基于XC2268N的獨立網(wǎng)關設計與實現(xiàn)

湯自寧，張玉穩(wěn)，白穩(wěn)峰，呂冬慧

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.天津中德應用技術(shù)大學，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70年代的4%增加到現(xiàn)在的30%左右，預計到2030年這一比重將上升為50%。日益增加的電子零部件對網(wǎng)關系統(tǒng)的實時性、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)絡拓撲的結(jié)構(gòu)決定了使用集成網(wǎng)關還是獨立網(wǎng)關。集成網(wǎng)關集成度較高，綜合成本較低，但通信數(shù)據(jù)量較小，且一旦出現(xiàn)問題，必須同時更換集成網(wǎng)關及其載體，增加了系統(tǒng)的維護成本。獨立網(wǎng)關因具有通信數(shù)據(jù)量大、信息安全性高、整車UDS診斷和BT下載方便、產(chǎn)品開發(fā)和布置方式靈活的特點，而成為整車電子化的發(fā)展趨勢。

基于整車信息化多種網(wǎng)絡和多網(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)基礎芯片，并基于USIC（ASC）技術(shù)開發(fā)以XC2268N為主控制器的車載獨立網(wǎng)關，以實現(xiàn)整車基于網(wǎng)關數(shù)據(jù)和信號交換的功能，達到路由信息在不同通信協(xié)議間進行轉(zhuǎn)換的目的。經(jīng)過對某車輛獨立網(wǎng)關系統(tǒng)進行臺架試驗與實車驗證，證明該系統(tǒng)具有實時性好、可靠性高、成本低的優(yōu)點。

2 獨立網(wǎng)關系統(tǒng)總體方案設計

獨立網(wǎng)關系統(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。

該獨立網(wǎng)關主要技術(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。

該獨立網(wǎng)關主要實現(xiàn)的功能：①CAN／CAN路由功能，包含報文及信號路由；②CAN／LIN路由功能，實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；③網(wǎng)絡管理功能OSEK；④UDS診斷功能；⑤BT刷寫功能；⑥報文映射：診斷CAN能夠查看任何一路CAN報文；⑦電源管理功能；⑧EOL下線檢測功能。

3 硬件電路設計與實現(xiàn)

3.1 電源系統(tǒng)設計

圖1 獨立網(wǎng)關系統(tǒng)構(gòu)成

基于XC2268N的獨立網(wǎng)關系統(tǒng)電源模塊采用TLE9262集成芯片進行設計。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車身應用，可以充當微控制器的電源和CAN總線與LIN總線網(wǎng)絡的接口［1］。TLE9262系統(tǒng)基礎芯片 （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)器設置為具有遠程喚醒監(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外圍電路設計

單片機最小系統(tǒng)直接影響著控制器運行的穩(wěn)定性，對獨立網(wǎng)關控制器的設計至關重要。本文根據(jù)XC2000系列芯片的特點，以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性為出發(fā)點設計了獨立網(wǎng)關控制器最小系統(tǒng)電路，如圖3所示。

本文中選擇使用XC2268N作為獨立網(wǎng)關控制器的微處理器芯片。XC2268N是具有5級流水線和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的時間；帶有可編程多項式的硬件CRC檢查器可以對片上存儲區(qū)域進行監(jiān)控；高達16 Kbytes片上DSRAM和320 Kbytes的Flash存儲區(qū)域。此外，片上集成6個符合CAN2.0B標準的CAN控制器和6個全部可以用于異步串行通信 （ASC）的串行接口［4］。其外設通信接口資源較多，處理性能較高，非常適應于獨立網(wǎng)關系統(tǒng)的開發(fā)。

3.3 LIN通信電路設計

基于XC2268N的獨立網(wǎng)關控制器具有4個LIN通道，通信速率高達20 kb／s，每個LIN通道既可作為主節(jié)點也可作為從節(jié)點，方便網(wǎng)絡配置。收發(fā)器選型采用TLE7257SJ,方案采用標準LIN總線模塊進行設計。為兼容多款處理器，該收發(fā)器RXD引腳默認漏極開路輸出，本設計使用4.7 K上拉電阻R111連接到單片機VDD_5 V供電電源。電容負載C67用來改善EME和EMI特性。為實現(xiàn)自動故障防護功能，將主機端電阻R113和反向二極管VD3串聯(lián)到INH引腳。ESD防護選用TVS管MMBZ27VCLT1G。LIN通信電路如圖4所示。

