某插電式混合動力汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)設(shè)計*

楊朝陽 阮海庭 殷春風(fēng) 易琨

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院；2.神龍汽車有限公司技術(shù)中心）

隨著電氣化的發(fā)展，汽車傳感器和控制器的應(yīng)用越來越多。使用傳統(tǒng)的LIN 和CAN 總線，在速率上不能滿足要求；在架構(gòu)上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，從而提高了總線負(fù)載，降低了數(shù)據(jù)信息的實時性，威脅行車安全[1]。傳輸速率更高的FlexRay 總線和實時以太網(wǎng)近年來在汽車領(lǐng)域開始引起廣泛關(guān)注。實時以太網(wǎng)雖然傳輸速率高，但在汽車動力總線方面尚無完善的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；FlexRay 總線已發(fā)展多年，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相對完善，相關(guān)研究也有一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[2]研究了CAN-FlexRay網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成了簡單的試驗驗證，文獻(xiàn)[3]完成了2 MB/s 速率的FlexRay 通信并應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)。文章針對PHEV 車型的特點，設(shè)計了CAN/FlexRay 混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及對應(yīng)的車載網(wǎng)關(guān)，設(shè)計符合汽車產(chǎn)品級別的工程要求。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

1.1 需求分析設(shè)計

插電式混合動力汽車（PHEV）車型不同于普通的燃油汽車，需要發(fā)動機(jī)和動力電機(jī)協(xié)同工作，且有很高的速率和時效要求，要求數(shù)據(jù)安全可靠。某PHEV 車型在搭載三路500 KB/s 的高速CAN 總線的前提下，總線負(fù)載率仍高達(dá)40%，而一般產(chǎn)品要求CAN 總線負(fù)載在30%以下。故僅搭載CAN 總線，在通信速率、總線負(fù)載及架構(gòu)上都無法滿足整車高速通信的要求。

FlexRay 總線在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速度方面可以達(dá)到單信道10 MB/s，同時其非冗余雙信道架構(gòu)還可以在每條信道上傳輸不同的數(shù)據(jù)進(jìn)而將通信速率提高至20 MB/s，并且由于FlexRay 的靜態(tài)段通信采用時分多址（TDMA）的通信形式，每個節(jié)點在規(guī)定的時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有確定性。

故考慮在整車上加入FlexRay 網(wǎng)絡(luò)，提升傳輸速率，降低CAN 總線負(fù)載。因此，汽車上會既有CAN 網(wǎng)絡(luò)也有FlexRay 網(wǎng)絡(luò)。2 個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)不能直接對應(yīng)，需要通過特定設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換才能通信，這就需要網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)[4]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

該PHEV 車型中接入網(wǎng)絡(luò)通信的模塊眾多，其中，負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)控制的CMM，變速箱控制的TCU，電機(jī)控制的ERAD，三者實時性要求高，使用FlexRay 網(wǎng)絡(luò)通信，其他控制器利用三通道CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，分別為CAN_HS1，CAN_HS2，CAN_HYB。網(wǎng)關(guān)除了具有數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)管理功能外，還具有整車診斷、標(biāo)定、程序在線刷新及驅(qū)動特定硬件的功能。圖1 示出某PHEV車型混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，其中VCU承擔(dān)網(wǎng)關(guān)功能。

1.3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

CAN 總線有3 個通道，分別為CAN_HS1，CAN_HS2，CAN_HYB，速率均為500 KB/s。其中，CAN_HS1 上的節(jié)點有AAS，DC-DC，BSI，EBB，ERAD，CMM；CAN_HS2 上 的 節(jié) 點 有 BSI，EBB，CMM；CAN_HYB 上的節(jié)點有DC-DC，ERAD，CMM。CAN 網(wǎng)絡(luò)遵循CAN 2.0B 協(xié)議規(guī)范設(shè)計，圖2 示出CAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯示界面

1.4 FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

FlexRay 網(wǎng)絡(luò)通信單元有CMM，VCU，TCU，ERAD。對于FlexRay參數(shù)的設(shè)定，通信速率為10 MB/s，使用單通道（Channel A），只使用靜態(tài)段，靜態(tài)時槽（Slot）為76個，1 個循環(huán)的周期（Cycle） 為5 ms，宏時間拍（Macrotick）為2 μs，數(shù)據(jù)載荷長度（PayloadLength）為8 word。FlexRay 網(wǎng)絡(luò)遵循V2.1 Reva 協(xié)議規(guī)范設(shè)計[5]。圖3 示出FlexRay 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖4 示出FlexRay TDMA結(jié)構(gòu)。

圖3 FlexRay網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯示界面

圖4 FlexRay TDMA結(jié)構(gòu)顯示界面

2 網(wǎng)關(guān)VCU設(shè)計

2.1 硬件選型和設(shè)計

硬件方面，選用Infineon AURIX TC265 主控芯片設(shè)計外圍電路制成系統(tǒng)板作為網(wǎng)關(guān)VCU 硬件。TC265有2 個TriCore 內(nèi)核，每個內(nèi)核的時鐘頻率最高可達(dá)300 MHz。該產(chǎn)品系列可配備一個包含2 個專用信號處理單元（SPU）的新型處理子系統(tǒng)、支持千兆以太網(wǎng)等最新通信接口、提供附加CAN FD 和LIN 接口，以及面向外部閃存的eMMC 接口，TC265 芯片符合車載網(wǎng)關(guān)硬件功能的選型要求。圖5 示出TC265硬件平臺架構(gòu)。

