基于OSEK 標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證淺析

陳姿霖， 王遠(yuǎn)波， 陳 佩

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

近年來(lái)汽車向舒適化、 智能化方向迅猛發(fā)展， 汽車電子控制系統(tǒng)的數(shù)量大幅增多， 部分ECU需要長(zhǎng)時(shí)間工作，提高了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度與電源分配的難度以及車輛對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性， 為了解決ECU數(shù)量增多帶來(lái)蓄電池饋電、 長(zhǎng)期靜置后無(wú)法啟動(dòng)等問(wèn)題， 需要對(duì)車輛ECU進(jìn)行休眠喚醒的管理，使車輛在長(zhǎng)期靜置后能夠再次啟動(dòng)。

使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制， 能使網(wǎng)絡(luò)上的控制器穩(wěn)定、 有序運(yùn)行， 提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率， 實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上控制器的運(yùn)行情況、 降低鑰匙拔出后車輛的電能消耗， 使車輛一直具有足夠的能量再次啟動(dòng)。 本文在OSEK國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的基礎(chǔ)上， 從設(shè)計(jì)方案和測(cè)試兩方面著手， 定義一種適合重型汽車使用的網(wǎng)絡(luò)管理和測(cè)試方法， 解決車輛電源分配和饋電問(wèn)題。

1 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理概述

OSEK是一種直接網(wǎng)絡(luò)管理方法， 通過(guò)專用的報(bào)文來(lái)報(bào)告網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)、 與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它控制器 （簡(jiǎn)稱ECU）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、 休眠請(qǐng)求、 休眠命令的傳遞， 互相協(xié)商以達(dá)到共同休眠的目標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)有網(wǎng)絡(luò)管理功能的ECU都有專用的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文 （簡(jiǎn)稱NM報(bào)文）， 網(wǎng)絡(luò)上的所有ECU沒(méi)有主從之分， 任何ECU都可以喚醒網(wǎng)絡(luò)、 申請(qǐng)休眠、發(fā)送休眠指令。

2 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)包含ECU類型、 NM報(bào)文定義、 時(shí)間參數(shù)要求、 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、 休眠和喚醒等方面。

2.1 ECU類型

根據(jù)車輛所有ECU的功能情況可將控制器分為兩大類。①Ⅰ類： 只在點(diǎn)火鑰匙打開(kāi) （簡(jiǎn)稱IGN ON） 時(shí)工作； ②Ⅱ類： 在IGN ON時(shí)全程工作、 在點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉 （簡(jiǎn)稱IGN OFF） 下按需工作。 網(wǎng)絡(luò)管理的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求主要用于管理Ⅱ類ECU的休眠和喚醒行為。

2.2 NM報(bào)文定義與格式

2.2.1 NM報(bào)文定義

NM報(bào)文的ID格式使用標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀都可以， 根據(jù)車型平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

NM報(bào)文共有3類： 聲明報(bào)文 （簡(jiǎn)稱Alive報(bào)文）、 邏輯環(huán)報(bào)文 （簡(jiǎn)稱Ring報(bào)文）、 跛行回家報(bào)文 （簡(jiǎn)稱LimpHome報(bào)文）。 通過(guò)NM控制域的標(biāo)志位來(lái)進(jìn)行區(qū)分， ECU使用NM報(bào)文向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它ECU聲明自身的當(dāng)前狀態(tài)。

2.2.2 NM報(bào)文格式

1） 目標(biāo)地址

目標(biāo)地址位于報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)中的第1個(gè)字節(jié)， 根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況而定， 如果網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)Ⅱ類節(jié)點(diǎn)， 那么目標(biāo)地址一直為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址； 如果網(wǎng)絡(luò)中存在大于一個(gè)Ⅱ類節(jié)點(diǎn)， 除了第1幀的alive聲明報(bào)文的目標(biāo)地址為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址， 剩余發(fā)送的NM報(bào)文中的目標(biāo)地址為邏輯后繼節(jié)點(diǎn)的地址。

2） NM控制域

控制域位于報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)中的第2個(gè)字節(jié)， 其各個(gè)位的含義， 見(jiàn)圖1。

圖1 NM報(bào)文的控制域

3） NM數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)場(chǎng)的第3字節(jié)到第7字節(jié)， 使用者可根據(jù)車型平臺(tái)功能定義進(jìn)行自定義應(yīng)用。

