基于OSEK 標準的汽車網(wǎng)絡管理設計和驗證淺析

陳姿霖， 王遠波， 陳 佩

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

近年來汽車向舒適化、 智能化方向迅猛發(fā)展， 汽車電子控制系統(tǒng)的數(shù)量大幅增多， 部分ECU需要長時間工作，提高了網(wǎng)絡復雜度與電源分配的難度以及車輛對網(wǎng)絡的依賴性， 為了解決ECU數(shù)量增多帶來蓄電池饋電、 長期靜置后無法啟動等問題， 需要對車輛ECU進行休眠喚醒的管理，使車輛在長期靜置后能夠再次啟動。

使用網(wǎng)絡管理機制， 能使網(wǎng)絡上的控制器穩(wěn)定、 有序運行， 提高網(wǎng)絡資源的利用率， 實時監(jiān)控網(wǎng)絡上控制器的運行情況、 降低鑰匙拔出后車輛的電能消耗， 使車輛一直具有足夠的能量再次啟動。 本文在OSEK國際通用網(wǎng)絡管理規(guī)范的基礎上， 從設計方案和測試兩方面著手， 定義一種適合重型汽車使用的網(wǎng)絡管理和測試方法， 解決車輛電源分配和饋電問題。

1 OSEK網(wǎng)絡管理概述

OSEK是一種直接網(wǎng)絡管理方法， 通過專用的報文來報告網(wǎng)絡當前的狀態(tài)、 與網(wǎng)絡內(nèi)的其它控制器 （簡稱ECU）進行網(wǎng)絡狀態(tài)、 休眠請求、 休眠命令的傳遞， 互相協(xié)商以達到共同休眠的目標。 網(wǎng)絡上每個有網(wǎng)絡管理功能的ECU都有專用的網(wǎng)絡管理報文 （簡稱NM報文）， 網(wǎng)絡上的所有ECU沒有主從之分， 任何ECU都可以喚醒網(wǎng)絡、 申請休眠、發(fā)送休眠指令。

2 OSEK網(wǎng)絡管理設計

網(wǎng)絡管理設計包含ECU類型、 NM報文定義、 時間參數(shù)要求、 網(wǎng)絡狀態(tài)、 休眠和喚醒等方面。

2.1 ECU類型

根據(jù)車輛所有ECU的功能情況可將控制器分為兩大類。①Ⅰ類： 只在點火鑰匙打開 （簡稱IGN ON） 時工作； ②Ⅱ類： 在IGN ON時全程工作、 在點火鑰匙關閉 （簡稱IGN OFF） 下按需工作。 網(wǎng)絡管理的各項設計要求主要用于管理Ⅱ類ECU的休眠和喚醒行為。

2.2 NM報文定義與格式

2.2.1 NM報文定義

NM報文的ID格式使用標準幀或擴展幀都可以， 根據(jù)車型平臺進行統(tǒng)一規(guī)劃。

NM報文共有3類： 聲明報文 （簡稱Alive報文）、 邏輯環(huán)報文 （簡稱Ring報文）、 跛行回家報文 （簡稱LimpHome報文）。 通過NM控制域的標志位來進行區(qū)分， ECU使用NM報文向網(wǎng)絡內(nèi)其它ECU聲明自身的當前狀態(tài)。

2.2.2 NM報文格式

1） 目標地址

目標地址位于報文數(shù)據(jù)場中的第1個字節(jié)， 根據(jù)實際網(wǎng)絡情況而定， 如果網(wǎng)絡中只有一個Ⅱ類節(jié)點， 那么目標地址一直為發(fā)送節(jié)點的地址； 如果網(wǎng)絡中存在大于一個Ⅱ類節(jié)點， 除了第1幀的alive聲明報文的目標地址為發(fā)送節(jié)點的地址， 剩余發(fā)送的NM報文中的目標地址為邏輯后繼節(jié)點的地址。

2） NM控制域

控制域位于報文數(shù)據(jù)場中的第2個字節(jié)， 其各個位的含義， 見圖1。

圖1 NM報文的控制域

3） NM數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)場的第3字節(jié)到第7字節(jié)， 使用者可根據(jù)車型平臺功能定義進行自定義應用。

