新能源汽車以太網(wǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：設(shè)計(jì)了車載以太網(wǎng)控制器，并且研發(fā)出適用于汽車控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行升級(jí)，建立兩種新的通信機(jī)制，請(qǐng)求應(yīng)答模式和定時(shí)主動(dòng)上報(bào)模式，使眾多的從站控制設(shè)備與主控制中心之間有序高效進(jìn)行信息交流，而且采取了同步機(jī)制使多設(shè)備同步運(yùn)行能力得到提升。在此基礎(chǔ)之上，移植改進(jìn)CANopen應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與傳統(tǒng)CAN通信總線的橋接。

關(guān)鍵詞：集成電路應(yīng)用；汽車以太網(wǎng)；軟件協(xié)議；實(shí)時(shí)通信

引言

汽車車載通信，指的是汽車內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)或者電子零件之間進(jìn)行信息交流所使用的通信方法。現(xiàn)如今，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化，甚至自動(dòng)駕駛的浪潮已經(jīng)來臨，浪潮帶來的是ADAS技術(shù)的與斷革新、高品質(zhì)車載娛樂影音的影音推進(jìn)、以及OTA遠(yuǎn)程升級(jí)、V2X、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等一系列技術(shù)的發(fā)展；這推進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性、高速率、高兼容性需求的爆發(fā)式發(fā)展，顯然這已經(jīng)超出了CAN或FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的歷史使命。因此以太網(wǎng)就成了將它們連接在一起甚至完全替代傳統(tǒng)總線的最佳選項(xiàng)，成為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的技術(shù)方案，所以針對(duì)以太網(wǎng)汽車總線的研究十分必要。本文將以太網(wǎng)作為汽車主干網(wǎng)絡(luò)，性能已經(jīng)取代了大部分傳統(tǒng)總線，對(duì)于CAN總線，其仍然具有普遍性、穩(wěn)定性等優(yōu)勢，因此需要實(shí)現(xiàn)CAN與以太網(wǎng)橋接。對(duì)CAN幀進(jìn)行解封，提取控制中心所需數(shù)據(jù)，封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀[1]。

1系統(tǒng)組成

依照現(xiàn)代汽車標(biāo)準(zhǔn)，新能源汽車整車系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車整車系統(tǒng)最大的區(qū)別在于引進(jìn)了電池管理系統(tǒng)以及電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池檢測、單電池組之間的均衡、數(shù)據(jù)分析、SoC值估算、電池信息儀表顯示、語音報(bào)警等功能，這些新功能都提高了傳輸數(shù)據(jù)的通信總線性能要求。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)。

1.1硬件系統(tǒng)

本研究所設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的。硬件的總體架構(gòu)如圖2所示。硬件平臺(tái)的模塊主要?jiǎng)澐譃镕PGA、時(shí)鐘、電源、以太網(wǎng)接口和CAN總線接口五部分。

