車載網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)述

【摘" 要】隨著汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷擴(kuò)大。文章從概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證三方面介紹車載網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程，包括車載以太網(wǎng)、CAN/CANFD、LIN等。其中，概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行需求分析并制定總線通信規(guī)范；系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段考慮拓?fù)湓O(shè)計(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行通信矩陣、診斷協(xié)議設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫(kù)和整車仿真模型建立；測(cè)試驗(yàn)證階段編制測(cè)試規(guī)范、開(kāi)發(fā)測(cè)試環(huán)境、設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試用例并實(shí)施測(cè)試。最后總結(jié)車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)及本文對(duì)相關(guān)從業(yè)人員和汽車產(chǎn)業(yè)的意義。

【關(guān)鍵詞】車載網(wǎng)絡(luò)；車載以太網(wǎng)；CAN/CANFD；LIN

中圖分類號(hào)：U463.6"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" 文章編號(hào)：1003-8639（2025）01-0046-05

Introduction to the Development Process of Vehicle Network*

MAO Honglin1，CEN Zhongshan2，HAN Guangsheng1，ZHENG Jixiang1，WEI Wenjie1，LI Baosheng1

（1.CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300300；

2.Guangxi Eco-engineering Vocational and Technical College，Liuzhou 545004，China）

【Abstract】With the development of automobile industry，the application of vehicle-mounted network continues to expand. This paper introduces the development process of vehicle network from three aspects： concept design，system design，test and verification，including vehicle Ethernet，CAN/CANFD，LIN，etc. In the conceptual design phase，requirements are analyzed and bus communication specifications are formulated. In the stage of system design，the key points of topology design are considered，and the communication matrix，diagnostic protocol design and database and vehicle simulation model are established. In the test verification phase，test specification is prepared，test environment is developed，automated test cases are designed and tested. Finally，it summarizes the development trend of vehicle network and the significance of this paper to relevant practitioners and the automotive industry.

【Key words】vehicle network；on-board Ethernet；CAN/CANFD；LIN

1" 車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)展趨勢(shì)

隨著車輛電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度的不斷加深，空中下載技術(shù)OTA、車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)V2X、高級(jí)輔助駕駛ADAS等高帶寬應(yīng)用的需求不斷加大。由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車不斷增加的電子電氣功能[1]，使得電子控制單元（ECU）的數(shù)量急劇增加，并且負(fù)載率接近邊界值等因素，進(jìn)而導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)。圖1展示了車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程和未來(lái)趨勢(shì)，通過(guò)分析可知，車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遵循著從單網(wǎng)段到CAN-LIN多網(wǎng)段，再到CAN-LIN-Ethernet多網(wǎng)段以及多網(wǎng)段域集中式的發(fā)展路徑，最終將會(huì)演進(jìn)成為中央集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2" 車載網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程

車載網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程分為概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證3個(gè)階段，如圖2所示。

1）概念設(shè)計(jì)：依據(jù)車型的開(kāi)發(fā)計(jì)劃、車型配置表、功能需求清單、對(duì)標(biāo)車和平臺(tái)車型分析以及供應(yīng)商調(diào)查表等，對(duì)目標(biāo)車型進(jìn)行需求分析，以明確網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)需求，進(jìn)而編制與網(wǎng)絡(luò)總線開(kāi)發(fā)相關(guān)的需求規(guī)范[2]。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在綜合考慮成本以及可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信矩陣開(kāi)發(fā)、診斷協(xié)議開(kāi)發(fā)，并建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型。

3）測(cè)試驗(yàn)證：在設(shè)計(jì)規(guī)范制定完成后，立即進(jìn)行測(cè)試規(guī)范的制定，最后對(duì)單節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)臺(tái)架以及整車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和診斷測(cè)試驗(yàn)證。

3" 概念設(shè)計(jì)階段

概念設(shè)計(jì)又稱為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要根據(jù)目標(biāo)車型需求分析和平臺(tái)需求來(lái)制定規(guī)范，從上層確定車載網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)方向。

3.1" 概念階段需要進(jìn)行多維度分析

1）配置需求分析：根據(jù)整車配置規(guī)劃清單和功能清單，對(duì)整車電氣零部件采用總線通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行初步預(yù)估。

2）整車功能需求分析：根據(jù)整車具體的功能需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理、診斷、刷寫、OTA升級(jí)等方面的需求進(jìn)行評(píng)估。

3）對(duì)標(biāo)車型分析：分析對(duì)標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)管理方式、重點(diǎn)關(guān)注新功能的通信方式、整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新型總線的應(yīng)用。

