岳意娥 范志容 蘇芮琦

摘要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車上的電子系統(tǒng)越來(lái)越多，需要共享并相互傳遞大量的信息，傳統(tǒng)的布線已不能滿足要求，汽車總線技術(shù)成了解決這些的關(guān)鍵技術(shù)。整車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，為了保證整車網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，網(wǎng)關(guān)作為“橋梁”產(chǎn)生并大量應(yīng)用。本文介紹了網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)，包含路由模式，信號(hào)路由，路由策略等，并在某車上進(jìn)行了應(yīng)用，最終通過(guò)仿真、測(cè)試驗(yàn)證了該網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)關(guān);路由

隨著社會(huì)對(duì)汽車節(jié)能、環(huán)保、安全要求的日益嚴(yán)格以及人們對(duì)乘坐舒適性、駕駛便捷性要求的日益提升，電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為汽車產(chǎn)品先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車上70%的創(chuàng)新來(lái)源于汽車電子技術(shù)的應(yīng)用^[1]，現(xiàn)代汽車上傳統(tǒng)的電器部件逐步變?yōu)殡娮踊刂?，車上的電子系統(tǒng)越來(lái)越多，在這些電子設(shè)備中，需要共享并相互傳遞大量的信息，按照傳統(tǒng)的布線方式將導(dǎo)致車身限速龐大且復(fù)雜，安裝空間緊缺，運(yùn)行可靠性降低，故障維修難度增大，線速系統(tǒng)的成本高，因此汽車總線技術(shù)成為解決這些的關(guān)鍵技術(shù)。

為了滿足不同的系統(tǒng)需求，整車往往采用多種總線形式，如CAN、LIN、MOST、Flexray等。各類總線的傳輸速率不同，應(yīng)用場(chǎng)合也不同，如LIN總線傳輸速率通常小于20 Kh/s，主要用于電動(dòng)車門鎖，車窗和后視鏡等設(shè)備;CAN總線傳輸速率通常小于1 MKh/s，主要用于車身控制、舒適系統(tǒng);MOST總線傳輸速率高達(dá)500 Mh/s，主要用于多媒體設(shè)備、高速數(shù)據(jù)流傳輸?shù)母咝阅芫W(wǎng)絡(luò);FlexRay總線傳輸速率高達(dá)20 Mb/s，主要用于車輛底盤控制系統(tǒng)。

由于汽車電子的大量運(yùn)用，車輛上的控制器越來(lái)越多，交互信息的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也從單一網(wǎng)段逐步發(fā)展到復(fù)雜網(wǎng)段的形式;同時(shí)多總線形式的應(yīng)用，均導(dǎo)致了車載網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)生。網(wǎng)關(guān)作為整車網(wǎng)絡(luò)的橋梁，是整車網(wǎng)絡(luò)的核心。本文介紹了網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)，包含路由模式，信號(hào)路由，路由策略等，并在某乘用車上進(jìn)行了應(yīng)用，最終測(cè)試驗(yàn)證了該網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)的正確性。

1 網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)方法

網(wǎng)關(guān)將報(bào)文分組從一個(gè)網(wǎng)段路由到另一網(wǎng)段的設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的一種。對(duì)于采用多種總線形式的整車，網(wǎng)關(guān)還必須具備有從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到另一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換信息的能力。網(wǎng)關(guān)的每個(gè)網(wǎng)段接口均必須滿足該網(wǎng)段的所有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)要求，包含通信，網(wǎng)絡(luò)管理，診斷等。

網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)包含網(wǎng)段接口、路由模式、發(fā)送方式、變更標(biāo)識(shí)符、路由策略、路由時(shí)間等，下面一一進(jìn)行闡述。

1.1網(wǎng)段接口

網(wǎng)關(guān)所具有的網(wǎng)段接口個(gè)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)接口的總線類型根據(jù)具體的車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錄Q定。如圖1拓?fù)涫疽鈭D中的網(wǎng)關(guān)，具有4個(gè)網(wǎng)段接口，其中3個(gè)CAN接口，1個(gè)LIN接口。

1.2路由模式

路由模式有報(bào)文路由和信號(hào)路由兩種。

1.2.1報(bào)文路由

報(bào)文路由，如圖2所示，是指網(wǎng)關(guān)從源網(wǎng)段接收到需要路由的報(bào)文后，直接將其轉(zhuǎn)發(fā)到月標(biāo)網(wǎng)段，而不作任何更改。報(bào)文路由方式存在兩種情況：一種是采用相同的協(xié)議，相同的格式（如相同的ID，數(shù)據(jù)等），另一種采用不同的協(xié)議或者傳輸速率。

