汽車CAN總線信號快速跨網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)算法的研究

牛昱棟，劉永春，高發(fā)廷

（中國重型汽車集團汽車研究總院，山東 濟南 250002）

1 引言

從車輛發(fā)明至今，汽車已經(jīng)從純粹的機械結(jié)構(gòu)發(fā)展到擁有數(shù)個甚至數(shù)十個控制單元，隨著車輛安全、舒適需求的增加，控制單元的數(shù)量越來越多，對網(wǎng)絡(luò)的負擔也越來越大。車輛根據(jù)不同的功能域進行了劃分，每個域擁有一個獨立的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，但是由于車輛是一個完整的整體，每個域之間存在著一定數(shù)據(jù)的流通，信號穩(wěn)定實時轉(zhuǎn)發(fā)，才能保證車輛整體功能的穩(wěn)定可靠。

本文通過對CAN報文屬性的研究、操作系統(tǒng)的運行模式與信號網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的需求分析，設(shè)計一套適用于大部分情況的快速穩(wěn)定的跨網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略，并且具有相當?shù)撵`活性。

2 信號在設(shè)計架構(gòu)上的數(shù)據(jù)流向

車輛上存在多個總線網(wǎng)絡(luò)間信號交互的時候，我們將轉(zhuǎn)發(fā)前即存在該信號的總線網(wǎng)絡(luò)稱為該信號的源網(wǎng)絡(luò)，將該信號轉(zhuǎn)發(fā)到總線網(wǎng)絡(luò)稱為該信號的目標網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)流即為從源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目標網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的實現(xiàn)我們稱之為網(wǎng)關(guān)功能區(qū)，圖1給出了總線數(shù)據(jù)從源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目標網(wǎng)絡(luò)上的具體流向，此過程主要由網(wǎng)關(guān)功能區(qū)，判斷該信號是否需要轉(zhuǎn)發(fā)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到特別目標網(wǎng)絡(luò)，無關(guān)信號不會被轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 總線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流向

3 網(wǎng)關(guān)功能區(qū)對信號的處理

網(wǎng)關(guān)功能區(qū)是CAN總線網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)發(fā)功能的實現(xiàn)區(qū)域，負責(zé)從源網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)到目標網(wǎng)絡(luò)，若需要轉(zhuǎn)發(fā)，則將該數(shù)據(jù)發(fā)送至目標網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)關(guān)功能區(qū)細分為4個子功能模塊，分別為CAN信號接收子模塊、CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊、CAN信號發(fā)送子模塊和CAN信號發(fā)送成功確認子模塊，圖2為各個子功能模塊間的數(shù)據(jù)流向。

圖2 網(wǎng)關(guān)功能區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)流向

1）CAN信號接收子模塊負責(zé)信號的初步接收，并將信號中需要的信息保存至相應(yīng)CAN網(wǎng)絡(luò)的接收buffer中，等待CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊對數(shù)據(jù)進行具體判斷處理。

2）CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊將接收buffer中的信號與提前準備好的轉(zhuǎn)發(fā)配置表對比，判斷該信號是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，若需要轉(zhuǎn)發(fā)，則將該信號存放在對應(yīng)通道的發(fā)送buffer中，等待CAN信號發(fā)送子模塊判斷信號合適進行發(fā)送。

3）CAN信號發(fā)送子模塊，判斷各個CAN通道的發(fā)送buffer的狀態(tài)與當前CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當buffer狀態(tài)不為空且CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為空閑時，按先進先出依次發(fā)送CAN信號到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)上。

4）CAN信號發(fā)送成功確認子模塊，當需要轉(zhuǎn)發(fā)的CAN信號發(fā)送成功后，此模塊會被回調(diào)，判斷發(fā)送buffer中還存在CAN信號未發(fā)送則跳轉(zhuǎn)到CAN信號發(fā)送子模塊，若發(fā)送buffer為空則退出，等待新CAN信號的到來。

4 CAN信號接收子模塊對信號的處理

CAN信號接收子模塊位于中斷當中，主要任務(wù)是將CAN網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)從寄存器搬移到特定的RAM區(qū)域，并觸發(fā)CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊的事件。為了達到穩(wěn)定安全的目的，在中斷中的工作盡量做得少，圖3為CAN信號接收子模塊的數(shù)據(jù)流向。

圖3 CAN信號接收子模塊數(shù)據(jù)流向

5 CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊對信號的處理

CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊被觸發(fā)之后，讀取RAM中存放的具體的數(shù)據(jù)并與轉(zhuǎn)發(fā)配置表中的信息對比，確認是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，若需要轉(zhuǎn)發(fā)，則根據(jù)配置表中的信息，將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)存放至對應(yīng)通道的發(fā)送buffer中?？紤]到操作系統(tǒng)之間通過事件切換任務(wù)需要時間，在成功接收到信號后直接在同一個任務(wù)中調(diào)用CAN信號發(fā)送子模塊。圖4為CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊的數(shù)據(jù)流向。

圖4 CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)需求判斷子模塊數(shù)據(jù)流向

6 CAN信號發(fā)送子模塊對信號的處理

CAN信號發(fā)送子模塊即將具體的數(shù)據(jù)從發(fā)送buffer中取出，通過寄存器操控硬件將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標網(wǎng)絡(luò)上，圖5為CAN信號發(fā)送子模塊的數(shù)據(jù)流向。

圖5 CAN信號發(fā)送子模塊的數(shù)據(jù)流向

7 CAN信號發(fā)送成功確認子模塊的處理

CAN信號發(fā)送成功確認子模塊負責(zé)管理一條報文發(fā)送后，確認發(fā)送成功并判斷是否繼續(xù)向目標網(wǎng)絡(luò)發(fā)送CAN信號。圖6為CAN信號發(fā)送成功確認子模塊的操作流程。

圖6 CAN信號發(fā)送成功確認子模塊的操作流程

8 結(jié)語

本文闡述了一種CAN總線信號快速跨網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)算法，該算法實現(xiàn)了CAN總線信號快速跨網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，并且在快速的基礎(chǔ)上兼顧了穩(wěn)定，考慮了不同邏輯的相互分離與所應(yīng)處于數(shù)據(jù)流的位置，形成閉環(huán)，不會造成數(shù)據(jù)沖突，邏輯實現(xiàn)復(fù)雜性小，可適用于任何跨網(wǎng)絡(luò)的ECU，轉(zhuǎn)發(fā)速度快，保證了數(shù)據(jù)的實時有效，可以為CAN信號轉(zhuǎn)發(fā)、處理提供重要的參考。