對于未定義的預留位全部用 “0/1” 進行填充。

4） NM報文類型和休眠標記

根據(jù)NM 報文中控制域的定義， 本章節(jié)介紹Alive 報文、 Ring報文、 LimpHome報文、 Sleep.Ind和Sleep.Ack標志的含義和用途。 ①Alive報文： 網(wǎng)絡中每個ECU 初始化完成后或者在令牌環(huán)傳遞的過程中發(fā)現(xiàn)自身被跳過時， 都會發(fā)送Alive報文， 用于聲明自己地址或聲明自己被跳過，向其它ECU聲明需要加入到網(wǎng)絡管理的邏輯環(huán)中。 Alive報文的目標地址等于發(fā)送Alive報文節(jié)點自身的地址。 在該階段， 網(wǎng)絡上的II類ECU需要根據(jù)其它ECU發(fā)送的Alive報文不斷的動態(tài)調(diào)整配置表， 進而確定自身的前繼節(jié)點和后繼節(jié)點。 ②Ring報文： ECU在確定了自身的前繼節(jié)點和后繼節(jié)點后， 需要與網(wǎng)絡內(nèi)的其它ECU 建立令牌環(huán)，ECU在接收到其前繼節(jié)點的Ring報文后， 向其后繼者發(fā)送自己的Ring 報文， 這個傳遞的順序和機制稱為令牌環(huán)。Ring報文的目標地址為其后繼節(jié)點地址。 ③LimpHome 報文： 處 于 故 障 狀 態(tài) （NMRxcount、 NMTxcount 數(shù) 值 超 過 閾值） 的ECU以TError周期發(fā)送LimpHome報文。 與Alive報文相同， LimpHome報文目標地址為發(fā)送LimpHome報文節(jié)點自身的地址。 當網(wǎng)絡內(nèi)只有一個II類ECU 時， ECU 發(fā)送4組Alive報 文、 Ring報 文， 再 發(fā) 送 一 幀Alive 報 文 后， 發(fā) 送LimpHome報文。 ④Sleep.Ind標志： Sleep.Ind為休眠請求標志位， 當ECU檢測到自身的休眠條件不滿足時， 發(fā)出的NM報文中該位為0， 聲明自身不滿足休眠條件； 當ECU檢測到自身的休眠條件滿足時， 發(fā)出的NM報文中該位為1，聲 明 自 身 滿 足 休 眠 條 件。 ⑤Sleep.Ack 標 志： Sleep.Ack 為休眠應答標志位， 令牌環(huán)中第1個檢測到所有ECU的休眠請求標志位為1的ECU發(fā)出的NM報文中該位為1。 發(fā)出NM報文中該位為1的ECU和接受到該指令的ECU需立即停發(fā)所有報文。

2.3 網(wǎng)絡管理狀態(tài)

網(wǎng)絡管理的狀態(tài)總共有3種狀態(tài)： 未激活、 啟動、 激活。 NM狀態(tài)如圖2所示。

圖2 NM狀態(tài)

2.3.1 網(wǎng)絡未激活

在該狀態(tài)下， ECU不會收發(fā)任何報文， 當檢測到電源使能信號有效、 本地喚醒事件有效、 遠程事件 （接收到任意總線報文）， 應請求啟動網(wǎng)絡， 從未激活向啟動狀態(tài)遷移， 該遷移過程需要在一定的時間內(nèi)完成。

2.3.2 網(wǎng)絡啟動狀態(tài)

該狀態(tài)包含3個子狀態(tài)： 網(wǎng)絡初始化、 網(wǎng)絡激活、 網(wǎng)絡休眠。

1） 網(wǎng)絡初始化狀態(tài)： ECU進入網(wǎng)絡啟動狀態(tài)后先進行通信程序、 寄存器等網(wǎng)絡初始化行為， 初始化應在一定的時間內(nèi)完成， 初始化完成后ECU會發(fā)出NM報文和應用報文， 先發(fā)NM報文后發(fā)應用報文。