圖5 TC265硬件平臺架構(gòu)顯示界面

2.2 軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)VCU軟件相關(guān)驅(qū)動程序通過Infineon 提供的BaseFramework 集成環(huán)境和iLLD 底層驅(qū)動，運用High-Tec 軟件開發(fā)。

底層驅(qū)動主要完成了系統(tǒng)時鐘、中斷配置及IO，ADC，PWM配置，CAN收發(fā)驅(qū)動和緩沖區(qū)配置，F(xiàn)lexRay收發(fā)驅(qū)動和緩沖區(qū)配置，報文解析轉(zhuǎn)發(fā)策略。

中間層主要完成底層接口與應(yīng)用層接口的對接、CAN 協(xié)議集成、FlexRay 協(xié)議集成、標(biāo)定和故障診斷功能的實現(xiàn)。

復(fù)雜驅(qū)動部分主要是冷卻水泵和閥門等執(zhí)行器的控制程序。庫函數(shù)部分主要是XCP，UDS 等功能的庫函數(shù)文件。

應(yīng)用層使用MATLAB 軟件開發(fā)。設(shè)計功能包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理、VCU 休眠與喚醒、發(fā)動機(jī)啟停、駕駛模式、混動模式切換、動力系統(tǒng)激活/啟動等。通過搭建MATLAB/Simulink 模型，進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)管理等配置后，生成嵌入式代碼和標(biāo)定A2L 文件[6]。圖6 示出不同駕駛模式下轉(zhuǎn)矩需求模塊Simulink 模型。

圖6 不同駕駛模式下轉(zhuǎn)矩需求模塊Simulink模型顯示界面

最后將各層代碼集成，聯(lián)合調(diào)試編譯。通過Bootloader 軟件刷寫到VCU硬件中[7]。圖7 示出軟件架構(gòu)框圖。

圖7 網(wǎng)關(guān)VCU軟件架構(gòu)框圖

3 網(wǎng)關(guān)VCU測試

3.1 網(wǎng)關(guān)功能測試

硬件方面，使用某公司的VN7600 作為CAN 和FlexRay 的收發(fā)監(jiān)控設(shè)備。網(wǎng)關(guān)VCU 接入3 個網(wǎng)絡(luò)，其中2 個500 KB/s的高速CAN網(wǎng)絡(luò)（CAN_HS1，CAN_HS2），1 個10 MB/s 的FlexRay 的網(wǎng)絡(luò)。VN7600通過USB 與電腦連接[8]。圖8 示出網(wǎng)關(guān)測試時各硬件連接架構(gòu)。

圖8 網(wǎng)關(guān)VCU功能測試連接架構(gòu)圖

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 CAN 報文轉(zhuǎn)FlexRay 報文測試

圖9 示出CAN 報文轉(zhuǎn)FlexRay 報文測試結(jié)果。從圖9 可以看出，網(wǎng)關(guān)VCU 接收ID 為0x155 的CAN 報文后，把接收到的數(shù)據(jù)在FlexRay 網(wǎng)絡(luò)中下一個Cycle的Slot7 的前8 個字節(jié)發(fā)出。

圖9 CAN 報文轉(zhuǎn)FlexRay報文測試結(jié)果顯示界面

3.2.2 FlexRay報文轉(zhuǎn)CAN報文測試

圖10 示出FlexRay報文轉(zhuǎn)CAN報文測試結(jié)果。從圖10 可以看出，F(xiàn)lexRay 網(wǎng)絡(luò)的Slot2 數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)VCU 接收后，把接收到的16 個字節(jié)的FlexRay 數(shù)據(jù)的前8 個字節(jié)以ID 為0x260 的CAN 報文發(fā)出，后8個字節(jié)以ID 為0x270 的CAN 報文發(fā)出。

圖10 FlexRay報文轉(zhuǎn)CAN報文測試結(jié)果顯示界面

4 結(jié)論

文章完成了CAN-FlexRay 混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和車載網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與測試。通過在某PHEV 實際車載網(wǎng)關(guān)上使用混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)了：

1）CAN 總線負(fù)載率從未添加FlexRay 總線之前的40%降低至24%，大幅降低了低優(yōu)先級報文的通信時延；

2） 使用10 MB/s 的FlexRay 總線通信的CMM，VCU，TCU，ERAD 相比以前500 KB/s 的CAN 總線，提升了通信速率，使控制和反饋更加及時、精準(zhǔn)；

3）網(wǎng)關(guān)VCU 能實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)，保證了CAN 網(wǎng)絡(luò)和FlexRay 網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交互的實時性和穩(wěn)定性，以及在長時間工作中的可靠性。

測試結(jié)果表明，文章設(shè)計的CAN/FlexRay 混合網(wǎng)絡(luò)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和車載網(wǎng)關(guān)符合設(shè)計要求，為今后PHEV 和EV（純電動汽車）車型的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供了新的參考解決方案。