基于CAN總線的車載網(wǎng)絡軟件解決方案

1 引言

目前，汽車電子正朝著網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，車載網(wǎng)絡成為汽車電子領域的最大熱點。提高控制單元間通訊可靠性并且降低導線成本的網(wǎng)絡總線應用中的關鍵技術包括CAN、LIN、FlexRey、MOST、IDB1394 等。對于汽車整車廠來說，CAN 網(wǎng)絡設計是應用CAN 網(wǎng)絡通訊的關鍵?？v觀現(xiàn)有的設計技術，可以將其分為兩類：一類是以仿真和測試為主的傳統(tǒng)設計方法；另一類是以協(xié)議設計為主的方法。傳統(tǒng)方法將每個節(jié)點對協(xié)議的要求拼湊起來，通過仿真、測試的方法檢驗協(xié)議的正確性，最終得到通訊協(xié)議。新方法通過系統(tǒng)設計技術，用理論方法對系統(tǒng)的時序建模，分析設計系統(tǒng)的通訊協(xié)議，保證系統(tǒng)的實時性能以及協(xié)議的正確性，最終發(fā)布正確的通訊協(xié)議。本文將簡要介紹傳統(tǒng)設計方法的局限性和新方法的優(yōu)勢，以及參考新方法所設計的通信網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)設計方法的局限性

隨著汽車上電子設備數(shù)量的逐漸增多，車載網(wǎng)絡系統(tǒng)也越來越復雜，汽車電子網(wǎng)絡面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議設計技術的局限性越來越突出，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)丟失、通訊延遲、協(xié)議修改困難等三個方面。

2.1 數(shù)據(jù)丟失

數(shù)據(jù)丟失是指新數(shù)據(jù)沒有來得及通過網(wǎng)絡傳輸出去，或是超過接收節(jié)點的接收時限才傳輸出去的情況。數(shù)據(jù)丟失會嚴重影響通訊的實時性能，進而影響整車通訊的質量。實時性能好的系統(tǒng)應該完全避免數(shù)據(jù)丟失。

數(shù)據(jù)丟失的影響因素就是通訊協(xié)議。傳統(tǒng)設計方法通過仿真和測試等手段檢測協(xié)議的正確性，其缺點是無法覆蓋所有的測試用例，因此，輸出的通訊協(xié)議會存在潛在錯誤或者不夠完整，這樣就不可避免地會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的情況，影響整個系統(tǒng)的性能。

2.2 通訊延遲

通訊延遲是指數(shù)據(jù)準備好到通過總線發(fā)送出去的等待時間。通訊延遲可能導致數(shù)據(jù)丟失，是傳統(tǒng)設計方法無法解決的根本性問題。這主要是因為，傳統(tǒng)設計方法只是將各個節(jié)點對協(xié)議的要求拼湊起來，沒有考慮整個系統(tǒng)的需求，比如發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)并用于控制，沒有考慮實現(xiàn)這樣一個完整功能的時間要求。因此協(xié)議設計結果難以保證實時性能，必然存在通訊延遲。

仲裁失敗是產(chǎn)生延遲的主要原因，因此延遲與消息的 ID 及周期有關。系統(tǒng)越復雜，消息之間發(fā)生競爭的可能性越大，系統(tǒng)的實時性能就越差。

為了減小延遲的影響，傳統(tǒng)設計方法采取了兩種預防措施。一種是設定時限，如圖1所示。另一種限制負載為平均30%左右，降低消息競爭的可能性。但是這兩種方法都不能從根本上消除延遲。

圖 1 時限設定和響應時間的計算

2.3 協(xié)議修改困難

修改協(xié)議在開發(fā)過程中不可避免。但對于傳統(tǒng)的設計方法，因為應用程序和通訊功能的融合，通訊協(xié)議的參數(shù)變化會導致軟件的重新編譯和測試，這就意味著額外的時間和成本，供應商極不愿意整車廠商修改協(xié)議。因此，整車廠商修改協(xié)議十分困難，并需要很長的時間。

3 以協(xié)議設計為主的新方法的特點

以協(xié)議設計為主的方法通過系統(tǒng)級的設計理論和方法，保證通訊協(xié)議的準確性，避免數(shù)據(jù)丟失，保證系統(tǒng)的實時性能。其特點概括起來如下：

3.1 系統(tǒng)級設計，避免數(shù)據(jù)丟失

新技術采用自上而下的系統(tǒng)設計技術，對整個系統(tǒng)的架構進行設計，并完成優(yōu)化。通過理論設計方法，可保證通訊協(xié)議的正確性，從根本上解決數(shù)據(jù)丟失問題。

3.2 有效控制消息延時

響應時間是消息準備發(fā)送到最后節(jié)點接收到數(shù)據(jù)的全部時間，它是發(fā)送時間和延遲的總和，其中延遲是影響響應時間的主要因素，控制延遲就可以有效控制響應時間。

如圖 1 所示，通過對響應時間進行建模，并仔細安排消息的ID 和周期以控制延遲時間、響應時間及總線負載。然后用理論方法計算出最差情形下的延遲時間、最大的響應值，以及總線負載。

由于新方法能夠計算出最大總線負載，也能有效控制系統(tǒng)延遲，因此沒有必要再對系統(tǒng)的總線負載作任何限制，理論上可以達到100%。其優(yōu)勢在于保證了確定的通訊行為，可以有效地利用系統(tǒng)資源。

