车载网关功能设计与测试浅析

2020-10-24刘浩锐钱亚容王旭红

汽车电器 2020年10期

刘浩锐，钱亚容，王旭红

（1.东风汽车集团有限公司技术中心，湖北武汉 430058；2.东风商用车有限公司技术中心，湖北武汉 430056）

随着车载总线技术的不断进步和发展，LIN、CAN总线在车载网络中得到了极大的应用，其中CAN总线一般被设计为主干网，LIN和容错CAN设计为子网。为了适应更多需求如更高传输速率，低时延、高容错、网络安全及智慧交通的需要，车载网络的主干网将向车载以太网（Ethernet）快速演进。这就对车载网络在各种网段和各个主干网之间的信号交互提出了更高的要求。为了保证车载网络通信的实时性、可靠性和信息安全，中央网关就应用而生，作为整车网络管理和信息交互的核心部件，起到协议转换、流量控制、网络管理的作用，对于它的功能设计和测试继而有了新的需求。

1 车载网络的演进

上个世纪末，美国汽车工程师协会（SAE-Society of Automotive Engineers）根据汽车总线网络的速率不同，将网络划分为A、B、C3类，随着后来总线技术的发展和总线速率的提高，D类和E类总线虽不在该标准上定义，但根据总线速率可加进此分类，如表1所示。

常见的A类网络有LIN、CCD、UART等，一般为主从结构用做子网。LIN 是在1999 年由欧洲汽车制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和Motorola公司组成的LIN协会，共同推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从而为LIN总线的广泛使用打下了良好的基础。

对于B类网络，欧洲主流OEM厂使用容错CAN对应的协议是ISO 11898-3，而北美主流OEM厂主要使用低速CAN对应的协议SAE J2284-1。

C类网络，也是目前大多数车型的主干网，是面向高速和实时闭环控制的多路传输网，根据SAE的规定，C类网络的位传输速率为125kb/s～1Mb/s，C类网络都是以CAN2.0A定义的标准帧或CAN2.0B定义的扩展帧为基础协议的高速CAN网络协议，如ISO 11898-2，SAE J1939 （用于商用车），SAE J2284-3等。

表1 总线分类

D类网络以TTP/C和FlexRay协议为两种发展方向的代表，其中FlexRay主要由BMW、BOSCH、Motorola通用等OEM和半导体厂商支持的更可靠的高速车载网络系统用于底盘控制和线控系统，速率可达10Mb/s。TTP/C则是由Audi、 Renault、Delphi、NEC等OEM和半导体厂商支持的基于FTDMA的确定性访问方式用于安全控制和线控系统，速率可达25Mb/s。

E类网络一般应用于车载娱乐多媒体和导航通信系统中，主要有MOST和IDB。MOST总线是一种采用环形拓扑可以传输同步、非同步和控制数据类型的网络，在BWM、Benz等公司车型上都有使用。IDB是基于CAN总线，采用光纤介质通信，最大的优点是兼容便携式消费电子设备连接到车载网络并实现互操作。

随着物联网、自动驾驶以及V2X场景应用的需要，模块间的数据交互量越来越大，对于实时性要求越来越高，而且要求成本低，可靠性高，可以让汽车成为一个移动的终端，于是车载以太网被越来越多的OEM和半导体厂商所看好。

2 车载网关功能设计

在电子电器架构设计时，架构工程师根据整车功能的耦合度不同，将耦合度高的车辆功能集成到一个ECU中，如将车辆进入和防盗报警功能、门锁控制、钥匙学习及灯光控制等功能集成到车身控制器BCM中，而将点火、燃烧、喷油和排放等功能集成到发动机控制单元ECM中。根据ECU数据交互量、系统功能完整性、实时性及车辆配置等需求，把关联性强相关的一类ECU设计到一个主干网中来降低总线各个主干网的负载率和提高通信效率，保证传输时延和容错率，如Powertrain主干网主要包括ECM和AT等，底盘主干网主要包括ESP、EPS和suspension等。总的设计原则就是高内聚低耦合。

根据功能需求、电子电器架构和网络拓扑，网关主要用于不同协议之间或者相同协议不同主网之间的协议转换、信息传输或数据共享等功能的实现。目前车载网关存在两种形式，一种是由其它ECU兼容网关功能，进行报文信号路由或协议转换，如图1所示。

图1 集成网关网络拓扑示意

另一种是把主干网之间的报文信号路由、协议转换和网络休眠唤醒及网络安全等功能由一个专门的ECU来完成，该ECU称之为中央网关，如图2所示。而且随着车载总线网络技术的发展，对网关处理数据的能力要求越来越高，协议转换种类也越来越多，对网关性能也有了更高的需求，如果按照域控制器以太网的架构发展，那么中央网关的优势就更加明显，且是未来的发展方向。