報(bào)文路由模式一般在網(wǎng)關(guān)的底層程序就可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需上層應(yīng)用程序支持，因此可大幅降低網(wǎng)關(guān)的處理時(shí)間。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)，或者整幀報(bào)文均需要轉(zhuǎn)發(fā)，一般采用報(bào)文路由模式。

1.2.2信號(hào)路由

信號(hào)路由是指網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)需要提取不同報(bào)文的信號(hào)，重組成一個(gè)新的報(bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段，而且網(wǎng)關(guān)能夠更改新報(bào)文的發(fā)送方式和發(fā)送周期。

信號(hào)路由模式可以提高報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)的利用率，降低目標(biāo)網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但會(huì)增加網(wǎng)關(guān)的處理時(shí)間。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的信號(hào)，或者兩個(gè)系統(tǒng)接口問(wèn)均無(wú)法更改的時(shí)候，一般采用信號(hào)路由模式。

信號(hào)路由存在以下幾種情況：

1）重新封裝（Repackage）：一幀中的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)段的一個(gè)或者多個(gè)幀中，數(shù)據(jù)只是重新封裝，沒有調(diào)整，如圖3所示：

2）組裝（Assemhle）：來(lái)自一個(gè)網(wǎng)段上的兩幀或多幀的信號(hào)（這些幀可能來(lái)自不同的控制器），重新組合成一幀發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)段。數(shù)據(jù)沒有調(diào)整，但是排列進(jìn)行了調(diào)整。如圖4所示。

3）組裝&重新封裝（Assemhle&Repackage;）：組裝和重新封裝的結(jié)合，信號(hào)來(lái)自一個(gè)網(wǎng)段上不同幀，封裝到兩個(gè)或者更多幀中，并發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)段，如圖5所示：

4）其它信號(hào)路由方式：網(wǎng)關(guān)修改傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（精度、范圍等），如圖6所示。或者利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)合成新的數(shù)據(jù)，如接收輪速信號(hào)計(jì)算平均輪速。這種方式應(yīng)用較少，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)之間的接口不能改變時(shí)采用。

1.3發(fā)送方式

1.3.1報(bào)文路由發(fā)送方式

報(bào)文路由的發(fā)送方式是事件傳輸。該傳輸模型允許網(wǎng)關(guān)從源網(wǎng)絡(luò)接收傳人的消息，并以最小的延遲傳輸?shù)搅硪粋€(gè)網(wǎng)段，在該網(wǎng)絡(luò)上的傳輸也是周期性的。

1.3.2信號(hào)路由發(fā)送方式

1）周期發(fā)送

該傳輸模型允許網(wǎng)關(guān)定期從源網(wǎng)絡(luò)接收傳人的消息，并重新封裝到另一網(wǎng)段上規(guī)定的周期報(bào)文。這種發(fā)送方式存在的風(fēng)險(xiǎn)就是，如果目標(biāo)報(bào)文在源報(bào)文到來(lái)前剛剛發(fā)出，那么該源信號(hào)的傳輸就會(huì)存在延時(shí)（目標(biāo)報(bào)文的周期）。

如果源信號(hào)是周期發(fā)送，信號(hào)路由方式采用周期發(fā)送。

2）事件發(fā)送

該傳輸模型允許網(wǎng)關(guān)接收源網(wǎng)段的事件報(bào)文，并立即轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)段上。該種發(fā)送方式需要設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的最小時(shí)間間隔。如果很小時(shí)間段內(nèi)連續(xù)發(fā)生事件，轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文必須延時(shí)或者推遲最小時(shí)間間隔再發(fā)送。

如果所有的源信號(hào)均是事件型，則信號(hào)路由采用事件發(fā)送。

3）周期事件

周期事件是周期發(fā)送和事件發(fā)送的結(jié)合，當(dāng)沒有事件發(fā)生時(shí)，網(wǎng)關(guān)周期接收源報(bào)文，并重新封裝到另一網(wǎng)段規(guī)定的周期報(bào)文中。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，該發(fā)送模式可以使得對(duì)事件進(jìn)行快速響應(yīng)。

如果源信號(hào)既有周期發(fā)送、也有事件發(fā)送，或者源信號(hào)的周期小于目標(biāo)報(bào)文的周期，則采用周期事件發(fā)送。

1.4變更標(biāo)識(shí)符

在網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文過(guò)程中，如果被轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文ID與目標(biāo)網(wǎng)段的報(bào)文發(fā)生標(biāo)識(shí)符沖突，則需要變更標(biāo)識(shí)符。不同網(wǎng)段分配不同的標(biāo)識(shí)符可以避免此類事情發(fā)生。