3.4 CAN通信電路設計

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轉(zhuǎn)換的作用。本文采用TJA1042 CAN收發(fā)器，方案采用標準CAN總線模塊進行設計。

CAN通信電路中預留有共模電感，可根據(jù)EMC試驗情況選擇共模電感是否焊接。ESD防護選用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)絡終端 （R27、R30），并通過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 軟件設計與實現(xiàn)

4.1 軟件整體架構(gòu)設計

圖2 系統(tǒng)基礎芯片 （SBC）TLE9262電源模塊

圖3 獨立網(wǎng)關外圍電路設計

圖4 獨立LIN收發(fā)器通信電路

圖5 CAN通信電路

網(wǎng)關軟件架構(gòu)總體上分為3層：應用邏輯層 （APP）、接口層 （RTE）和基礎軟件層 （BSW）。軟件總體架構(gòu)設計如圖6所示。APP層是應用功能邏輯實現(xiàn)層，分模塊并獨立于硬件平臺運行。RTE層是連接BSW層和APP層的接口層，其優(yōu)點是在接口定義明確的條件下，底層基礎軟件和上層應用功能邏輯軟件可以獨立開發(fā)。BSW層與硬件關系緊密，該層細分為Function Service、Communication Service、ECU Driver、MCU Driver 4個層次。

4.2 TLE9262電源驅(qū)動軟件設計

SBC上電初始化流程如圖7所示。

圖6 軟件總體架構(gòu)設計

圖7 SBC上電初始化流程

網(wǎng)關系統(tǒng)技術(shù)要求在休眠時網(wǎng)關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中運行一些簡單的指令，如周期查詢?nèi)蝿?（判斷是否有本地IG喚醒請求）和外部中斷觸發(fā)任務 （判斷是否有外部中斷ESR觸發(fā)）。因此，在網(wǎng)關進入Standby模式前，必須先設置看門狗處于STOP模式，否則SBC RO PIN腳的復位信號輸出時會導致微控制器直接復位。

網(wǎng)關系統(tǒng)上電后，SBC進入INIT模式 （默認）：VCC1低壓差穩(wěn)壓電源處于開啟狀態(tài)，向微控制器提供5 V電源；VCC2和VCC3外部電源供電處于關閉狀態(tài)；看門狗處在Long open window模式，溢出時間默認為200 ms。微控制器需要在200ms超時周期內(nèi)完成SBC的初始化工作，否則SBC看門狗溢出后將導致整個系統(tǒng)復位?？刂破魃想娨院螅⑻幚砥魍ㄟ^SPI接口發(fā)送指令使SBC進入Normal模式，使能SBC內(nèi)部自帶的CAN／LIN收發(fā)器，設置看門狗為Long open window模式，溢出時間為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，禁用看門狗時要嚴格遵循如圖8所示的工作流程。在Normal模式下，首先設置WD_STM_EN_1為1，然后觸發(fā)1次看門狗，再設置SetBit WD_STM_EN0為1；緊接著進入Stop模式。如果在進入Stop模式時被喂狗中斷，或者被WD Trigger_1觸發(fā)，錯過設置Bit WD_STM_EN0，都會返回失敗的結(jié)果。

圖8 SBC看門狗禁用流程

4.3 CAN通信軟件設計

基于XC2268N的獨立網(wǎng)關CAN通信軟件設計主要包括CAN／CAN路由功能與報文映射功能。

XC2268N包含6個CAN節(jié)點，256個Message Object。通過配置軟件Dave可以將每個MO分配到任意CAN節(jié)點。CAN Message Object分配如圖9所示。通過MO對報文的屬性（ID、標準幀、擴展幀、報文長度、是否允許接收中斷或者發(fā)送中斷等）進行配置。通過設置MO掩碼，對總線上不相關的報文進行初步過濾，以降低MCU負荷。此外，XC2268N自帶的網(wǎng)關模式允許2個獨立的CAN總線系統(tǒng)之間建立自動信息傳遞，無需微處理器介入［5］。