4）平臺(tái)車型分析：由于車型并非獨(dú)立于平臺(tái)存在，可參考現(xiàn)有平臺(tái)車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂偩€矩陣，充分考慮其繼承性與擴(kuò)展性。

5）供應(yīng)商調(diào)查表分析：發(fā)放供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)和診斷開(kāi)發(fā)能力調(diào)查表，對(duì)現(xiàn)有及潛在供應(yīng)商的當(dāng)前方案、開(kāi)發(fā)能力、技術(shù)路線進(jìn)行調(diào)查，有助于確定網(wǎng)絡(luò)方案。

3.2" 總線通信規(guī)范設(shè)計(jì)

若企業(yè)在此之前沒(méi)有車載網(wǎng)絡(luò)總線規(guī)范，那么就需要建立企業(yè)級(jí)規(guī)范。對(duì)于CAN/LIN，相關(guān)規(guī)范包括物理層規(guī)范、高速CAN通信規(guī)范、ID分配規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)管理需求規(guī)范、網(wǎng)關(guān)需求規(guī)范、診斷平臺(tái)需求規(guī)范、Bootloader刷新需求規(guī)范、LIN通信需求規(guī)范等。而對(duì)于Ethernet（以太網(wǎng)），相關(guān)規(guī)范有物理層需求規(guī)范、線束與連接器規(guī)范、IP層需求規(guī)范、SOME/IP需求規(guī)范、UDS on IP規(guī)范、Ethernet-CAN/CANFD網(wǎng)關(guān)路由需求規(guī)范、車載以太網(wǎng)配置規(guī)范、車載以太網(wǎng)UDP網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范等。

若企業(yè)已經(jīng)擁有車載網(wǎng)絡(luò)總線平臺(tái)規(guī)范，那么就需要在對(duì)目標(biāo)車型進(jìn)行分析之后，考慮當(dāng)前的總線規(guī)范是否滿足開(kāi)發(fā)需求，例如網(wǎng)絡(luò)管理策略、網(wǎng)關(guān)路由策略等內(nèi)容是否需要因車型而進(jìn)行局部調(diào)整。如果需要調(diào)整，那么可以在平臺(tái)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修改，使其成為適用于目標(biāo)車型的規(guī)范。

4" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

4.1" 拓?fù)湓O(shè)計(jì)考慮

車載網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)淠苤苯臃从痴嚫鱁CU通信系統(tǒng)之間的關(guān)系，其設(shè)計(jì)考慮點(diǎn)如下。

1）總線結(jié)構(gòu)類型選擇：總線形、星形、環(huán)形、菊花鏈路形等總線結(jié)構(gòu)。

2）網(wǎng)絡(luò)總線類型選擇：CAN、CANFD、LIN、車載以太網(wǎng)。

3）網(wǎng)關(guān)類型選擇：采用集成式網(wǎng)關(guān)（集成在域控制器）或獨(dú)立網(wǎng)關(guān)。

4）波特率（速率）選擇：車載以太網(wǎng)速率選擇1000Base、100Base、10Base，CAN/CANFD波特率選擇2Mb/s、500kb/s、250kb/s、125kb/s。

5）網(wǎng)絡(luò)管理類型選項(xiàng)：采用AUTOSAR還是OESK網(wǎng)絡(luò)管理，支持不同網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的節(jié)點(diǎn)不允許放在同一網(wǎng)段。

6）終端電阻布置位置：電阻集成在各網(wǎng)段最遠(yuǎn)端的ECU中。

7）私有網(wǎng)段和跨接網(wǎng)段使用：當(dāng)某些網(wǎng)段上的控制器過(guò)多時(shí)，可建立私有網(wǎng)絡(luò)以減少對(duì)公共網(wǎng)絡(luò)的影響[3]；對(duì)于需要和多個(gè)域進(jìn)行交互的控制器，由于交互數(shù)量多且報(bào)文周期短，建議該ECU通過(guò)跨接網(wǎng)段來(lái)減少總線負(fù)載率。

8）考慮ECU刷寫：是否支持Bootloader刷寫、并行刷寫，且兼容本地刷寫與遠(yuǎn)程刷寫。

9）考慮標(biāo)定、診斷和刷寫：推薦采用統(tǒng)一路徑，同時(shí)允許特殊節(jié)點(diǎn)采用單獨(dú)的標(biāo)定、診斷或刷寫網(wǎng)段。

10）考慮節(jié)點(diǎn)布置位置：基于ECU功能需求，將功能相關(guān)且功能交互頻繁的節(jié)點(diǎn)盡量布置在同一網(wǎng)段（如動(dòng)力、底盤、信息娛樂(lè)、車身、智能駕駛等網(wǎng)段），以減少信號(hào)路由。

