汽车CAN总线信号快速跨网络转发算法的研究

牛昱栋，刘永春，高发廷

（中国重型汽车集团汽车研究总院，山东 济南 250002）

1 引言

从车辆发明至今，汽车已经从纯粹的机械结构发展到拥有数个甚至数十个控制单元，随着车辆安全、舒适需求的增加，控制单元的数量越来越多，对网络的负担也越来越大。车辆根据不同的功能域进行了划分，每个域拥有一个独立的CAN总线网络，但是由于车辆是一个完整的整体，每个域之间存在着一定数据的流通，信号稳定实时转发，才能保证车辆整体功能的稳定可靠。

本文通过对CAN报文属性的研究、操作系统的运行模式与信号网络转发的需求分析，设计一套适用于大部分情况的快速稳定的跨网络转发策略，并且具有相当的灵活性。

2 信号在设计架构上的数据流向

车辆上存在多个总线网络间信号交互的时候，我们将转发前即存在该信号的总线网络称为该信号的源网络，将该信号转发到总线网络称为该信号的目标网络。在CAN总线网络之间的数据流即为从源网络转发到目标网络，转发逻辑的实现我们称之为网关功能区，图1给出了总线数据从源网络转发到目标网络上的具体流向，此过程主要由网关功能区，判断该信号是否需要转发并将其转发到特别目标网络，无关信号不会被转发。

图1 总线数据数据流向

3 网关功能区对信号的处理

网关功能区是CAN总线网络信号转发功能的实现区域，负责从源网络接收数据，判断数据是否需要转发到目标网络，若需要转发，则将该数据发送至目标网络。

网关功能区细分为4个子功能模块，分别为CAN信号接收子模块、CAN信号转发需求判断子模块、CAN信号发送子模块和CAN信号发送成功确认子模块，图2为各个子功能模块间的数据流向。

图2 网关功能区内数据流向

1）CAN信号接收子模块负责信号的初步接收，并将信号中需要的信息保存至相应CAN网络的接收buffer中，等待CAN信号转发需求判断子模块对数据进行具体判断处理。

2）CAN信号转发需求判断子模块将接收buffer中的信号与提前准备好的转发配置表对比，判断该信号是否需要转发，若需要转发，则将该信号存放在对应通道的发送buffer中，等待CAN信号发送子模块判断信号合适进行发送。

3）CAN信号发送子模块，判断各个CAN通道的发送buffer的状态与当前CAN网络状态，当buffer状态不为空且CAN网络状态为空闲时，按先进先出依次发送CAN信号到相应的网络上。

4）CAN信号发送成功确认子模块，当需要转发的CAN信号发送成功后，此模块会被回调，判断发送buffer中还存在CAN信号未发送则跳转到CAN信号发送子模块，若发送buffer为空则退出，等待新CAN信号的到来。

4 CAN信号接收子模块对信号的处理

CAN信号接收子模块位于中断当中，主要任务是将CAN网络接收到的数据从寄存器搬移到特定的RAM区域，并触发CAN信号转发需求判断子模块的事件。为了达到稳定安全的目的，在中断中的工作尽量做得少，图3为CAN信号接收子模块的数据流向。

图3 CAN信号接收子模块数据流向

5 CAN信号转发需求判断子模块对信号的处理

CAN信号转发需求判断子模块被触发之后，读取RAM中存放的具体的数据并与转发配置表中的信息对比，确认是否需要转发，若需要转发，则根据配置表中的信息，将需要转发的数据存放至对应通道的发送buffer中。考虑到操作系统之间通过事件切换任务需要时间，在成功接收到信号后直接在同一个任务中调用CAN信号发送子模块。图4为CAN信号转发需求判断子模块的数据流向。

图4 CAN信号转发需求判断子模块数据流向

6 CAN信号发送子模块对信号的处理

CAN信号发送子模块即将具体的数据从发送buffer中取出，通过寄存器操控硬件将数据发送到目标网络上，图5为CAN信号发送子模块的数据流向。

图5 CAN信号发送子模块的数据流向

7 CAN信号发送成功确认子模块的处理

CAN信号发送成功确认子模块负责管理一条报文发送后，确认发送成功并判断是否继续向目标网络发送CAN信号。图6为CAN信号发送成功确认子模块的操作流程。

图6 CAN信号发送成功确认子模块的操作流程

8 结语

本文阐述了一种CAN总线信号快速跨网络转发算法，该算法实现了CAN总线信号快速跨网络转发，并且在快速的基础上兼顾了稳定，考虑了不同逻辑的相互分离与所应处于数据流的位置，形成闭环，不会造成数据冲突，逻辑实现复杂性小，可适用于任何跨网络的ECU，转发速度快，保证了数据的实时有效，可以为CAN信号转发、处理提供重要的参考。