另外，不同協(xié)議之間也需要進(jìn)行ID的變更。

1.5路由時(shí)間

路由時(shí)間指網(wǎng)關(guān)接收到路由對(duì)象到轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段的時(shí)間，用于約束網(wǎng)關(guān)的開發(fā)。

2 某整車網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)

某整車網(wǎng)絡(luò)控制器數(shù)量多，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、車身控制器、儀表等;且信息交互量數(shù)據(jù)大，因此該乘用車采用雙網(wǎng)段的總線結(jié)構(gòu)，網(wǎng)段之間使用一個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子系統(tǒng)的信息交互，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，車速等。整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖7所示。

整車網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)CAN網(wǎng)段，均采用ISO11898協(xié)議，通信速率均采用500kbit/s。因此該車載網(wǎng)關(guān)只需要進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)需實(shí)現(xiàn)協(xié)議的匹配。

2.1網(wǎng)段接口

該車型的網(wǎng)關(guān)具有2路CAN接幾。

2.2路由設(shè)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某乘用車上需要網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)共有63個(gè)。根據(jù)各控制器對(duì)于信號(hào)的需求，對(duì)需要網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的路由模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終將設(shè)計(jì)結(jié)果形成路由表，如表1所示。表2是某乘用車的部分信號(hào)路由表。

部分設(shè)計(jì)舉例如下：

1）車速信號(hào)是一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)下電的關(guān)鍵信號(hào)之一，因此采用報(bào)文路由的形式。

2）所有給儀表的報(bào)警信號(hào)，來(lái)自很多不同的控制器，每個(gè)信號(hào)長(zhǎng)度短，如果均采用報(bào)文路由的形式，將較大地增加整車網(wǎng)絡(luò)負(fù)載;同時(shí)這類信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求不高，因此采用信號(hào)路由的形式。

3）因?yàn)樵撥囆椭挥袃蓚€(gè)網(wǎng)段，所以主要采取的是組裝形式的信號(hào)路由方式。

2.3路由策略

采用信號(hào)路由方式的信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)均是來(lái)白源節(jié)點(diǎn)的真實(shí)值。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。

如表2中所示的信號(hào)，EMS_EngCoolantTemp來(lái)白EMS的0x306報(bào)文，ESC_ESCAlarmSig來(lái)白ESC的0x328報(bào)文，網(wǎng)關(guān)在另一網(wǎng)段將這兩個(gè)信號(hào)重新組裝放在了同一個(gè)報(bào)文0x315中。當(dāng)ESC通信正常、EMS通信丟失時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收不到0x306報(bào)文時(shí)，而網(wǎng)關(guān)在目標(biāo)網(wǎng)段報(bào)文仍會(huì)發(fā)出0x315報(bào)文。此時(shí)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的EMS_EngCoolantTemp的值并不是當(dāng)前的真實(shí)值。但是接收0x315報(bào)文的節(jié)點(diǎn)并不知道此時(shí)狀態(tài)，用這個(gè)值進(jìn)行處理也許會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。

由于接收節(jié)點(diǎn)對(duì)于信號(hào)丟失的處理方式不同（采用無(wú)效值，初始值或替代值等），故無(wú)法由網(wǎng)關(guān)直接采用某一種值進(jìn)行處理。因此在該車型中首次提出了節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能，并通過(guò)一個(gè)信號(hào)將節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前通信狀態(tài)反饋出來(lái)，該信號(hào)的定義如表3所示。當(dāng)EMS通信丟失時(shí)，網(wǎng)關(guān)將LostToEMS置為1，接收方同時(shí)接收這個(gè)信號(hào)，在進(jìn)行處理時(shí)結(jié)合這個(gè)信號(hào)進(jìn)行判斷以解決因信號(hào)路由帶來(lái)的問(wèn)題。

3 某整車網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)仿真

CANoe是德國(guó)Vector公司開發(fā)的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試、評(píng)估的強(qiáng)大工具，它能支持總線開發(fā)的整個(gè)過(guò)程，是本測(cè)試系統(tǒng)的核心。該工具提供了整個(gè)開發(fā)流程各階段的專業(yè)功能，包括通信協(xié)議數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建和修改、建模、仿真、功能測(cè)試、診斷和分析^[2]。利用CANoe對(duì)網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真，對(duì)網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

利用CANne，根據(jù)整車通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)矩陣，編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便用于測(cè)試。

在CANne環(huán)境下，添加數(shù)據(jù)庫(kù)，將網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)生成，如圖8所示。

