基于OSEK間接NM實現的網絡故障監(jiān)測

陳曉霞，路 影，陳文強，潘之杰，趙福全

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州 311228）

為滿足日益龐大復雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要，1993年歐洲汽車工業(yè)界聯合推出了OSEK／VDX（Open systems and the corresponding interfaces for automotive e1ectronics／Vehic1e distributed executive）標準［1］。該標準應用在模塊和靜態(tài)實時操作系統(tǒng)上，由主要的汽車制造商和供應商，研究機構以及軟件開發(fā)商所發(fā)起。OSEK，是指德國的汽車電子類開放系統(tǒng)和對應接口標準；VDX，是指汽車分布式執(zhí)行標準。OSEK／VDX標準從實時操作系統(tǒng)、軟件接口、通信和網絡管理等方面對汽車的電子控制軟件開發(fā)平臺作了較為全面的定義與規(guī)定。

在OSEK／VDX的合作領域內，NM （Network Management system，網絡管理系統(tǒng)）提供標準化功能。它通過標準化的接口確保網絡中的功能，其首要任務是確保ECU （E1ectronic Contro1 Units，電子控制單元）通信網絡的安全性和可靠性。OSEK／VDX標準所提出的網絡管理機制 （OSEK／VDX NM），主要是對網絡節(jié)點的工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。它提供了兩種可選的監(jiān)控機制：直接NM和間接NM。這兩種監(jiān)控機制相比，間接NM要比直接NM占用的資源少，而且能夠提供精確的實時網絡管理信息。目前間接NM的使用已越來越廣泛，所以，本文就選用間接NM進行具體闡釋。

1 OSEK／VDX間接NM

間接網絡管理使用周期性的應用報文監(jiān)控來決定連接到網絡上的節(jié)點的狀態(tài)，它不使用專用的網絡管理報文。其節(jié)點狀態(tài)分為發(fā)送者和接收者2種狀態(tài)。其中發(fā)送者狀態(tài)中又包含節(jié)點非靜默和節(jié)點靜默2種狀態(tài)；接收者狀態(tài)中包含節(jié)點在線和節(jié)點離線2種狀態(tài)。另外還有2個擴展的節(jié)點狀態(tài)，即擴展的發(fā)送者狀態(tài)和擴展的接收者狀態(tài)。

間接網絡管理的配置將所有由NM決定的被監(jiān)控節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)組成整體，它有目標配置和擴展配置。

為評估節(jié)點狀態(tài)和網絡狀況，間接網絡管理提供3種非專用的監(jiān)控機制：①傳輸；②接收；③故障信號。OSEK間接網絡管理的傳輸和接收監(jiān)控基于兩種可能的超時檢測機制：所有報文被全局超時TOB監(jiān)控；每條報文被自身專用的超時監(jiān)控。

OSEK／VDX間接NM由NMOff（NM關閉）、 NMOn（NM開啟）2個基本狀態(tài)組成。NMOn狀態(tài)包括NMBusS1eep（NM睡眠模式）、NMAwake（NM激活狀態(tài)）兩個子狀態(tài)。NMAwake狀態(tài)包括NMLimpHome（NM節(jié)點自身故障處理）、NMNorma1（NM節(jié)點的正常狀態(tài)）、 NNWaitBusS1eep（NM節(jié)點準備進入BusS1eep模式的等待狀態(tài)）3個子狀態(tài)。

2 穩(wěn)定邏輯環(huán)路通信的實現

遠程車載定位設備的故障檢測是無線通信技術、互聯網技術和電子設備故障自檢的結合。為實時監(jiān)控車載網絡中的節(jié)點，我們設計并實現了一種OSEK／VDX標準的間接網絡管理的車載NM系統(tǒng)，并將其應用到控制器區(qū)域網絡 （CAN總線）的車載網絡中［2］。車載網關和網絡節(jié)點由CAN總線連接，使用CAN2.0B協(xié)議通信。車載網關負責收集網絡節(jié)點相應的配置信息，并通過IPV6的無線網絡將其發(fā)送至遠程故障診斷服務器。在服務器分析完故障信息，并且得出相應的處理信息后，再將處理信息反饋回車載網關，同時給網絡節(jié)點發(fā)送相應的執(zhí)行操作信息。車載網絡是由總線將各個網絡節(jié)點連接起來的總線型網絡，而邏輯環(huán)路定義的通信序列是獨立于該網絡結構的。將惟一的標識符Receiver（接收者）分配給環(huán)路上的每個節(jié)點，同時，每個節(jié)點有惟一的一個Log_Successor（邏輯后繼），邏輯上的第一個節(jié)點是邏輯上最后一個節(jié)點的邏輯后繼。節(jié)點收到報文時，需根據邏輯后繼的更改機制和跳行機制來調整這2個參數。

2.1 系統(tǒng)工作原理

本文所設計的車載NM系統(tǒng)，首先是由車載網關通過CAN總線收集各網絡節(jié)點的故障信息，再通過IPV6無線網絡上傳至遠程故障診斷器，并將得到的故障處理信息下發(fā)至有關節(jié)點，從而實現車載CAN網絡與遠程故障診斷服務器的信息交互［3］。作為檢測中心程序的服務器端時，實時通信服務器程序打開一個服務偵聽端口，偵聽來自檢測中心程序發(fā)送的連接請求，接受連接。連接建好后，它就可以接收檢測中心程序發(fā)送的命令數據包。同時，將命令數據包轉發(fā)給相應的通信車載設備。這個系統(tǒng)的實現，首先應該形成穩(wěn)定的邏輯環(huán)路通信，而邏輯環(huán)路穩(wěn)定的通信序列是按網絡節(jié)點的標識符由小到大的順序依次排列的。若某節(jié)點接收到的報文的源節(jié)點位于該節(jié)點與其邏輯后繼的通信序列之間，則該節(jié)點需將邏輯后繼更改為報文的源節(jié)點。否則，節(jié)點的邏輯后繼無需加以更改。穩(wěn)定的邏輯環(huán)路通信建立以后，如果某一網絡節(jié)點由于某種原因不能發(fā)送或接收ring報文，而其它節(jié)點在計時器Tmax（2個ring報文之間傳送的最大時間）到期后認為該節(jié)點離線，從而進入子狀態(tài)NMReset（NM節(jié)點重置）。