11）總線帶寬與負(fù)載率：根據(jù)帶寬需求及成本情況，選擇合適的協(xié)議傳輸，確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率對(duì)消息延時(shí)的影響不超過(guò)±10%。

12）考慮整車的網(wǎng)絡(luò)安全：防火墻、獨(dú)立診斷網(wǎng)段的設(shè)計(jì)能有效防止數(shù)據(jù)泄露。

車載網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)涫纠鐖D3所示。因功能控制器較多，采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)按照功能建立動(dòng)力、智能駕駛、信息娛樂(lè)、車身、診斷網(wǎng)段；多個(gè)控制器（VCU、T-BOX、IPC）采用雙路總線跨接，分別發(fā)送和接收信號(hào)，降低總線負(fù)載率；控制器自身的傳感器或執(zhí)行器功能通信采用多路LIN總線實(shí)現(xiàn)；ADAS輔助駕駛系統(tǒng)使用私有CAN進(jìn)行多傳感器的信息融合，減少對(duì)公共CAN的影響。

4.2" 通信矩陣設(shè)計(jì)

4.2.1" CAN/LIN通信矩陣設(shè)計(jì)

與產(chǎn)品工程師或供應(yīng)商展開(kāi)交流，明確各電子控制單元（ECU）的信號(hào)發(fā)送（TX）和接收（RX）需求，從而完成信號(hào)接口控制文檔（ICD）收發(fā)列表。該列表包含信號(hào)名稱、信號(hào)長(zhǎng)度、信號(hào)精度、信號(hào)范圍、信號(hào)發(fā)送類型以及收發(fā)關(guān)系等信息。網(wǎng)絡(luò)工程師把信號(hào)封裝成報(bào)文，制定報(bào)文名稱、報(bào)文標(biāo)識(shí)（ID）和報(bào)文發(fā)送類型，依此編制整車通信矩陣。對(duì)于跨網(wǎng)段傳輸?shù)膱?bào)文，需要制定網(wǎng)關(guān)報(bào)文路由列表。通信矩陣示例如圖4所示。

4.2.2" 車載以太網(wǎng)SOME/IP通信矩陣設(shè)計(jì)

架構(gòu)工程師依據(jù)功能架構(gòu)開(kāi)發(fā)的相關(guān)輸入文檔，完成用例（Use Case）列表的開(kāi)發(fā)工作。用例列表是服務(wù)導(dǎo)向可擴(kuò)展中間件（SOME/IP）通信矩陣開(kāi)發(fā)的重要輸入，其包含的屬性有：系統(tǒng)名稱、功能名稱、使用場(chǎng)景、使用場(chǎng)景描述、前置條件、觸發(fā)條件、動(dòng)態(tài)序列交互、傳輸數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)類型、最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送頻率要求、傳輸介質(zhì)。

網(wǎng)絡(luò)工程師將用例列表作為SOME/IP通信矩陣定義的輸入文檔，把用例列表中的傳輸數(shù)據(jù)逐一映射到SOME/IP通信矩陣當(dāng)中，其中包括：服務(wù)名稱、服務(wù)ID、服務(wù)描述、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RPC）類型、方法/事件ID、傳輸層協(xié)議、發(fā)送策略、發(fā)送周期等信息。車載以太網(wǎng)SOME/IP通信矩陣示例如圖5所示。

4.3" 診斷協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)控制器功能需求設(shè)計(jì)ECU支持的診斷服務(wù)、診斷參數(shù)和安全算法開(kāi)發(fā)、EOL下線流程開(kāi)發(fā)，完成ECU診斷開(kāi)發(fā)。圖6為ECU支持的診斷服務(wù)列表示例。

1）支持的UDS診斷服務(wù)列表，如0x10診斷模式控制、0x11電控單元復(fù)位、0x27安全訪問(wèn)、0x28通信控制、0x22讀取數(shù)據(jù)、0x2E寫入數(shù)據(jù)、0x19讀取診斷信息等。

2）DTC列表顯示ECU支持的所有診斷故障碼清單。

3）讀寫DID列表顯示通過(guò)0x22、0x2A或0x2E服務(wù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的讀取或?qū)懭氩僮鳌?/p>

4）根據(jù)ECU特性開(kāi)發(fā)Bootloader刷寫流程。

5）根據(jù)安全訪問(wèn)算法配置規(guī)范以及節(jié)點(diǎn)的算法掩碼輸入，為每個(gè)控制器開(kāi)發(fā)不同安全等級(jí)的安全算法dll文件，dll文件的輸出函數(shù)均有清晰的函數(shù)名、參數(shù)列表、返回類型等，兼容符合標(biāo)準(zhǔn)的診斷設(shè)備及測(cè)試設(shè)備。