3.2仿真方法

利用CAPL編程，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文/信號(hào)時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收，按照沒計(jì)進(jìn)行處理后發(fā)出。觀察結(jié)果判斷網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)的正確性。

例如，O0x210報(bào)文采用報(bào)文路由的形式從P-CAN轉(zhuǎn)發(fā)到B-CANt。編制如下程序，運(yùn)行后觀察網(wǎng)關(guān)是否正確轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。當(dāng)收到來(lái)自CAN2（ P-CAN）的0x210報(bào)文，是否轉(zhuǎn)發(fā)到CAN1（ B-CAN）上。

on message CAN2.0x210

{message CAN1.0x210 msg;

if（this.dir！= rx） return;

msg= this;

output（msg）;}

3.3 仿真結(jié)果

利用CANne中CAPL編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)信號(hào)路由功能，驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)路由的正確性。

4 某整車網(wǎng)關(guān)的通信測(cè)試

在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)網(wǎng)關(guān)通信進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)的正確性。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)通信測(cè)試包含以下內(nèi)容：

1）路由模式的測(cè)試：測(cè)試報(bào)文路由和信號(hào)路由是否按照要求進(jìn)行;

2）信號(hào)路由正確性測(cè)試：信號(hào)值是否按照要求正確轉(zhuǎn)發(fā);

3）信號(hào)路由時(shí)間測(cè)試：信號(hào)路由時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求;

4）路由策略測(cè)試：網(wǎng)關(guān)是否按照要求進(jìn)行處理，包含節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)制。

4.1 測(cè)試類型

測(cè)試共包含單元測(cè)試、臺(tái)架測(cè)試、實(shí)車測(cè)試。

單元測(cè)試：整個(gè)測(cè)試環(huán)境主要由網(wǎng)關(guān)、穩(wěn)壓電源和CANoe軟硬件模塊等幾部分組成，除了網(wǎng)關(guān)，其他的節(jié)點(diǎn)均是FHCANoe工具虛擬而成。需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文/信號(hào)均采用模擬。

臺(tái)架測(cè)試：通過(guò)搭建整車網(wǎng)絡(luò)臺(tái)架，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際樣件均接人，對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)車測(cè)試：裝配好的實(shí)車上，對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測(cè)試。

4.2測(cè)試方法

臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車測(cè)試網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的是來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的真實(shí)值。單元測(cè)試中則需要通過(guò)節(jié)點(diǎn)配置，增加一個(gè)交互式的節(jié)點(diǎn)，將需要路由的報(bào)文添加到節(jié)點(diǎn)中，模擬信號(hào)路由，并為信號(hào)設(shè)置觸發(fā)方式，模擬信號(hào)變化。

1）路由模式

運(yùn)行后通過(guò)Trace窗口觀察網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)情況，是否滿足路由模式的設(shè)計(jì)。

2）路由正確性測(cè)試

利用Craphic工具，將源信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)調(diào)出，觀察網(wǎng)關(guān)路由的正確性。

3）信號(hào)路由時(shí)間測(cè)試

測(cè)試方法同信號(hào)路由正確性測(cè)試，在Craphic界面，將源信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)調(diào)出，利用工具測(cè)量信號(hào)間的延時(shí)。

4）路由策略測(cè)試

模擬節(jié)點(diǎn)通信丟失，觀察網(wǎng)關(guān)是否按照設(shè)計(jì)的路由策略實(shí)現(xiàn)。

4.3測(cè)試結(jié)果

對(duì)網(wǎng)關(guān)的通信進(jìn)行了測(cè)試，以下列出部分單元測(cè)試結(jié)果。

信號(hào)值正確性：模擬“空調(diào)的環(huán)境溫度信號(hào)”發(fā)送，利用Craphlc，觀察所得目標(biāo)信號(hào)值跟隨源信號(hào)值變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

利用Craphic中測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的結(jié)果是△t=8.7ms（ <10ms），滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

隨著汽車電子的大量運(yùn)用，車載網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，網(wǎng)關(guān)在汽車上應(yīng)用越來(lái)越多。網(wǎng)關(guān)作為整車網(wǎng)絡(luò)的橋梁，是整車網(wǎng)絡(luò)的核心。本文介紹了網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)，包含路南模式，信號(hào)路由等，在某乘用車上進(jìn)行了應(yīng)用，并首次提出節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)制，最終通過(guò)仿真以及測(cè)試驗(yàn)證了該網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)的正確性。該車輛已量產(chǎn)，從目前的實(shí)際情況也驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)的正確性，

參考文獻(xiàn)：

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