基于Ethernet的车载ECU诊断刷新研究

黄志坚，姜立标

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510641)

0 引言

随着汽车领域的迅猛发展，汽车越来越智能化，相应的汽车电子控制单元ECU数量也越来越多，ECU功能越来越复杂。同时随着自动驾驶技术的发展，汽车需要配备更多的摄像头、雷达等传感器，这些传感器感知系统会采集到大量的数据，要将这些数据快速完整地传输到计算机处理单元，并及时地做出响应，也对总线的数据传输能力和可靠性提出了非常高的要求[1]。

当前基于CAN总线的车载网络已经难以满足需要传输大量数据的需求，车载以太网的诞生可以适应传输大量数据的需求，在车载网络通信，传输数据和一次性传输数据大小等各个方面都高于CAN总线的性能。本文作者基于DoIP协议实现了车载ECU在线软件升级，极大提升了当前车载ECU刷新的速率，同时也验证了车载以太网应用于车载ECU刷新的可行性。

1 以太网介绍

自20世纪70年代以太网问世以来，以太网已经发展成为世界上最受欢迎的局域网LAN技术，基于Broadcom的Broad-Reach技术(百兆以太网技术)的车载以太网也得到广泛应用。传统的车载网络一次只能允许网络中的一台设备进行通信，但是Broad-Reach支持全双工通信，使得一条链路上的两台设备能够同时发送和接收数据。如图1所示。

图1 以太网全双工通信

这表明车载以太网支持额定速率为100 Mb/s的全双工通信，同时意味着两节点间的理论总数据速率能够达到200 Mb/s，而CAN、LIN、MOST以及FlexRay规定的总带宽只是为它们的额定速率，这个带宽由所有设备共享。

以太网由点到点线路构成，即每根UTP电缆只连接两个节点，一端一个。各个节点是通过交换机连接的，形成的网络拓扑结构有星型、树型以及菊花链型拓扑结构。同时以太网基于IEEE802.3的接口标准的数据链路层可以利用TCP/IP的高层网络通信协议进行网络通信，并不会与传统以太网通信技术相排斥。

车载以太网不仅可以提供高速的带宽，而且具备支持未来更高性能的潜力。相比于当前应用广泛的CAN总线技术，车载以太网有如下优势：

(1)车载以太网带宽高并且是独享带宽，效率更高，而且车载以太网还支持音视频数据，可以更好地运用在汽车信息娱乐系统。

(2)车载以太网可以采用面向服务的体系架构，作为中央以太网骨干交换机，与汽车各ECU通信。

(3)车载以太网可以通过TCP/IP与车辆外部网络进行通信，比如借助计算机通过车载以太网进行ECU软件刷写，提高了效率，节约了成本。

IEEE802.3标准规定的以太网帧格式包含若干个帧报头字段、传输数据(数据场长度范围为46～1 500字节)和一个单字段报尾(CRC校验帧尾)，如图2所示。

图2 以太网帧格式

2 DoIP协议介绍

DoIP(Diagnostic communication over Internet Protocol)是一种基于互联网协议的诊断。基于该诊断协议，主机厂和售后工程可以对车辆进行诊断、刷新等操作[2]。DoIP协议形成了ISO 13400标准《道路车辆——基于互联网协议的诊断通信(DoIP)》。该标准分成3个部分：

(1)通用信息和用例定义;

(2)传输协议和网络层服务;

(3)基于IEEE802.3的车用有线接口。

即ISO 13400标准介绍了其物理层、数据链路层、传输层、网络层等内容。依据OSI七层模型，DoIP与基于CAN总线的诊断(DoCAN)的协议栈对比如图3所示。

图3 DoIP与DoCAN协议栈对比

DoIP报文的结构是由DoIP报头和DoIP净荷构成，DoIP报头包含了协议版本、初始协议版本、净荷类型、净荷长度等信息;DoIP净荷数据长度范围为0～4 294 967 295字节，相当于4 GB大小的数据。DoIP净荷中包含源地址、目的地址和用户数据,其中源地址相当于该DoIP报文的发起者;目的地址则为接收该DoIP报文的接收者;用户数据如UDS相关请求。DoIP协议的结构如图4所示。