2） 網(wǎng)絡激活狀態(tài)包含網(wǎng)絡重置、 網(wǎng)絡正常運行、 網(wǎng)絡跛行3種子狀態(tài)。 ECU進入網(wǎng)絡激活狀態(tài)后首先進入的是網(wǎng)絡重置狀態(tài)， 發(fā)送Alive報文聲明自身的存在， 然后立刻進入網(wǎng)絡正常運行狀態(tài)； 在網(wǎng)絡正常運行狀態(tài)下監(jiān)控其它處于激活的節(jié)點， 記錄所有ECU的源地址， 動態(tài)適配自身的前繼節(jié)點和后繼節(jié)點， 并以一定的周期向自身后繼節(jié)點發(fā)送Ring報文， 建立邏輯環(huán)； 當錯誤計數(shù)器到達閥值后ECU會進入跛行狀態(tài)， 并以一定的周期發(fā)送狀態(tài)為跛行的NM報文， 當ECU從Busoff狀態(tài)下恢復后發(fā)出的第1幀NM報文應該為跛行報文。

3） 網(wǎng)絡休眠狀態(tài)包含休眠等待和徹底休眠兩種狀態(tài)。ECU進入休眠狀態(tài)首先進入的是休眠等待狀態(tài)， 該狀態(tài)需要定義合理的時間用于ECU休眠之前的信息存儲， 在該狀態(tài)下ECU不能發(fā)送任意報文， 但是可以被喚醒源喚醒， 時間到后應該遷移到徹底休眠狀態(tài)； 徹底休眠狀態(tài)為ECU的低功耗狀態(tài)。

2.4 休眠和喚醒

當車輛靜止， 鑰匙從on擋切換到off擋時， Ⅰ類ECU就停止工作； 當車輛靜止拔出鑰匙， 為了保證蓄電池的使用時長和防止?jié)㈦姡?網(wǎng)絡上的Ⅱ類ECU在該情況下檢查自身運行的功能對網(wǎng)絡的需求， 如果需要使用網(wǎng)絡， 發(fā)送的NM報文中不帶休眠請求信息； 如果不需要使用網(wǎng)絡， 發(fā)送的NM報文中帶休眠請求信息； 在環(huán)運行的過程中， 每個控制器都監(jiān)控其他節(jié)點發(fā)送的休眠請求信息， 第1個檢測到所有ECU都發(fā)送了休眠請求的ECU發(fā)送休眠命令報文， 所有ECU停發(fā)報文， 進入低功耗模式。 這樣在網(wǎng)絡上通過請求休眠和休眠命令這樣的信息使整個網(wǎng)絡的所有ECU達到同步休眠。

Ⅱ類ECU休眠條件由其功能的使用情況而決定。

鑰匙處于off擋時， 如果外部有功能需求會將整車喚醒；喚醒一般針對的是Ⅱ類ECU， 整車的喚醒條件或ECU的喚醒條件主要由車輛的實際應用而定。

3 測試

根據(jù)OSEK網(wǎng)絡管理設計規(guī)范中定義的初始化時間、 報文周期、 網(wǎng)絡狀態(tài)的切換入手， 從正向、 逆向、 邊界、 冗余等方面制定全方面的測試用例。

3.1 測試用例設計

因為在正常-休眠-喚醒狀態(tài)的切換過程中， 需要在特定的時間發(fā)送特殊報文， 在測試過程中需按照測試用例開發(fā)測試腳本來完成測試。

以整車網(wǎng)絡從鑰匙off擋—on擋—off擋—休眠這個過程為例， 設計的測試用例需要覆蓋單節(jié)點和多節(jié)點的初始化時間、 報文類型、 狀態(tài)遷移、 喚醒休眠順序等方面進行正向、 逆向、 臨界、 冗余測試， 以保證測試覆蓋率， 盡可能地發(fā)現(xiàn)問題， 進行完善。

3.2 測試數(shù)據(jù)解析

測試數(shù)據(jù)解析分為喚醒數(shù)據(jù)和休眠數(shù)據(jù)兩類， 如圖3、圖4所示。

圖3 喚醒數(shù)據(jù)

圖4 休眠數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文從設計和測試兩方面來介紹OSEK網(wǎng)絡管理的設計和驗證方法。 全面的設計內(nèi)容需要大量實車應用測試， 總結(jié)所遇到的問題， 對規(guī)范進行補充， 以達到穩(wěn)定、 節(jié)能的目的。