基于独立网关的汽车网络总线系统设计

周红英，陶龙龙

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

设计研究

基于独立网关的汽车网络总线系统设计

周红英，陶龙龙

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

网络总线在汽车中的应用越来越普遍，如何高效、低风险的做好汽车网络总线的平台化开发，显得尤为重要。本文提出了一种高效的网络总线开发理念：基于独立网关的汽车网路总线开发；基于独立网关的汽车网络总线系统设计方法能有效地降低开发风险；提高开发效率，保证网络通讯安全，并能灵活实现系统平台化设计。

汽车网络总线；集成网关；独立网关；诊断

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-01-04

引言

随着整车越来越多的舒适娱乐功能需求，使得整车CAN (Controller Area Network控制器局域网络)控制电子模块控制器大大增加，传统的基于集成网关的网络总线结构已经不能满足总线通讯需求，单条CAN总线上节点多、通讯量大，导致网络负载率增大，影响CAN通讯质量。本文重点介绍了基于独立网关技术的整车网络总线系统设计，通过设计和开发应用，掌握了汽车电子电器网络总线系统开发、生产检测与配置、售后诊断的全过程开发能力，为新车型应用共平台运作的产业化开发模式奠定了基础。整车网络总线系统的设计不仅是将各CAN控制器用双绞线在整车上连接，还需要对整车报文进行ID地址分配，时序分析，系统负载率设计，整车网络管理系统设计，诊断系统设计等，同时要求在生产过程中实现自动化配置和检测系统，以及在售后过程中实现智能诊断。

1、基于集成网关网络总线架构设计

基于集成网关的网络总线架构设计的基本思路：首先选择一个CAN网络节点作为集成网关，除了要完成节点本身功能外，还需负责CAN网络信息的转发。在设计时将整车网络分成两个主要子网：动力CAN子网和车身CAN子网，采用一个控制器，如仪表（ICM）作为集成网关。通过集成网关将两子网连接起来，进行信号转换和诊断。图1为基于集成网关的网络总线架构拓扑。

1.1 动力CAN

经过对整车功能和零部件分析，发动机管理系统(EMS)、变速箱控制单元(TCU)、车辆电子稳定系统（ESC)、电子助力转向（EPS）、安全气囊（SRS）等之间的信息交换量比较大，也比较频繁，它们同属动力系统范畴，所以将以上ECU共同组成一个动力CAN子网。由于动力控制子网中的数据相对较多，实时性、可靠性要求较高，所以采用500Kbps的高速CAN通讯速率。

1.2 车身CAN

由于车身控制器(BCM)，空调控制器(HVAC)、DVD等模块信息交换量大，故将这些跟舒适娱乐相关控制器组成一个车身CAN子网。相对动力控制子网而言，车身控制子网的控制器信息较少，实时性要求也不是十分严格，所以采用100Kbps的低速CAN通讯速率。

基于集成网关的网络总线架构只具备两条CAN通讯能力，可扩展性不强。随着网络上CAN控制器逐渐增多，采用集成网关的两条CAN网络结构出现网络负载率过大的现象，影响CAN通讯质量。

2、基于独立网关网络总线架构设计

在CAN网络总线架构设计过程中，必须充分考虑了以下几个方面：

（1）电磁兼容性：要满足电磁辐射标准；

（2）信号确定性：控制信号的传输延迟时间要小于规定的阀值；

（3）完善的错误处理策略：定义CAN通讯中节点BUSOFF和CAN通讯超时的错误处理策略；

（4）容错性：发生故障后能恢复到正常状态；

（5）独立诊断：网络的监控和故障诊断功能；

（6）网络可扩展性：CAN通信网络要容易展；

（7）低成本：汽车电子器件的低成本对汽车的批量生产至关重要；

（8）报文质量：网络传输报文的速率、优先等级，网络的节点容量。

独立网关支持多路总线的特性使得整车网络总线灵活性大大提高，网络总线跨平台整合变得简便快捷。通常情况下一个整车网络总线可包含多个通讯子网，如动力网络总线、舒适网络总线，娱乐总线等，各子网以独立网关为通讯枢纽。