图2 中央网关网络拓扑示意

网关的基本功能是实现报文信号路由。报文路由就是将源网段接收到的报文转发到目标网段。信号路由是指网关根据需求提取源网段报文中的一些信号进行重新打包，使用符合总线网络设计新的标识符转发到目标网段。如何高效地进行报文信号路由是设计网关的一个主要设计指标。以高速CAN总线为主干网的车载网关设计为例，网关寄存器分为两种缓存区，一个为接收缓存区（记作Rx_buffer）用来存放未处理的接收数据，另一个为发送缓存区（记作Tx_buffer）用来存放处理过的即将发送的数据。网关进行报文信号路由可分为3个步骤，即接收、计算处理和发送，如图3所示。

图3 中央网关工作步骤示意

接收就是网关按照Global ID列表对来自所有通道或者主干网的报文进行比对，把在该列表的报文按照接收时间存放在Rx_buffer里。计算处理是网关根据需求将Rx_buffer中的报文进行处理直接传递到目标网段Tx_buffer中或对需要的信号进行提取计算和打包为新的报文传递到目标网段Tx_buffer中。发送为网关根据一定的规则将Tx_buffer中的报文发送到HW Tx_buffer，并当目标总线空闲时发送到总线上，该规则可以是先进先出队列模式（报文记作MsgFF）或最高优先级的先发送模式（报文记作MsgMF）等，如图4所示。

除了要遵循整车电子电器架构和总线网络设计需求，为了提高网关报文信号路由效率和实时性，一般应遵从以下设计原则。

1）报文路由直接转发报文，应保持报文标识符、发送方式、周期等参数不变，一般要求网关无输入不发送。报文路由可以对其转发报文的数据场（DLC）按照需求进行减少，一般DLC长度可以设计为1,2,4,8byte等2的指数幂，这样可以减少网关工作负荷、提高转发效率和减少目标网段负载率。

2）信号路由信号路由、标识符遵照总线网络定义，发送方式一般定义为使能周期类型。当有目标信号发生变化，使能报文进行发送；若没有目标信号发生改变，仅按照定义周期进行报文刷新。当无输入信号时，各个信号按照默认值或特殊定义进行填充转发。

3）其它原则网关从其它源网段的报文中获得信号，并对其进行判断、计算、比对，使信号精度、类型发生改变，或者重新生成一个新的信号，严格意义上不算是信号路由，并且该种新信号需打包到新的标识符报文中按需求进行发送。

网关各个总线通道需确保电器接口独立，发生短路开路的通道不能影响其它通道，也应确保源网段和目标网段工作的独立性，例如某一个目标网段BusOff不能影响源网段和其它目标网段的工作。网关根据路由协议转换表过滤各个通道中的报文，接收需要接收的报文存放在Rx_buffer中，当对网关进行硬件复位或者软件复位时，网关应该立即清除缓存器中的数据。在网络拓扑和网关设计时，由于信号路由方式，网关的计算量大，资源消耗多，尽量少使用。为了提高整车网络系统功能的容错性，网关需要进行节点、报文和信号丢失功能判断设计。节点丢失网关一般设计为判断节点的最大周期报文5～10个周期内未收到即节点丢失，报文信号丢失可参照节点丢失。当判断丢失可通过DTC进行记录。

网络安全方面，一方面需要网关具备安全日志功能，对非法的报文信号和事件进行记录，对程序刷写和变更进行记录等；另一方面，可通过中央网关进行隔离车内网和车外网。外网连接到车内网的两个通道,一个是通过无线连接T-Box，另一个通过硬线连接OBD接口。在这两个对应网关的接口上可以通过植入防火墙、进行访问过滤和安全访问的方式来处理，还可设计硬件加密接口来保证网络安全更高等级的需求。

图4 报文发送规则

3 网关功能测试

网关功能测试可以由如图5所示的系统进行自动化测试，包括网关控制器功能测试、网络单节点测试和网关网络压力测试。该系统通过上位机将测试用例指令下载到下位机，由下位机直接控制所述系统中的各通信板卡、I/O板卡、标准电源模块及各总线干扰注入模块，来给待测网关施加测试用例，并从总线采集模块获得中央网关各通道的总线信息，最后通过上位机测试管理软件比对测试结果，给出测试报告和记录测试数据。

根据路由表规则建立数据库，并自动生成基础测试脚本可在测试系统中运行，能够实现最大值、最小值、随机值、替代值、报文延时、周期时间等报文信号路由基本功能测试。

其它功能测试可通过配置压力参数结合基础测试脚本生成压力测试脚本，加载压力测试脚本到测试系统进行自动化测试，如网络负载率变化影响测试、网络接口独立性测试、边界值测试、I/O故障激励测试、多次故障恢复测试、总线故障注入测试、BUSOFF恢复测试、多次异常供电测试、鲁棒性测试和健壮性等长时间、高负载场景下的压力测试和鲁棒性测试。