某輕型卡車獨(dú)立網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

劉有志 薛麗萍

摘 要：文章較系統(tǒng)地對(duì)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)開發(fā)必要性、設(shè)計(jì)原則、功能實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了介紹，并對(duì)零部件內(nèi)部硬件和軟件層面設(shè)計(jì)進(jìn)行約束，為汽車電氣和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域開發(fā)設(shè)計(jì)人員提供開發(fā)思路。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立網(wǎng)關(guān);硬件;軟件;路由

中圖分類號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-32-03

Abstract： This paper systematically introduces the necessity of independent gateway development， design principle， function realization and so on， and constrains the internal hardware and software design of parts， so as to provide development ideas for the developers in the field of automobile electric and network.

Keywords： Gateway; Hardware; Software; Route

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-32-03

1 前言

汽車總線技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用越來越深入，如何高效、低風(fēng)險(xiǎn)地做好汽車網(wǎng)絡(luò)總線的平臺(tái)化開發(fā)顯得尤為重要;目前，隨著輕型卡車由于控制器數(shù)量逐漸增加，單網(wǎng)段式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于其：可配置性差、網(wǎng)段負(fù)載率高等問題，已經(jīng)盡顯疲態(tài);為了對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行更專業(yè)的管理和優(yōu)化，具有多路CAN和多路LIN通訊的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)可解決目前單網(wǎng)段的問題，本篇就獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的一般設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 平臺(tái)化原則

以開發(fā)一款平臺(tái)化的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)為目標(biāo)，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)方案是基于整個(gè)電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)思路基礎(chǔ)上的，方案應(yīng)具備子網(wǎng)獨(dú)立、平臺(tái)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)總線可裁剪，成本較低等技術(shù)特征。

2.2 前瞻性原則

根據(jù)該輕型輕卡所在平臺(tái)相關(guān)規(guī)劃，以及競(jìng)品車型配置情況，了解法規(guī)動(dòng)態(tài)及智能駕駛發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)留未來3-5年輕卡配置要求。

2.3 兼容原則

根據(jù)平臺(tái)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，設(shè)計(jì)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)信號(hào)通道，又根據(jù)輕卡有SAE J1939和ISO 11898兩種通信協(xié)議的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)軟硬件。硬件方面兼容12V和24V兩種電壓，支持本地喚醒和網(wǎng)絡(luò)喚醒;軟件方面兼容SAE J1939和ISO 11898 兩種通信協(xié)議，信號(hào)路由可配置，便于應(yīng)用于不同車型，最終達(dá)到一款硬件適應(yīng)全系產(chǎn)品。

3 網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)

3.1 報(bào)文路由設(shè)計(jì)

報(bào)文路由是指網(wǎng)關(guān)將源子網(wǎng)上接收到的報(bào)文完整的復(fù)制到目標(biāo)子網(wǎng)，并且從目標(biāo)子網(wǎng)上發(fā)送出來。在這個(gè)過程中報(bào)文的周期和內(nèi)容不會(huì)被更改，報(bào)文ID則可以按照定義進(jìn)行修改或保持不變。網(wǎng)關(guān)收到報(bào)文就立即進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，收不到報(bào)文就停止轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 信號(hào)路由設(shè)計(jì)

信號(hào)路由是指網(wǎng)關(guān)將需要轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)從源子網(wǎng)的報(bào)文中取出，重新打包到網(wǎng)關(guān)的自主報(bào)文中，再將該自主報(bào)文發(fā)送到目的子網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)未接收到源子網(wǎng)的信號(hào)時(shí)，網(wǎng)關(guān)發(fā)送預(yù)定義的替代值，以表示該信號(hào)為網(wǎng)關(guān)所發(fā)，并非來自于源子網(wǎng)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

3.3 路由時(shí)間

以CAN-CAN路由為例，網(wǎng)關(guān)的完整的報(bào)文傳輸過程包括報(bào)文接收、報(bào)文處理以及報(bào)文發(fā)送三部分。

T1：網(wǎng)關(guān)接收一幀報(bào)文所需要的時(shí)間，約小于0.3ms;

T2：網(wǎng)關(guān)處理一幀報(bào)文所需要的時(shí)間，對(duì)于報(bào)文路由，應(yīng)小于0.4ms，對(duì)于信號(hào)路由，取決于自主報(bào)文的發(fā)送周期;

