湯自寧，張玉穩(wěn)，白穩(wěn)峰，呂冬慧

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

1 引言

汽車中電子產(chǎn)品的成本比重逐漸提高，從20世紀(jì)70年代的4%增加到現(xiàn)在的30%左右，預(yù)計(jì)到2030年這一比重將上升為50%。日益增加的電子零部件對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可拓展性和不同通信協(xié)議間轉(zhuǎn)換的能力提出了更高的要求。

汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)決定了使用集成網(wǎng)關(guān)還是獨(dú)立網(wǎng)關(guān)。集成網(wǎng)關(guān)集成度較高，綜合成本較低，但通信數(shù)據(jù)量較小，且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，必須同時(shí)更換集成網(wǎng)關(guān)及其載體，增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。獨(dú)立網(wǎng)關(guān)因具有通信數(shù)據(jù)量大、信息安全性高、整車UDS診斷和BT下載方便、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和布置方式靈活的特點(diǎn)，而成為整車電子化的發(fā)展趨勢(shì)。

基于整車信息化多種網(wǎng)絡(luò)和多網(wǎng)段數(shù)據(jù)信息交流的需求，本文以XC2268N為核心處理器，TLE9262為系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，并基于USIC（ASC）技術(shù)開(kāi)發(fā)以XC2268N為主控制器的車載獨(dú)立網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)整車基于網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和信號(hào)交換的功能，達(dá)到路由信息在不同通信協(xié)議間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的目的。經(jīng)過(guò)對(duì)某車輛獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)車驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2 獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由電源管理模塊、通用I／O輸入采集模塊、CAN總線收發(fā)模塊、LIN總線收發(fā)模塊和XC2268N外圍電路構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該獨(dú)立網(wǎng)關(guān)主要技術(shù)要求：額定電壓12 V；工作電壓9~16 V；工作溫度-30~80℃；暗電流≤0.5 mA；CAN／LIN通信速率可配置。

該獨(dú)立網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)的功能：①CAN／CAN路由功能，包含報(bào)文及信號(hào)路由；②CAN／LIN路由功能，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；③網(wǎng)絡(luò)管理功能OSEK；④UDS診斷功能；⑤BT刷寫(xiě)功能；⑥報(bào)文映射：診斷CAN能夠查看任何一路CAN報(bào)文；⑦電源管理功能；⑧EOL下線檢測(cè)功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)構(gòu)成

基于XC2268N的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)電源模塊采用TLE9262集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。TLE9262是一款單片式集成電路，采用PG-VQFN-48-31電源封裝。該芯片面向各種CAN-LIN車身應(yīng)用，可以充當(dāng)微控制器的電源和CAN總線與LIN總線網(wǎng)絡(luò)的接口［1］。TLE9262系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片 （SBC）除為微控制器提供5 V低壓差穩(wěn)壓器LDO電源外，還帶有用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN、LIN收發(fā)器、4路高邊輸出、16 Bit SPI同步串行通信接口［2］、自帶硬件看門狗輸出和失效檢測(cè)輸出。該芯片有多種模式可以選擇，且在休眠模式下可以將CAN／LIN收發(fā)器設(shè)置為具有遠(yuǎn)程喚醒監(jiān)控功能。其資源能夠很好滿足低功耗、拓展性以及安全性的要求。TLE9262電源模塊原理圖如圖2所示。

3.2 XC2268N外圍電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)直接影響著控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)控制器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文根據(jù)XC2000系列芯片的特點(diǎn)，以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了獨(dú)立網(wǎng)關(guān)控制器最小系統(tǒng)電路，如圖3所示。

