基于控制器局域网络总线的商用车网关设计

赵士杰

摘要：随着现代商用车的快速发展，为了满足人们对商用车娱乐性、舒适性和辅助功能等方面的需求，商用车的相关功能不断增加。商用车电子系统中的执行器、控制模块和传感器不断增多，这对商用车的网络提出了新的要求。以新车型开发为背景，对控制器局域网络（CAN）总线的网关进行了研究。

关键词：商用车网关;CAN总线;车载网络

0 前言

随着汽车电控系统数量的不断增加，汽车功能越来越强大、舒适性越来越高，同时汽车电子与电器系统变得越来越复杂。过去，传统的汽车电子控制系统大都采用继电器和点对点的模式将电子控制单元及负载设备相连。车辆上的电控单元需要与传感器、执行器之间实现通信，如果沿袭传统的连接方式，将会产生大量线束和插接件。这样不仅会增加车身质量，带来装配困难的问题，同时也增加了故障维修难度，还会降低系统安全性[1.2]。

网络总线技术能较好地解决上述矛盾。目前国内车载网络主要还是采用控制器局域网（CAN）总线技术，但该项技术在商用车上仍未广泛应用。对商用车应用CAN总线的目的是提高整车的电气性能，改变国产商用车整车电器系统仍停留于传统电器设计的现状，减轻整车质量，提高整车实时控制的精度，因此具有较强的工程应用价值[3]。

车载网关的重要作用为接收和转发不同网段、不同网络协议之间的通信报文，其中的中央处理器（MCU）、CAN收发器等作为核心部件发挥着重要的作用，目前16位MCU的产品应用正在逐步完善。因此，基于16位MCU对CAN进行应用研究对商用汽车网关的设计有着重大意义。

1 网关总体设计

在网关的整体设计中，研究人员首先应当确认整车使用的网络拓扑结构，其主要由5路CAN总线。图1为整车网络拓扑结构图。

研究人员分析了实际情况，以网关（GWM）为终端，5路CAN总线都连接了除了诊断口（OBD）以外的24个电子控制单元（ECU）系统。这5路CAN都是基于ISO 11898.2.2003标准的高速CAN总线，速率为500 kb/s。

根据S平台的网络拓扑，研究人员选择基于ISO 11898.2.2003的高速CAN作为要求开发网关。

网关负责建立不同CAN网络之间的连接，并且从源网络传输、转换信号到目标网络。网关连接5路高速CAN网络。在整车上，不同的网段需要满足不同的网络管理要求，动力网络（PT_Network）和底盘网络（CH_Network）采用间接网络管理（架构策略15电唤醒和休眠）;车身网络（BD_Network）和信息娱乐网络（Info_Network）和故障自检网络（Diag_Network）采用通讯规范直接网络管理（OSEK）。

通过网关可以实现PT_Network、BD_Network、CH_Network、Info_Network和Diag_Network的5个网段的互连。图2所示为网关硬件结构图。OBD有1组CAN通道，通过Diag_Network连接网关。

网关设计基于整车网络节点、CAN2.0B的网络协议、OSEK网络管理与统一诊断服务（UDS）网络诊断服务的商用车网关的功能定义，完全具备了应对现阶段多路CAN网络的商用车网络需求。

2 网关硬件设计

网关设计采用英飞凌（Infineon）公司的16位XC2268作为单片机，集成了摩托罗拉扩展网络（MSCAN）控制器，优化了网关的硬件结构。网关设备的硬件组成由XC2268作为MCU芯片、电源芯片、CAN相适配的收发器和存储器。网关设备设计要能够满足整车网络在各个节点之间的数据通信的要求，在网关中实现同一网段下不同网络节点之间的相互报文传输，以及在不同的网段下网络节点之间的报文传输。

本文网关的MCU芯片是1款16位英飞凌的XC2268N微控制器。XC2268N微控制器架构结合了精简指令集计算机（RISC）、复杂指令集计算机（CISC）和数字信号处理器（DSP）的优点，并使用先进的外围子系统进行了平衡设计。芯片上内存块允许研究人员在硅晶片上设计紧凑的系统，具有最适合计算、控制和通信的最大性能。芯片上的存储块和通用外围设备通过单独的高速总线连接到CPU。另一个总线（LXBus）连接额外的片上资源和外部资源。该总线结构支持XC2268N多个子系统的并行运行，提高了整个系统的性能[4]。