基于独立网关的网络总线架构设计的基本路：在设计中将整车网络分成4条CAN子网和2条LIN控制子网：动力CAN子网、底盘CAN子网、舒适CAN子网和娱乐CAN子网，以及2条速率为19.2Kbps的LIN线子网，随着各控制器功能逐渐增多，通讯量很大，故将4条CAN总线速率均设为500Kbps，便于进行CAN网络扩展。通过独立网关将各子网连接起来，进行信号转换和独立诊断。图2为基于独立网关的网络总线架构拓扑 ：

2.1 子网设计

（1）动力CAN

经过对整车功能和零部件分析，发动机管理系统(EMS)、变速箱控制单元(TCU)、换挡模块控制（SLC）和安全气囊（SRS）之间的数据交换量比较大，也比较频繁，它们同属动力系统范畴，所以将以上ECU共同组成一个动力CAN子网。

（2）底盘CAN

由于车身控制器（ESC）、电子助力转向（EPS）、电子驻车（EPB）、转角传感器（SAS）等又细属于底盘范畴，组成底盘CAN总线。

（3）舒适CAN

将仪表（ICM）、车身控制器（BCM）、空调（HVAC）、无钥匙进入无钥匙启动（PEPS）等跟舒适相关控制器组成舒适CAN子网。

（4）娱乐CAN

将DVD、品牌音响（AMP）、倒车影像（VRR）、时钟（CLOCK）等娱乐相关的控制器组成娱乐CAN子网。

（5）LIN线

由于BCM和车窗防夹模块（APM）、雨量传感器（RS）之间通讯量较大。故采用BCM作为集成网关，负责两条LIN线与CAN之间的通讯，同时在独立网关上预留两路LIN线，可用于功能扩展。

2.2 诊断设计

在整车网络架构中，独立网关作为各个子网的信息中转站，诊断接口和网关直接连接，不深入到各子网中去，在诊断仪与网关之间需要经过握手，判断是否执行后续的诊断操作。即通过Routine Control (31) 诊断服务，发送握手信号请求握手，诊断仪根据算法自行算出该握手信号对应的反馈值T1；网关接收到请求后，经过相同的算法算出请求信号的反馈值G1，并返回肯定响应； 诊断仪接收到肯定响应后，再次请求发出诊断仪自行计算的反馈值T1，网关接收到后，比较两个反馈值T1 与G1，判断是否一致；一致则认为握手成功，并返回肯定响应，诊断仪后续发送的诊断请求，按照实际情况处理；若不一致，则认为握手失败，返回否定响应，诊断仪发送的诊断请求，网关不做处理或者返回否定响应。因此，由诊断仪发出的对任意控制器的诊断服务命令都是由独立网关转发给相应的控制器，这样就可以从物理上避免对任意控制器单元的直接访问，所有对控制器的访问都要受到网关的监测，用户的身份识别和授权验证工作均由网关成，对于所有不被授权的非法访问进行隔离，防止非法用户入侵整车网络，提高网络的安全等级，从而提高汽车整体的安全性。

2.3 基于独立网关的网络总线结构的优势分析

国内应用独立网关技术已经成熟，独立网关是汽车发展的趋势。下面将采用集成网关与采用独立网关的结构进行对比分析：

（1）仪表作为集成网关只具备2路CAN的通讯能力，扩展性差，而独立网关具备6路CAN、2路LIN的通讯能力，具有很强的扩展性和可持续性，在项目进展中，如果遇到网络节点发生通讯变更，可以方便地配置网络；

（2）根据以往众多车型和配置的开发经验，仪表作为网关会存在多达40多个版本，而加入独立网关后，仪表将作为单独一路网段接入独立网关，其他功能性零部件的信号变动，不会影响仪表。若通讯信号变更，硬件保持不变，只需软件变动，实现硬件的通用化和平台化；

（3）仪表作为集成网关时OBD口与2路CAN直接连接，通讯信息很容易获取，而采用独立网关后，OBD口与独立网关直接连接，保证了整车通讯信息的安全性；

（4）独立网关预留了一定的I/O口，有利于整车功能的扩展；

（5）独立网关的单件变动，实现零部件的各车型通用；

（6）采用独立网关后，承担集成网关功能的仪表可以降低MCU负荷，大大降低了仪表的软硬件成本，独立网关开发一次可以应用江淮所有车型，节省开发费用；

（7）独立网关具备信号转发、网络管理、诊断、Bootloader刷新等功能，可配置性强，采用平台化软件设计，网络配置变动只需要通过BT软件刷新即可完成新配置的注入，且刷新可由主机厂主导完成；