6）開(kāi)發(fā)EOL下線流程問(wèn)卷，包含所需診斷服務(wù)、DID、EOL流程描述、EOL流程圖等技術(shù)要素；ECU零部件供應(yīng)商填寫具體的技術(shù)要素參數(shù)后，進(jìn)行邏輯審核，并組織問(wèn)題討論和定版。

4.4" 數(shù)據(jù)庫(kù)和整車仿真模型建立

使用CANoe.db++進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)DBC文件的設(shè)計(jì)；使用LDF Explorer進(jìn)行LIN數(shù)據(jù)庫(kù)LDF文件的設(shè)計(jì)；使用PREEvision軟件進(jìn)行車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)ARXML文件的設(shè)計(jì)；利用CANdelaStudio軟件建立各ECU診斷數(shù)據(jù)庫(kù)CDD文件，CDD文件主要用于支持UDS診斷協(xié)議的ECU在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，也可使用轉(zhuǎn)換軟件生成ODX文件應(yīng)用于產(chǎn)線和售后診斷階段。

使用CANoe建立整車網(wǎng)絡(luò)仿真模型（圖7），根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范建立仿真模型、設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面、開(kāi)發(fā)仿真程序得出總線負(fù)載率及延遲率分析報(bào)告。

5" 測(cè)試驗(yàn)證階段

5.1" 測(cè)試規(guī)范開(kāi)發(fā)-編制測(cè)試規(guī)范

編制符合需求規(guī)范的測(cè)試規(guī)范，定義測(cè)試目的、測(cè)試步驟、測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果。

CAN/LIN總線測(cè)試規(guī)范有：CAN通信測(cè)試規(guī)范、LIN通信測(cè)試規(guī)范、OSEK網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試規(guī)范、AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試規(guī)范、網(wǎng)關(guān)測(cè)試規(guī)范、診斷協(xié)議測(cè)試規(guī)范、Bootloader測(cè)試規(guī)范、系統(tǒng)集成測(cè)試規(guī)范、整車測(cè)試規(guī)范。

車載以太網(wǎng)測(cè)試規(guī)范有：節(jié)點(diǎn)物理層測(cè)試規(guī)范、協(xié)議一致性測(cè)試規(guī)范、交換機(jī)測(cè)試規(guī)范、UDS測(cè)試規(guī)范、Bootloader測(cè)試規(guī)范、DoIP協(xié)議測(cè)試規(guī)范、SOME/IP測(cè)試規(guī)范、網(wǎng)關(guān)路由測(cè)試規(guī)范、gPTP測(cè)試規(guī)范、系統(tǒng)和實(shí)車測(cè)試規(guī)范。

5.2" 測(cè)試環(huán)境開(kāi)發(fā)

測(cè)試前期需要基于ECU線束ICD以及零部件供應(yīng)商提供的接插件制作用于單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的專用線束?？筛鶕?jù)車型的需求開(kāi)發(fā)適用于系統(tǒng)測(cè)試的柜式臺(tái)架（圖8），或使用真實(shí)線束在車型臺(tái)架搭建系統(tǒng)臺(tái)架環(huán)境。

5.3" 自動(dòng)化測(cè)試用例設(shè)計(jì)及測(cè)試實(shí)施

開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)試用例以實(shí)現(xiàn)電子控制單元（ECU）高效的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。對(duì)于CAN總線測(cè)試用例設(shè)計(jì)涵蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用層、網(wǎng)關(guān)測(cè)試等方面；LIN總線測(cè)試用例設(shè)計(jì)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)管理以及魯棒性等內(nèi)容；車載以太網(wǎng)測(cè)試用例設(shè)計(jì)包含物理層PMA和IOP、TC8 3.0協(xié)議一致性、診斷互聯(lián)協(xié)議（DoIP）協(xié)議、網(wǎng)關(guān)路由、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用層等。

車載網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ECU單節(jié)點(diǎn)測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、整車測(cè)試來(lái)驗(yàn)證ECU符合設(shè)計(jì)規(guī)范，從而保障車輛各ECU間通信的穩(wěn)定性。

6" 結(jié)束語(yǔ)

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，整車的智能座艙、人機(jī)交互、智能駕駛等功能順勢(shì)而生，并逐漸成為汽車發(fā)展的主流方向[4]。車載網(wǎng)絡(luò)在汽車中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，網(wǎng)絡(luò)總線類型也會(huì)更加多樣化。本文從車載網(wǎng)絡(luò)的概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證三方面對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，為相關(guān)從業(yè)人員提供了一定的技術(shù)參考[5]，同時(shí)也為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 凌" 波）