本设计开发的CAN总线网关能够被满足多个不同网段之间数据发送接受的需要，可以进行同一网段内不同网络节点之间的通信，以及不同的网段下各个网络节点之间的相互通信。网关设计了5个CAN网段，用来满足各个系统不同网络节点之间的数据交互。本文选用TJA1042T作为网关的CAN收发器，对应5路CAN网段，除去电源芯片TLE9263QX中包含的CH_Network，共需要使用4个TJA1042T芯片。

TJA1042芯片用于高速CAN收发器，其在控制器网络中的网络节点和物理双线CAN总线之间提供接口，以及向CAN總线提供交互消息的功能。TJA1042芯片收发器还具有以下特点：（1）符合ISO11898.2.2003和ISO11898.5.2007的标准;（2）传输高效，速率高达1 Mb/s;（3）具备低电磁辐射（EME）;（4）具有高电磁抗干扰（EMI）;（5）适用于24 V和12 V系统;（6）节点断电时与总线断开，不会对总线造成干扰;（7）具有传输数据（TXD）超时功能;（8）具有低功耗模式，并且能够通过主机和总线唤醒;（9）瞬态传输时总线引脚不受影响;（10）兼容3～5 V电源输入;（11）具有热保护功能。

3 网关软件设计

软件设计基于CAN总线的网络系统。研究人员针对MCU等硬件，结合软件架构，对网关的MCU初始化、MSCAN的初始化、CAN总线的接受和发送、网络管理、网络路由和网络诊断如何实现都开展了详细的流程设计，并且对报文发送和接受、路由报文、网络管理报文和网络诊断报文，都进行了设计定义与举例，基本涵盖了整个网关的软件功能。

本系统采用Mentor Graphics公司的Volcano通讯基础软件，实现CAN总线通讯及诊断刷新功能。MCU软件底层的驱动模块包含CAN的串行通讯端口（COM）模块、存储器的驱动模块（FLASH等）、模拟信号采集模块（ADC）、数字信号采集模块（DIO），对MCU控制进行软件封装。ECU软件底层驱动包含带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）的驱动模块（FEE），对这些芯片控制进行软件封装。服务层的驱动模块包含了重启管理（用于唤醒等）、堆栈监控、基础调动、操作系统、守护模式（WD管理）、状态管理、UDS网络诊断、网络管理、传输表等。为了应用层能够方便地調用底层驱动模块和服务层模块，在软件设计时，根据驱动模块归类封装[5]。

本设计网络管理方案采用OSEK协议中的网络管理，通过直接网络管理的概念来监控整车网络中部分采用直接网络管理的节点的状态，间接网络管理的节点通过上下电来控制休眠和唤醒，确保整车网络中所有节点能够同时进入休眠状态。每个被直接网络管理的网络节点状态可以通过其他节点监视，这时被监视的网络节点会陆续向整个网络按照排序依次发送网络管理消息。这样，直接网络管理形式只需要通过1个指令逻辑环来实现整车网络的网络管理。

4 总结

通过检测网络节点和网络管理，研究人员测试验证了通信网关的收发、路由、诊断等过程的稳定性、可靠性和实时性，应用层协议和网关被证明可以满足本设计要求。

CAN总线协议是目前应用最广泛的汽车总线协议，CAN网络能够有效降低组网成本。商用车乘用车化是当前发展趋势，而车载网关负责接收和转发不同网段之间的通信转换，作为整车控制的核心，一直是汽车电子控制的研究课题。

汽车智能化、电气化甚至自动驾驶的新时代已经到来，新的技术使得高品质车载娱乐系统的视听功能得到增强。智能驾驶辅助技术，以及远程升级（FOTA）、大数据等一系列技术得以不断创新。这些新的功能和技术使得车载网络的发展需求越来越大。已经超出了CAN总线、局域互联网络（LIN）总线和FlexRay总线等车载网络的承载能力。

构筑新的电子网络总线平台已经成为新一代汽车的必然之选。以太网也许就是接下去汽车发展的切入点。在原来的车身控制、动力总成控制、底盘控制和以CAN网络为基础，加上以太网控制器的连接端口，类似混合型的车载网络结构将成为未来的主流。

参考文献

[1]Road vehicles.low speed serial data communication[S]. ISO 11519，1994，8.

[2]Road vehicles.interchange of digital information.controller area network（CAN） for high.speed communication[S]. ISO 11898.2.2003/ISO 11898.5.2007.

[3]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4]程夕明.汽车嵌入式微控制器原理及应用—英飞凌XC2000家族MCU[M].电子工业出版社：2013.

[5]EKIZ H，KUTLU A，POWNER E T.Design and implementation of a CAN/CAN bridge[M].Parallel Architectures，Algorithms，and Networks，1996.