（8）ICM作为集成网关起关联高低速两路CAN的作用，按当前JAC车型配置，集成网关功能基本已达极限，不满足未来车辆智能化发展需求，同时，集成网关集成在其他零部件内部，无法满足扩展三路及更多CAN网段的需求。

3、独立网关的开发

独立网关采用飞思卡尔公司MC9S12XDP512的 16位微控制器芯片，它具有双核特点，两个处理器能同时运行。芯片支持五路CAN总线模块，两路LIN总线模块，理论上可以支持100个以上的控制器进行数据通讯。

3.1 硬件结构

图3为独立网关硬件结构。该独立网关设计又5路CAN总线接口和2路LIN线接口，传输速率和信号转发速率从100Kbps到500Kbps之间可配置。各条CAN总线、LIN线以及诊断总线之间的通讯信号都由独立网关进行信号路由。同时针对独立网关还专门进行硬件接口定义，设定网络通讯规范，网络管理功能规范，诊断规范，错误管理规范等一系列规范。确保独立网关在整个网络中充分发挥作用。

3.2 软件架构

图4为独立网关软件架构，主要由7个部分组成。其中COM（IL）层主要完成基于CAN总线数据收发工作；传输层（Transport Layer）完成用于流控制及大数据的分片、打包；诊断服务层（Diagnostic Service Layer）主要完成UDS诊断服务；网络管理层（Network Managenment）完成基于OSEK直接网络管理；刷新模块（Boot loader）完成程序或网络配置的更新；DTC管理时基于诊断服务接口 ，完成诊断故障码的存储、读取及清除；诊断应用模块是配合诊断协议层，实现诊断服务及相关功能。

3.3 时序控制

根据网络信号帧速率与信号帧类型(周期信号、立即信号或事件信号)定义不同，独立网关要做好信号转发的时间控制，明确每个信号的更新时间，事件性信号的最小间隔时间，确定信号优先级，调用V—Output函数时间等时间参数，并根据优先级进行信号转发。网关帧转发最大延迟时间为2ms，信号转发周期误差小于10%。根据ISO11898规范，当错误计数器大于255时将进入Busoff状态，应用程序需要按照足够快的周期（不大于10ms）对Busoff状态进行检查，防止Busoff状态的丢失，当检测到Busoff时，Busoff计数器加1，当计数器达到6时，记录Busoff 故障码。此后如果继续检测到Busoff状态，计数器值仍保持为6。在Busoff计数器非零的情况下，如果在5000ms内未检测到Busoff，则计数器清零，同时故障类型由当前故障转为历史故障。

4、总结

应用开发结果表明，基于独立网关的汽车网络总线系统具备子网独立，实施灵活；平台化设计，适用多种车型；整车网络总线可扩展强；系统整体成本低廉；网络通讯安全等级高；开发风险较低等多种技术优势。同时独立网关转发功能由主机厂进行管控，路由转发配置可以由主机厂网络工程师根据需要编写，可配置性极强，在Mule车搭载及前期验证方面有巨大优势，后期遇到市场问题也可以迅速应对。

[1]王文海. CAN总线在汽车领域的应用[J]. 电子科技，2011，24（5）.

[2]史久根. CAN现场总线系统设计技术[M]. 第1版，北京：国防工业出版社，2004. 21～22.

[3]ISO 11898-2, Road vehicles — Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[4]ISO 14229, Road vehicles — Unified diagnostic services (UDS)—Part 1: Specification and requirements, 2005.5.8.

The automotive network bus system design Based on an independent gateway

Zhou Hongying, Tao Longlong
（AnHui JiangHuai Automobile Co.,Ltd.Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Along with Network bus applications increasingly common in cars,How efficient and low-risk to do development platform of automotive network bus, becomes increasingly important. This paper presents an efficient bus network development philosophy: the automotive network bus system design Based on an independent gateway. It can effectively reduce development risk, improve development efficiency, ensure network communications security, and flexibly implement platform design the for automotive network bus system.

Automotive Network Bus；Integrated Gateway；Independent Gateway；Diagnosis

U462.1

A

1671-7988(2015)04-01-04

周红英，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。