T3：網(wǎng)關(guān)發(fā)送一幀報(bào)文所需要的時(shí)間，約小于0.3ms;

綜上所述，網(wǎng)關(guān)的報(bào)文路由時(shí)間應(yīng)不超過1ms;網(wǎng)關(guān)的信號(hào)路由時(shí)間不超過自主報(bào)文的發(fā)送周期。如果目標(biāo)子網(wǎng)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高，需應(yīng)用報(bào)文路由策略。

3.3 路由表設(shè)計(jì)

以CAN-CAN路由為例，路由表中應(yīng)該包含以下重要信息：源子網(wǎng)、目標(biāo)子網(wǎng)、路由方式、信號(hào)和報(bào)文定義。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 MCU選型

MUC的選型決定了網(wǎng)關(guān)的功耗、運(yùn)行速度、功能實(shí)現(xiàn)程度，以及成本和運(yùn)算速率;要選好一款處理器更好考慮相關(guān)的配套開發(fā)工具、仿真器、以及軟件支持情況等。

4.2 LIN接口電路

以LIN收發(fā)器TJA1021為核心器件，終端電阻位于PIN6和PIN8之間，支持本地喚醒和外部（LIN）喚醒。

4.3 CAN接口電路

以CAN收發(fā)器TJA1043為核心器件，終端電阻位于PIN11和PIN12、PIN11和PIN13之間，支持本地喚醒和外部（CAN）喚醒。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)要求，軟件兼容ISO11898和SAE J1939兩種通訊協(xié)議，主要包括：電源管理任務(wù)、IO任務(wù)、AD任務(wù)、NV讀寫任務(wù)、自診斷模塊任務(wù)、路由調(diào)度模塊任務(wù)、LIN總線任務(wù)、CAN總線任務(wù)、空閑任務(wù)等。各個(gè)模塊均進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用功能處理。

5.2 信號(hào)路由配置

設(shè)計(jì)開放的軟件模塊，通過配置軟件自定義路由關(guān)系，生成路由表;將路由表通過 UDS 協(xié)議寫入網(wǎng)關(guān);路由表支持“報(bào)文路由”和“信號(hào)路由”兩種路由關(guān)系。

信號(hào)路由：網(wǎng)關(guān)從 CAN 報(bào)文中將信號(hào)解析出來，并將信號(hào)重組到另一個(gè)報(bào)文中發(fā)出，發(fā)出報(bào)文的時(shí)候遵循目標(biāo)報(bào)文自身的的發(fā)送策略。

報(bào)文路由：網(wǎng)關(guān)將某個(gè) CAN 接口上接收到的報(bào)文完整的復(fù)制到另一個(gè)或多個(gè)CAN 接口，并從這些接口上發(fā)出，在這個(gè)過程中報(bào)文的內(nèi)容被完整的復(fù)制而不會(huì)更改，復(fù)制后的報(bào)文 ID 則可以按照定義進(jìn)行修改或保持不變。報(bào)文路由在 CAN接口接收到完整的 CAN 報(bào)文后立即執(zhí)行。

6 測(cè)試驗(yàn)證

通過網(wǎng)關(guān)功能的規(guī)劃、硬件的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)基本成型，生產(chǎn)前要經(jīng)過很多測(cè)試，主要包括通信測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試、診斷測(cè)試和刷寫測(cè)試。診斷測(cè)試程序使用CANdela制作診斷數(shù)據(jù)庫(kù)文件，使用CAN.DiVa直接生產(chǎn)測(cè)試用例，其他功能測(cè)試需要使用CAPL+CANoe+程控硬件的模式。

7 結(jié)束語(yǔ)

整車網(wǎng)絡(luò)不僅是將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用雙絞線在整車上進(jìn)行連接，還需實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信、對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行報(bào)文ID分配、設(shè)計(jì)各報(bào)文的精度與長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的負(fù)載率，設(shè)計(jì)整車網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時(shí)監(jiān)聽和智能診斷;獨(dú)立網(wǎng)關(guān)可滿足上述情況要求，因此未來輕型卡車網(wǎng)絡(luò)通訊依靠獨(dú)立網(wǎng)關(guān)已成為必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 凌永成.汽車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]機(jī)械工業(yè)出版社2016.

[2] 羅峰，孫澤昌.CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]電子工業(yè)出版社2010.

[3] 王巖松.汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]清華大學(xué)出版社2012.