向目標網絡發送CAN信號。圖6為CAN信號發送成功確認子模塊的操作流程。

圖6 CAN信號發送成功確認子模塊的操作流程

8 結語

本文闡述了一種CAN總線信號快速跨網絡轉發算法，該算法實現了CAN總線信號快速跨網絡轉發，并且在快速的基礎上兼顧了穩定，考慮了不同邏輯的相互分離與所應處于數據流的位置，形成閉環，不會造成數據沖突，邏輯實現復雜性小，可適用于任何跨網絡的ECU，轉發速度快，保證了數據的實時有效，可以為CAN信號轉發、處理提供重要的參考。