本文中選擇使用XC2268N作為獨(dú)立網(wǎng)關(guān)控制器的微處理器芯片。XC2268N是具有5級(jí)流水線和MPU的高性能CPU［3］，在80 MHz的主頻下，單周期執(zhí)行指令僅僅12.5 ns的時(shí)間；帶有可編程多項(xiàng)式的硬件CRC檢查器可以對(duì)片上存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控；高達(dá)16 Kbytes片上DSRAM和320 Kbytes的Flash存儲(chǔ)區(qū)域。此外，片上集成6個(gè)符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器和6個(gè)全部可以用于異步串行通信 （ASC）的串行接口［4］。其外設(shè)通信接口資源較多，處理性能較高，非常適應(yīng)于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

3.3 LIN通信電路設(shè)計(jì)

基于XC2268N的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)控制器具有4個(gè)LIN通道，通信速率高達(dá)20 kb／s，每個(gè)LIN通道既可作為主節(jié)點(diǎn)也可作為從節(jié)點(diǎn)，方便網(wǎng)絡(luò)配置。收發(fā)器選型采用TLE7257SJ,方案采用標(biāo)準(zhǔn)LIN總線模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。為兼容多款處理器，該收發(fā)器RXD引腳默認(rèn)漏極開(kāi)路輸出，本設(shè)計(jì)使用4.7 K上拉電阻R111連接到單片機(jī)VDD_5 V供電電源。電容負(fù)載C67用來(lái)改善EME和EMI特性。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障防護(hù)功能，將主機(jī)端電阻R113和反向二極管VD3串聯(lián)到INH引腳。ESD防護(hù)選用TVS管MMBZ27VCLT1G。LIN通信電路如圖4所示。

3.4 CAN通信電路設(shè)計(jì)

CAN收發(fā)器在CAN控制器和物理傳輸線之間起著邏輯電平與差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用。本文采用TJA1042 CAN收發(fā)器，方案采用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

CAN通信電路中預(yù)留有共模電感，可根據(jù)EMC試驗(yàn)情況選擇共模電感是否焊接。ESD防護(hù)選用TVS管MMBZ27VCLT1G。為穩(wěn)定總線電壓，降低總線EME，將SPILT引腳連接到拆分式網(wǎng)絡(luò)終端 （R27、R30），并通過(guò)C12電容將直流電泄放到GND。C11與C20電容值為22 pF，用于濾除總線上的高頻干擾，并且具有一定的抗電磁輻射能力。CAN通信電路如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片 （SBC）TLE9262電源模塊

圖3 獨(dú)立網(wǎng)關(guān)外圍電路設(shè)計(jì)

圖4 獨(dú)立LIN收發(fā)器通信電路

圖5 CAN通信電路

網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)總體上分為3層：應(yīng)用邏輯層 （APP）、接口層 （RTE）和基礎(chǔ)軟件層 （BSW）。軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。APP層是應(yīng)用功能邏輯實(shí)現(xiàn)層，分模塊并獨(dú)立于硬件平臺(tái)運(yùn)行。RTE層是連接BSW層和APP層的接口層，其優(yōu)點(diǎn)是在接口定義明確的條件下，底層基礎(chǔ)軟件和上層應(yīng)用功能邏輯軟件可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)。BSW層與硬件關(guān)系緊密，該層細(xì)分為Function Service、Communication Service、ECU Driver、MCU Driver 4個(gè)層次。