图4 DoIP协议的结构

3 Bootloader开发与实现

3.1 系统简介

如图5所示，整个车载ECU刷写系统主要有Bootloader上位机，刷新硬件工具及其带有Bootloader的下位机开发板。工程师或者测试人员通过PC端上位机的以太网刷写界面进行ECU的IP地址，上位机的IP地址，P2服务参数等配置，并在文件加载框中加载所需要的更新的APP文件。下位机接收到上位机传输的数据后将其写入ECU开发板的Flash存储器之中，实现了基于Ethernet的ECU在线软件刷写。

3.2 软件实现

3.2.1 下位机软件

如图6所示为Bootloader的软件架构图。该软件是基于HIS接口协议而开发的。Bootloader软件架构中各个模块是分开的，这样设计能减小各个模块之间的相互影响，从而提高开发的质量和效率。

Bootloader软件主要包括以下部分。Boot Management启动管理模块负责软件和Application的启动顺序。Bootloader应用程序模块负责实现软件功能，如时钟配置、时间片中断重映射。Bootloader运行环境模块负责诊断协议的函数回调和控制系统运行。Memory Management内存管理模块负责数据管理和逻辑块配置。Ethernet驱动模块负责以太网收发器和控制器与传输层交互。TCP/IP 协议栈模块负责网络层和传输层的实现。DoIP模块负责封装诊断报文。

图6 Bootloader的软件架构

3.2.2 上位机软件

如图7所示为上位机软件界面。上位机软件功能主要分为系统参数配置和软件刷写两大块。系统参数配置中可以对ECU的IP地址，上位机的IP地址，P2服务参数，当前节点ECU等配置，目的是确保上位机和车辆ECU之间能够正常通信。软件刷写主要是加载安全密钥文件，刷写驱动文件和刷写需要的APP数据文件。

图7 上位机软件配置及运行界面

4 ECU刷新仿真实验

为了验证车载以太网应用于车载ECU刷新的可行性及其刷新速率，文中搭建台架，分别对基于车载Ethernet，基于CAN总线的刷新软件进行了八组对比刷新仿真实验，如图8所示。

图8 基于车载以太网ECU刷新仿真实验

刷新仿真实验中，以太网设置为100 Mb/s的速率，CAN总线的比特率设置为500 kB/s。如表1所示，以太网刷新数据大小范围为1 000～8 560 kB，刷新时间从18～198 s。CAN总线刷新数据大小范围为880～3 832 kB，刷新时间从249～1 283 s。对比两者刷新实验数据，很显然基于以太网的诊断刷新时间性能远高于基于CAN总线的诊断刷新时间性能。

表1 基于车载以太网和基于CAN总线的刷新性能对比

如图9所示为基于以太网和基于CAN总线的刷新时间对比图。

图9 基于以太网和基于CAN总线的刷新时间对比图

从图中可以清晰看出两者刷新之间的时间差别，在刷新数据大小为1 000 kB以内时，基于CAN总线的刷新时间高于200 s，而在刷新数据大小为8 560 kB时，基于以太网的刷新时间仍小于200 s，为198 s。可以说，基于以太网刷新的时间性能是远大于基于CAN总线的刷新时间性能的。而且，随着刷新文件越来越大，基于CAN总线的诊断刷新效率越来越低，而基于以太网刷新的时间性能优势却越来越显著。

5 结论

车载Ethernet是解决当前智能汽车所需网络通信带宽的一种相当有效的技术，也是汽车网络未来发展的必然趋势。文中通过介绍基于车载以太网的Bootloader软件的开发与实现，并通过刷新仿真实验验证了基于Ethernet的诊断刷新时间性能远高于基于CAN总线的诊断刷新时间性能。当前车辆各个ECU之间是通过中央网关进行互连，在未来车载ECU诊断刷新可以充分借助以太网的高带宽，来实现通过中央网关同时对车辆多个ECU进行以太网刷新，能大大提高刷新的效率，降低相应的成本。