車載網絡對于網絡管理機制的實時性有著極為嚴格的要求，因此，網絡中的節(jié)點啟動后應該盡快建立邏輯環(huán)路。需要說明的是，新的網絡節(jié)點的加入應建立在穩(wěn)定的邏輯環(huán)路通信已實現的基礎上。然而，對于新的網絡節(jié)點加入時機，仍需討論。間接網絡管理的具體狀態(tài)轉換如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)的實現主要以項目的實際需求和現有的硬件設備為基礎。這里主要是采用無需OSEK OS（OSEK操作系統(tǒng)）支持的間接NM的邏輯環(huán)路。

假定有3個節(jié)點，即節(jié)點1、2、3依次上線，待節(jié)點1、2建立了穩(wěn)定的邏輯環(huán)路通信的基礎上，節(jié)點2接收到Destination（目標源，以下簡稱D）=2的ring報文后，節(jié)點3發(fā)送D=3的a1ive報文申請加入邏輯環(huán)路通信。下面是以3個節(jié)點的網絡為例，來說明穩(wěn)定的邏輯環(huán)路通信是如何實現的。

其具體形成過程如圖2所示。節(jié)點1和節(jié)點2同時上線，由節(jié)點1先發(fā)送一個ring報文并在Tmax到期前到達，這時節(jié)點2發(fā)送的報文在其TTyp（2個ring報文之間傳送的標準時間）到期前到達，然后在節(jié)點1和節(jié)點2的報文都發(fā)送成功以后，這時節(jié)點3就開始上線并發(fā)送a1ive報文。節(jié)點3在上電啟動后先等待，直到節(jié)點1發(fā)送的D=2的ring報文到達后才發(fā)送D=3的a1ive報文，接著就進入其子狀態(tài)NMNorma1。

OSEK間接網絡管理的靜態(tài)狀態(tài)檢測算法是靈活的、可分級的。它通過在系統(tǒng)產生時來設置固定的De1taInc和De1taDec，其允許對于靜態(tài)狀態(tài)選擇不同種類的檢測。

3 試驗

3.1 試驗簡介

由于文章旨在進行遠程故障檢測，所以我們自行設計了CAN節(jié)點所構建的邏輯環(huán)路通信來進行本次試驗。本次試驗中所用到的相關器件為：中央控制單元采用PIC18F2580單片機；節(jié)點間的通信使用CAN2.0B協(xié)議；車載網關采用三星公司的S3C2440為CPU的ARM開發(fā)板，使用MCP2510 CAN控制器與總線通信。

CAN2.0協(xié)議通信的接收機制是通過設置過濾寄存器和屏蔽寄存器來過濾29位擴展標識符，以判斷是否需要接收總線上在當前傳輸的CAN報文［4］。這里需要指出的是，在SIDL（預留位）bit7～bit5中故障處理和其回執(zhí)標識位分別為bit1和bit0，而1表示需要操作，0表示誤操作。CAN報文的標識符域和數據域的具體使用情況如圖3所示。

3.2 測試結果

將CAN節(jié)點與車載網關以總線連接，通過車載網關可以提取如表1數據，以驗證穩(wěn)定邏輯環(huán)路通信的形成過程。

表1 網絡節(jié)點形成穩(wěn)定邏輯環(huán)路通信的數據

4 總結

試驗表明，在CAN網絡中提出并實現了無需OSEK OS支持的間接網絡管理來對各網絡節(jié)點進行監(jiān)控的系統(tǒng)方案。通過提取數據，來對各網絡節(jié)點形成穩(wěn)定邏輯環(huán)路通信的過程加以定量的分析和驗證，并在此基礎上提出了遠程故障診斷系統(tǒng)的方案。

目前這種監(jiān)測系統(tǒng)已經應用在吉利汽車的HL－1車型上，主要是采用本地診斷來進行通信故障的診斷，然后將診斷結果通過無線網絡上傳到后臺服務器上，最后進行遠程服務來響應，從而可以準確快速地進行故障排除措施。HL－1車型有一輛車在加裝一套防盜器和中控門鎖后出現了電動車窗無法工作的現象，這時利用這套監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測后，發(fā)現是在加裝這2個附件時，用了試燈測量電腦管腳而誤把試燈接頭插入診斷導線K線或L線，給了電腦一個錯誤的編碼信號，從而導致了這次故障。利用遠程故障診斷系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，可極大地提高汽車的動力性、安全性和舒適性。

［1］The OSEK／VDX Group.OSEK／VDX Operating System，version 2.2［EB／OL］.

［2］CAN Specification V2.0［OL］.http： ／／www.z1gmcu.com.

［3］王明玉，董 浩，王 建.基于GPRS的車載故障診斷網關的設計與實現［J］.汽車工程 ， 2009， 31 （10）：999－1 003.

［4］潘巨龍，黃 寧，姚伏天，等.ARM9嵌入式Linux系統(tǒng)構建與應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.