1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將車載以太網(wǎng)的軟件層傳輸路徑主要分為兩條：一條是用來傳輸汽車中對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制信號(hào)，它基于改進(jìn)升級(jí)之后以太網(wǎng)底層協(xié)議之上直接運(yùn)用經(jīng)過調(diào)整的CANopen應(yīng)用層協(xié)議[2]。另一條路徑是用來傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求也比較高的視頻監(jiān)控或者是數(shù)據(jù)量較大的媒體信息等，這條路徑借助UDP/IP協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與以太網(wǎng)底層的連接。協(xié)議框架如圖3所示[3]。對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行改進(jìn)，具有的功能如下：（1）構(gòu)建/解析數(shù)據(jù)楨、對(duì)數(shù)據(jù)楨定界、網(wǎng)絡(luò)同步、數(shù)據(jù)楨收發(fā)順序的控制。（2）傳輸過程中的流量控制、差錯(cuò)檢測、對(duì)物理層的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝等。（3）實(shí)時(shí)通信的傳輸控制。（4）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)機(jī)。為了區(qū)分實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的從站設(shè)備，需要給每一個(gè)從站設(shè)備分配一個(gè)號(hào)碼，號(hào)碼范圍：1～239。對(duì)于控制中心的設(shè)備號(hào)碼確定為240。這樣控制中心就具備協(xié)調(diào)各個(gè)從站，合理分配總線使用權(quán)，避免沖突，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的作用[4]。對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)之后，使其具有兩種通信機(jī)制：基于請(qǐng)求/應(yīng)答模式和基于定時(shí)主動(dòng)上報(bào)模式（PRC模式）。圖4，基于請(qǐng)求/應(yīng)答模式主站（MN）輪詢所有從站（CN）。首先主站發(fā)送Preq數(shù)據(jù)幀（PReqCN1）給1號(hào)從站，該數(shù)據(jù)幀是單播的，只有1號(hào)節(jié)點(diǎn)接收，其他節(jié)點(diǎn)不接收。在該數(shù)據(jù)幀中包了主站（MN）要發(fā)送給1號(hào)從站的數(shù)據(jù)。當(dāng)1號(hào)節(jié)點(diǎn)收到來自主站的Preq數(shù)據(jù)幀，就會(huì)上報(bào)一個(gè)Pres數(shù)據(jù)幀（PresCN1），該數(shù)據(jù)幀是廣播的，除了主站可以接收到以外，網(wǎng)絡(luò)中其他任何一個(gè)從節(jié)點(diǎn)都能收到。主站（MN）與1號(hào)從節(jié)點(diǎn)（CN1）一來（Preq）、一往（Pres），就完成了一次信息交互；接下來主站（MN）與2號(hào)從節(jié)點(diǎn)（CN2）的信息交互，以此類推，將網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)掃描一次，稱為一個(gè)循環(huán)周期。假定循環(huán)周期為200μs，那么網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備每200μs就有一次收取/發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，而且不會(huì)與其他設(shè)備造成沖突。圖5，PRC模式該模式取消preq數(shù)據(jù)幀，而是連續(xù)使用pres，控制設(shè)備在和從站節(jié)點(diǎn)通信前，需要配置從站的參數(shù)，該參數(shù)表明各個(gè)從站設(shè)備的信息上報(bào)時(shí)間，位于循環(huán)周期的不同時(shí)刻，避免沖突[5]。該模式下的性能于請(qǐng)求應(yīng)答模式的基本相同，唯一不同點(diǎn)使該模式省去了Tpres的通信時(shí)間，因此通信效率提升至少30%。本文對(duì)于應(yīng)用層借鑒CANopen標(biāo)準(zhǔn)，CANopen是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。他為應(yīng)用程序提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，使得不同的設(shè)備與應(yīng)用程序之間有統(tǒng)一的訪問方式。本研究參考其原理并將其移植到車載以太網(wǎng)的應(yīng)用層部分。將應(yīng)用層協(xié)議分為三個(gè)個(gè)主要部分：PDO，SDO和對(duì)象字典OD。（1）PDO：processdataobject進(jìn)程數(shù)據(jù)對(duì)象。用來傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)于汽車中對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的即時(shí)運(yùn)動(dòng)控制十分重要，例如，剎車制動(dòng)控制等。（2）SDO：Servicedataobject服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象。主要用來在設(shè)備之間傳輸大的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，典型的是用來配置CANopen網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。（3）OD：ObjectDictionary，對(duì)象字典。Canopen協(xié)議對(duì)于每一個(gè)設(shè)備參數(shù)都定義了一個(gè)編號(hào)來區(qū)分這些參數(shù)，這些編號(hào)便是索引（index），每個(gè)索引需要用一個(gè)16位的數(shù)字來表示[6]。表1為對(duì)象字典結(jié)構(gòu)。

2系統(tǒng)測試

總線控制器設(shè)計(jì)成功之后，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立測試環(huán)境拓?fù)鋱D，用來檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)到，建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。建立好測試所需連接之后，本研究對(duì)系統(tǒng)的傳輸速率以及同步誤差進(jìn)行了測試，測試方法利用抓包工具Fiddler軟件。測試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)測試，系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計(jì)要求，具體測試項(xiàng)目及指標(biāo)如表2所示。

3結(jié)語

本文對(duì)于車載以太網(wǎng)總線通信進(jìn)行了較深入的探索，在現(xiàn)有以太網(wǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出汽車控制器，將其應(yīng)用于車載通信網(wǎng)絡(luò)。主要在軟件方面針對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以及對(duì)傳輸量與傳輸速率要求較高的輔助駕駛和車載娛樂系統(tǒng)進(jìn)行了軟件層面的研發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的I2C子層進(jìn)行了升級(jí)[7]，提出請(qǐng)求應(yīng)答模式和PRC模式兩種新的通信機(jī)制來提高控制實(shí)時(shí)性，并且將CANopen應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行適配移植，對(duì)汽車實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)例如制動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)具體協(xié)議移植到鏈路層網(wǎng)絡(luò)之上，使通訊速度達(dá)到1000mbps，延遲時(shí)間控制在1μs以內(nèi)。

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作者：林發(fā)明 李師 張艷榮 于志浩 卓問 單位： 西南交通大學(xué)