4.2 TLE9262電源驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

SBC上電初始化流程如圖7所示。

圖6 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7 SBC上電初始化流程

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)技術(shù)要求在休眠時(shí)網(wǎng)關(guān)只能工作在低功耗模式 （Standby）。一般情況下，微控制器在Standby模式只能在RAM中運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的指令，如周期查詢?nèi)蝿?wù) （判斷是否有本地IG喚醒請(qǐng)求）和外部中斷觸發(fā)任務(wù) （判斷是否有外部中斷ESR觸發(fā)）。因此，在網(wǎng)關(guān)進(jìn)入Standby模式前，必須先設(shè)置看門狗處于STOP模式，否則SBC RO PIN腳的復(fù)位信號(hào)輸出時(shí)會(huì)導(dǎo)致微控制器直接復(fù)位。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上電后，SBC進(jìn)入INIT模式 （默認(rèn)）：VCC1低壓差穩(wěn)壓電源處于開(kāi)啟狀態(tài)，向微控制器提供5 V電源；VCC2和VCC3外部電源供電處于關(guān)閉狀態(tài)；看門狗處在Long open window模式，溢出時(shí)間默認(rèn)為200 ms。微控制器需要在200ms超時(shí)周期內(nèi)完成SBC的初始化工作，否則SBC看門狗溢出后將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位?？刂破魃想娨院?，微處理器通過(guò)SPI接口發(fā)送指令使SBC進(jìn)入Normal模式，使能SBC內(nèi)部自帶的CAN／LIN收發(fā)器，設(shè)置看門狗為L(zhǎng)ong open window模式，溢出時(shí)間為100 ms，至此完成SBC的全部初始化工作。

SBC看門狗只有在Normal模式下才可以被禁用。出于安全考慮，禁用看門狗時(shí)要嚴(yán)格遵循如圖8所示的工作流程。在Normal模式下，首先設(shè)置WD_STM_EN_1為1，然后觸發(fā)1次看門狗，再設(shè)置SetBit WD_STM_EN0為1；緊接著進(jìn)入Stop模式。如果在進(jìn)入Stop模式時(shí)被喂狗中斷，或者被WD Trigger_1觸發(fā)，錯(cuò)過(guò)設(shè)置Bit WD_STM_EN0，都會(huì)返回失敗的結(jié)果。

圖8 SBC看門狗禁用流程

4.3 CAN通信軟件設(shè)計(jì)

基于XC2268N的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)CAN通信軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN／CAN路由功能與報(bào)文映射功能。

XC2268N包含6個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，256個(gè)Message Object。通過(guò)配置軟件Dave可以將每個(gè)MO分配到任意CAN節(jié)點(diǎn)。CAN Message Object分配如圖9所示。通過(guò)MO對(duì)報(bào)文的屬性（ID、標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀、報(bào)文長(zhǎng)度、是否允許接收中斷或者發(fā)送中斷等）進(jìn)行配置。通過(guò)設(shè)置MO掩碼，對(duì)總線上不相關(guān)的報(bào)文進(jìn)行初步過(guò)濾，以降低MCU負(fù)荷。此外，XC2268N自帶的網(wǎng)關(guān)模式允許2個(gè)獨(dú)立的CAN總線系統(tǒng)之間建立自動(dòng)信息傳遞，無(wú)需微處理器介入［5］。

圖9 CAN Message Object分配

CAN／CAN路由功能：該網(wǎng)關(guān)在處理CAN／CAN報(bào)文路由和信號(hào)路由時(shí)采用接收中斷的方法。對(duì)于優(yōu)先級(jí)比較高的ID，因?qū)崟r(shí)性要求較高，軟件為每個(gè)ID分配2個(gè)或者多個(gè)MO，并將其中1個(gè)MO設(shè)置為接收，其余MO設(shè)置為發(fā)送。對(duì)于優(yōu)先級(jí)不高的ID，按照一定規(guī)則進(jìn)行分類，并通過(guò)設(shè)置MO掩碼使其能夠共用1個(gè)MO接收對(duì)象。實(shí)踐證明：在總線負(fù)載率較高的情況下，此方法比硬件路由 （自帶網(wǎng)關(guān)功能）方式的實(shí)時(shí)性更高，靈活度更強(qiáng)。

報(bào)文映射功能：即在診斷CAN通道上可以監(jiān)控任意CAN通道的報(bào)文，通過(guò)診斷服務(wù)可以開(kāi)啟或者關(guān)閉映射功能。綜合診斷CAN負(fù)載率的特點(diǎn)，報(bào)文映射功能采用發(fā)送FIFO的方法，即在目標(biāo)CAN網(wǎng)絡(luò)中，將多個(gè)發(fā)送對(duì)象級(jí)聯(lián)成1個(gè)公共發(fā)送緩存 （FIFO）。此方法既能滿足報(bào)文映射功能又可以提高M(jìn)O利用率。

