新能源汽車的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。

Abstract — In this paper， a vehicle Ethernet controller is designed， and a real-time communication protocol is developed， which is suitable for vehicle control system. The traditional Ethernet data link layer is upgraded， and two new communication mechanisms are established： request response mode and timed active reporting mode， so that many slave control equipment and the main control center can exchange information orderly and efficiently， and synchronization is adopted The mechanism improves the synchronous operation ability of multiple devices. On this basis， we transplant and improve the CANopen application layer standard. The bridge between Ethernet and traditional CAN communication bus is realized.

Index Terms — IC application， vehicle ethernet， software agreement， real-time communication.

0 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?，F(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(lái)臨，浪潮帶來(lái)的是 ADAS 技術(shù)的與斷革新、高品質(zhì)車載娛樂(lè)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(shì)，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 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(cè)、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(yǔ)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。

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)。

硬件平臺(tái)的模塊主要?jiǎng)澐譃?FPGA、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(lái)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(guò)調(diào)整的 CANopen 應(yīng)用層協(xié)議。另一條路徑是用來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與以太網(wǎng)底層的連接。協(xié)議框架。

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(guò)程中的流量控制、差錯(cuò)檢測(cè)、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。

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）。

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(lái)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(lái)（Preq）、一往（Pres），就完成了一次信息交互；接下來(lái)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 200 μs，那么網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備每 200 μs 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。

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。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(wèn)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：process data object 進(jìn)程數(shù)據(jù)對(duì)象。用來(lái)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。
責(zé)任編輯:pj

（2）SDO：Service data object 服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象。主要用來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)表示。表 1 為對(duì)象字典結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)測(cè)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(cè)試環(huán)境拓?fù)鋱D，用來(lái)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)到，建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

建立好測(cè)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(cè)試，測(cè)試方法利用抓包工具 Fiddler 軟件。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計(jì)要求，具體測(cè)試項(xiàng)目及指標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(lè)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)，提出請(qǐng)求應(yīng)答模式和 PRC 模式兩種新的通信機(jī)制來(lái)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 1 000 mbps，延遲時(shí)間控制在 1 μs 以內(nèi)。