對(duì)于未定義的預(yù)留位全部用 “0/1” 進(jìn)行填充。

4） NM報(bào)文類型和休眠標(biāo)記

根據(jù)NM 報(bào)文中控制域的定義， 本章節(jié)介紹Alive 報(bào)文、 Ring報(bào)文、 LimpHome報(bào)文、 Sleep.Ind和Sleep.Ack標(biāo)志的含義和用途。 ①Alive報(bào)文： 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)ECU 初始化完成后或者在令牌環(huán)傳遞的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自身被跳過(guò)時(shí)， 都會(huì)發(fā)送Alive報(bào)文， 用于聲明自己地址或聲明自己被跳過(guò)，向其它ECU聲明需要加入到網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯環(huán)中。 Alive報(bào)文的目標(biāo)地址等于發(fā)送Alive報(bào)文節(jié)點(diǎn)自身的地址。 在該階段， 網(wǎng)絡(luò)上的II類ECU需要根據(jù)其它ECU發(fā)送的Alive報(bào)文不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整配置表， 進(jìn)而確定自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)。 ②Ring報(bào)文： ECU在確定了自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)后， 需要與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它ECU 建立令牌環(huán)，ECU在接收到其前繼節(jié)點(diǎn)的Ring報(bào)文后， 向其后繼者發(fā)送自己的Ring 報(bào)文， 這個(gè)傳遞的順序和機(jī)制稱為令牌環(huán)。Ring報(bào)文的目標(biāo)地址為其后繼節(jié)點(diǎn)地址。 ③LimpHome 報(bào)文： 處 于 故 障 狀 態(tài) （NMRxcount、 NMTxcount 數(shù) 值 超 過(guò) 閾值） 的ECU以TError周期發(fā)送LimpHome報(bào)文。 與Alive報(bào)文相同， LimpHome報(bào)文目標(biāo)地址為發(fā)送LimpHome報(bào)文節(jié)點(diǎn)自身的地址。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只有一個(gè)II類ECU 時(shí)， ECU 發(fā)送4組Alive報(bào) 文、 Ring報(bào) 文， 再 發(fā) 送 一 幀Alive 報(bào) 文 后， 發(fā) 送LimpHome報(bào)文。 ④Sleep.Ind標(biāo)志： Sleep.Ind為休眠請(qǐng)求標(biāo)志位， 當(dāng)ECU檢測(cè)到自身的休眠條件不滿足時(shí)， 發(fā)出的NM報(bào)文中該位為0， 聲明自身不滿足休眠條件； 當(dāng)ECU檢測(cè)到自身的休眠條件滿足時(shí)， 發(fā)出的NM報(bào)文中該位為1，聲 明 自 身 滿 足 休 眠 條 件。 ⑤Sleep.Ack 標(biāo) 志： Sleep.Ack 為休眠應(yīng)答標(biāo)志位， 令牌環(huán)中第1個(gè)檢測(cè)到所有ECU的休眠請(qǐng)求標(biāo)志位為1的ECU發(fā)出的NM報(bào)文中該位為1。 發(fā)出NM報(bào)文中該位為1的ECU和接受到該指令的ECU需立即停發(fā)所有報(bào)文。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)

網(wǎng)絡(luò)管理的狀態(tài)總共有3種狀態(tài)： 未激活、 啟動(dòng)、 激活。 NM狀態(tài)如圖2所示。

圖2 NM狀態(tài)

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)未激活

在該狀態(tài)下， ECU不會(huì)收發(fā)任何報(bào)文， 當(dāng)檢測(cè)到電源使能信號(hào)有效、 本地喚醒事件有效、 遠(yuǎn)程事件 （接收到任意總線報(bào)文）， 應(yīng)請(qǐng)求啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 從未激活向啟動(dòng)狀態(tài)遷移， 該遷移過(guò)程需要在一定的時(shí)間內(nèi)完成。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)狀態(tài)

該狀態(tài)包含3個(gè)子狀態(tài)： 網(wǎng)絡(luò)初始化、 網(wǎng)絡(luò)激活、 網(wǎng)絡(luò)休眠。

1） 網(wǎng)絡(luò)初始化狀態(tài)： ECU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)狀態(tài)后先進(jìn)行通信程序、 寄存器等網(wǎng)絡(luò)初始化行為， 初始化應(yīng)在一定的時(shí)間內(nèi)完成， 初始化完成后ECU會(huì)發(fā)出NM報(bào)文和應(yīng)用報(bào)文， 先發(fā)NM報(bào)文后發(fā)應(yīng)用報(bào)文。