圖9 CAN Message Object分配

CAN／CAN路由功能：該網(wǎng)關在處理CAN／CAN報文路由和信號路由時采用接收中斷的方法。對于優(yōu)先級比較高的ID，因?qū)崟r性要求較高，軟件為每個ID分配2個或者多個MO，并將其中1個MO設置為接收，其余MO設置為發(fā)送。對于優(yōu)先級不高的ID，按照一定規(guī)則進行分類，并通過設置MO掩碼使其能夠共用1個MO接收對象。實踐證明：在總線負載率較高的情況下，此方法比硬件路由 （自帶網(wǎng)關功能）方式的實時性更高，靈活度更強。

報文映射功能：即在診斷CAN通道上可以監(jiān)控任意CAN通道的報文，通過診斷服務可以開啟或者關閉映射功能。綜合診斷CAN負載率的特點，報文映射功能采用發(fā)送FIFO的方法，即在目標CAN網(wǎng)絡中，將多個發(fā)送對象級聯(lián)成1個公共發(fā)送緩存 （FIFO）。此方法既能滿足報文映射功能又可以提高MO利用率。

4.4 LIN通信軟件設計

LIN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由間隔場、同步場、標識符場、數(shù)據(jù)場和校驗場組成［6］。LIN［7］總線的通信原理為：主任務發(fā)送報文頭，主任務或者從任務用響應來補充報文頭從而形成完整的報文。LIN調(diào)度表負責調(diào)度網(wǎng)絡報文發(fā)送順序，調(diào)度表在網(wǎng)絡系統(tǒng)設計階段確定，LIN通信嚴格按照調(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，并基于USIC（ASC）編寫了LIN總線數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動程序。該程序可實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、數(shù)據(jù)超時處理、數(shù)據(jù)校驗和位流錯誤檢測等功能。其工作流程如圖11所示。

5 功能測試與驗證

為滿足功能安全的需求，應用程序在SBC的監(jiān)控下運行時，任何原因?qū)е聭贸绦虿荒芗皶r觸發(fā)看門狗都會引起SBC看門狗復位。Normal模式下應用軟件周期性觸發(fā)看門狗SPI的通信波形如圖12所示。

借助CANstress、CANoe和示波器等工具對總線物理層進行測試，測試結(jié)果表明該設計能夠滿足技術(shù)規(guī)范的要求。CAN總線物理層測試報告和LIN總線物理層測試報告分別如圖13和圖14所示。

通過CANoe Interractive Generator模擬干擾報文對目標網(wǎng)絡報文在源網(wǎng)絡總線負載率嚴重超標情況下的周期波動情況進行測試。測試結(jié)果表明，目標網(wǎng)絡報文的當前周期曲線與源網(wǎng)絡報文發(fā)送周期曲線波動完全吻合；經(jīng)Trace統(tǒng)計，源網(wǎng)絡實際發(fā)送報文條數(shù)與目標網(wǎng)絡實際接收條數(shù)相等,且報文無亂序。網(wǎng)絡負載率較高情況下總線丟幀測試結(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總線物理層測試報告

圖14 LIN總線物理層測試報告

圖15 網(wǎng)絡負載率較高情況下總線丟幀測試

6 臺架與實車測試

臺架和實車試驗驗證了車載獨立網(wǎng)關的UDS診斷、網(wǎng)絡管理［8］、報文路由、信號路由、BT刷寫和休眠喚醒等功能。并利用vFlash對Bootloader刷寫功能進行了極限測試，未出現(xiàn)報文亂序、報文超時和亂碼等問題。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的各項性能要求。臺架、實車測試驗證如圖16所示，實車測試報告如圖17所示。

7 結(jié)論

本文基于XC2268N開發(fā)并設計了車載獨立網(wǎng)關［9］控制系統(tǒng)，該網(wǎng)關實現(xiàn)了6路CAN之間的信號路由、CAN與LIN之間的信息路由，并兼有整車網(wǎng)絡管理、UDS診斷、BT下載、休眠喚醒等功能。通過對某車輛獨立網(wǎng)關系統(tǒng)的臺架試驗與實車驗證，證明了該系統(tǒng)具有實時性好、可靠性高、成本低和可維護性好的優(yōu)點，符合汽車電子化發(fā)展方向。

圖16 臺架測試與實車驗證

圖17 網(wǎng)關實車測試結(jié)果