4.4 LIN通信軟件設(shè)計(jì)

LIN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)場(chǎng)組成［6］。LIN［7］總線的通信原理為：主任務(wù)發(fā)送報(bào)文頭，主任務(wù)或者從任務(wù)用響應(yīng)來(lái)補(bǔ)充報(bào)文頭從而形成完整的報(bào)文。LIN調(diào)度表負(fù)責(zé)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送順序，調(diào)度表在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段確定，LIN通信嚴(yán)格按照調(diào)度表執(zhí)行。LIN通信幀格式如圖10所示。

圖10 LIN通信幀格式

本文根據(jù)LIN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并基于USIC（ASC）編寫(xiě)了LIN總線數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。該程序可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、數(shù)據(jù)超時(shí)處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和位流錯(cuò)誤檢測(cè)等功能。其工作流程如圖11所示。

5 功能測(cè)試與驗(yàn)證

為滿足功能安全的需求，應(yīng)用程序在SBC的監(jiān)控下運(yùn)行時(shí)，任何原因?qū)е聭?yīng)用程序不能及時(shí)觸發(fā)看門狗都會(huì)引起SBC看門狗復(fù)位。Normal模式下應(yīng)用軟件周期性觸發(fā)看門狗SPI的通信波形如圖12所示。

借助CANstress、CANoe和示波器等工具對(duì)總線物理層進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠滿足技術(shù)規(guī)范的要求。CAN總線物理層測(cè)試報(bào)告和LIN總線物理層測(cè)試報(bào)告分別如圖13和圖14所示。

通過(guò)CANoe Interractive Generator模擬干擾報(bào)文對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文在源網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率嚴(yán)重超標(biāo)情況下的周期波動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的當(dāng)前周期曲線與源網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送周期曲線波動(dòng)完全吻合；經(jīng)Trace統(tǒng)計(jì)，源網(wǎng)絡(luò)實(shí)際發(fā)送報(bào)文條數(shù)與目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際接收條數(shù)相等,且報(bào)文無(wú)亂序。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較高情況下總線丟幀測(cè)試結(jié)果如圖15所示。

圖11 LIN發(fā)送數(shù)據(jù)工作流程

圖12 周期性觸發(fā)看門狗SPI通信波形

圖13 CAN總線物理層測(cè)試報(bào)告

圖14 LIN總線物理層測(cè)試報(bào)告

圖15 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較高情況下總線丟幀測(cè)試

6 臺(tái)架與實(shí)車測(cè)試

臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了車載獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的UDS診斷、網(wǎng)絡(luò)管理［8］、報(bào)文路由、信號(hào)路由、BT刷寫(xiě)和休眠喚醒等功能。并利用vFlash對(duì)Bootloader刷寫(xiě)功能進(jìn)行了極限測(cè)試，未出現(xiàn)報(bào)文亂序、報(bào)文超時(shí)和亂碼等問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的各項(xiàng)性能要求。臺(tái)架、實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證如圖16所示，實(shí)車測(cè)試報(bào)告如圖17所示。

7 結(jié)論

本文基于XC2268N開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了車載獨(dú)立網(wǎng)關(guān)［9］控制系統(tǒng)，該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了6路CAN之間的信號(hào)路由、CAN與LIN之間的信息路由，并兼有整車網(wǎng)絡(luò)管理、UDS診斷、BT下載、休眠喚醒等功能。通過(guò)對(duì)某車輛獨(dú)立網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)車驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、成本低和可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，符合汽車電子化發(fā)展方向。

圖16 臺(tái)架測(cè)試與實(shí)車驗(yàn)證

圖17 網(wǎng)關(guān)實(shí)車測(cè)試結(jié)果