2） 網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)包含網(wǎng)絡(luò)重置、 網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行、 網(wǎng)絡(luò)跛行3種子狀態(tài)。 ECU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)后首先進(jìn)入的是網(wǎng)絡(luò)重置狀態(tài)， 發(fā)送Alive報(bào)文聲明自身的存在， 然后立刻進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)； 在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控其它處于激活的節(jié)點(diǎn)， 記錄所有ECU的源地址， 動(dòng)態(tài)適配自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)， 并以一定的周期向自身后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ring報(bào)文， 建立邏輯環(huán)； 當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器到達(dá)閥值后ECU會(huì)進(jìn)入跛行狀態(tài)， 并以一定的周期發(fā)送狀態(tài)為跛行的NM報(bào)文， 當(dāng)ECU從Busoff狀態(tài)下恢復(fù)后發(fā)出的第1幀NM報(bào)文應(yīng)該為跛行報(bào)文。

3） 網(wǎng)絡(luò)休眠狀態(tài)包含休眠等待和徹底休眠兩種狀態(tài)。ECU進(jìn)入休眠狀態(tài)首先進(jìn)入的是休眠等待狀態(tài)， 該狀態(tài)需要定義合理的時(shí)間用于ECU休眠之前的信息存儲(chǔ)， 在該狀態(tài)下ECU不能發(fā)送任意報(bào)文， 但是可以被喚醒源喚醒， 時(shí)間到后應(yīng)該遷移到徹底休眠狀態(tài)； 徹底休眠狀態(tài)為ECU的低功耗狀態(tài)。

2.4 休眠和喚醒

當(dāng)車輛靜止， 鑰匙從on擋切換到off擋時(shí)， Ⅰ類ECU就停止工作； 當(dāng)車輛靜止拔出鑰匙， 為了保證蓄電池的使用時(shí)長(zhǎng)和防止?jié)㈦姡?網(wǎng)絡(luò)上的Ⅱ類ECU在該情況下檢查自身運(yùn)行的功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求， 如果需要使用網(wǎng)絡(luò)， 發(fā)送的NM報(bào)文中不帶休眠請(qǐng)求信息； 如果不需要使用網(wǎng)絡(luò)， 發(fā)送的NM報(bào)文中帶休眠請(qǐng)求信息； 在環(huán)運(yùn)行的過(guò)程中， 每個(gè)控制器都監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的休眠請(qǐng)求信息， 第1個(gè)檢測(cè)到所有ECU都發(fā)送了休眠請(qǐng)求的ECU發(fā)送休眠命令報(bào)文， 所有ECU停發(fā)報(bào)文， 進(jìn)入低功耗模式。 這樣在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)請(qǐng)求休眠和休眠命令這樣的信息使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有ECU達(dá)到同步休眠。

Ⅱ類ECU休眠條件由其功能的使用情況而決定。

鑰匙處于off擋時(shí)， 如果外部有功能需求會(huì)將整車喚醒；喚醒一般針對(duì)的是Ⅱ類ECU， 整車的喚醒條件或ECU的喚醒條件主要由車輛的實(shí)際應(yīng)用而定。

3 測(cè)試

根據(jù)OSEK網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)規(guī)范中定義的初始化時(shí)間、 報(bào)文周期、 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的切換入手， 從正向、 逆向、 邊界、 冗余等方面制定全方面的測(cè)試用例。

3.1 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

因?yàn)樵谡?休眠-喚醒狀態(tài)的切換過(guò)程中， 需要在特定的時(shí)間發(fā)送特殊報(bào)文， 在測(cè)試過(guò)程中需按照測(cè)試用例開(kāi)發(fā)測(cè)試腳本來(lái)完成測(cè)試。

以整車網(wǎng)絡(luò)從鑰匙o(hù)ff擋—on擋—off擋—休眠這個(gè)過(guò)程為例， 設(shè)計(jì)的測(cè)試用例需要覆蓋單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)的初始化時(shí)間、 報(bào)文類型、 狀態(tài)遷移、 喚醒休眠順序等方面進(jìn)行正向、 逆向、 臨界、 冗余測(cè)試， 以保證測(cè)試覆蓋率， 盡可能地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 進(jìn)行完善。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)解析

測(cè)試數(shù)據(jù)解析分為喚醒數(shù)據(jù)和休眠數(shù)據(jù)兩類， 如圖3、圖4所示。

圖3 喚醒數(shù)據(jù)

圖4 休眠數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)和測(cè)試兩方面來(lái)介紹OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。 全面的設(shè)計(jì)內(nèi)容需要大量實(shí)車應(yīng)用測(cè)試， 總結(jié)所遇到的問(wèn)題， 對(duì)規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充， 以達(dá)到穩(wěn)定、 節(jié)能的目的。