3.3 分隔應用程序和通訊協(xié)議，保證變更靈活性

如圖 2 所示，新方法為ECU 通訊功能提供了標準的網(wǎng)絡通訊組件。該組件將應用程序和通訊協(xié)議成功分隔開來，使得各自的修改互不影響，保證了協(xié)議修改的靈活性。網(wǎng)絡通訊組件提供面向總線、應用程序和通訊協(xié)議三方面的標準接口。面向應用程序的接口是基于信號的操作，不包含通訊協(xié)議的參數(shù)。面向通訊協(xié)議的接口負責識別通訊協(xié)議。只要遵守接口標準，協(xié)議可以進行任意改變，而且不影響應用程序。

圖 2 分隔應用程序和通訊協(xié)議

這種設計方案其優(yōu)勢在于整車廠商可以很容易地修改協(xié)議，不需要供應商支持，因此保證了系統(tǒng)變更的靈活性，同時也增加了系統(tǒng)的可移植性以及應用的復用性。

４ 系統(tǒng)設計

為了避免傳統(tǒng)設計方法的缺點，本系統(tǒng)參考新方法理論進行設計。整個系統(tǒng)主要分為兩大部分：一、靜態(tài)配置編譯工具；二、網(wǎng)絡組件，稱為COM 組件。

4.1 靜態(tài)配置編譯工具

該靜態(tài)配置編譯工具使用配置語言進行信號、幀、幀模式等等的配置。配置語言定義了四個文件的配置規(guī)則語法，這四個文件分別為：fixed 文件、network 文件、target 文件和private文件。

.fix 文件主要用來描述可用的網(wǎng)絡接口以及ECU 中的每個通信接口所收發(fā)的信號的描述。這些描述內(nèi)容可以在工程的很早階段就可以定義，甚至是在選定供應商之前就可以進行定以。

.net 文件通常由系統(tǒng)Interator 創(chuàng)建，主要用來描述網(wǎng)絡接口配置、信號、幀及其想關參數(shù)（例如：幀的ID，傳輸類型、周期、偏移以及信號的映射表），如果應用有需要的話，還可以進行調度表的調度表的定義（應用于使用網(wǎng)關的情況）。這些信息將會存儲到NVRAM中，并且對于應用軟件不是直接可見的。

.tgt 文件是由ECU 的供應商提供的，它包括ECU 的硬件特性描述，比如CPU 類型、存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存的大小和地址等。

.pri 文件主要用來定義信號的標志、超時以及信號的重命名等信息。通過使用配置語言配置的這四個文件實現(xiàn)了靜態(tài)可裁剪配置，同時控制了信號傳遞的時序，有效地控制了通訊延遲并避免了數(shù)據(jù)的丟失，充分利用了網(wǎng)絡資源。

經(jīng)過配置后獲得的四個文件經(jīng)過配置編譯器編譯后生成三個文件，分別為：s_gen.c 、s_hand.h 以及s_nvram。

s_gen.c 文件包含了一些配置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結構，并且這些數(shù)據(jù)結構與ECU 供應商提供的ECU 其他部分應用軟件代碼進行集成編譯和鏈接。應用軟件將包含s_hand.h 文件，以便訪問不同的通訊對象，例如：特定的信號等。s_nvram 文件是產(chǎn)生的ECU 二進制配置數(shù)據(jù)。

4.2 COM 組件

COM 組件采用分層結構設計方法，主要分為：交互層（Interaction layer）和驅動層（devicedrivers layer）。其中交互層中具有網(wǎng)關功能，該功能實現(xiàn)信號級的路由。

COM 組件中的交互層具有以下功能：一、提供標準面向應用的信號接口；二、提供為網(wǎng)絡管理統(tǒng)一服務；三、提供診斷通信統(tǒng)一服務；四、隱藏協(xié)議和來自應用的信息屬性；五、提供不同網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)傳輸；六、提供網(wǎng)關功能。

COM 組件中的驅動層提供以下功能：一、發(fā)送從交互層遞交過來的數(shù)據(jù)；二、從CAN硬件接收數(shù)據(jù)遞交給交互層；三、確認上層的發(fā)送請求，并將確認信息上報給交互層；四、確認接收完成，并將確認信息上報給交互層。

信號的接收：當?shù)讓泳W(wǎng)絡中有信息在傳輸時，CAN 收發(fā)器進行過濾，只有符合過濾條件的幀才能被CAN 設備通過驅動層接收。然后驅動層將收上來的數(shù)據(jù)傳遞給交互層。應用程序通過信號讀操作獲得符合條件的幀中的相應信號。

信號的發(fā)送：應用程序調用信號寫操作功能將有關信號發(fā)送到交互層。交互層通過調用有關發(fā)送函數(shù)進行輸出操作，將信息傳遞到驅動層。驅動層調用有關的發(fā)送功能，將信息傳輸達到CAN 總線上。示意過程圖如圖3所示。

圖 3 使用COM 組件進行信號收發(fā)操作

5 結束語

本文設計的系統(tǒng)采用新的設計原理，很好的將應用和協(xié)議分開，降低了整車廠商對供應商的依賴性，降低了整車的開發(fā)成本和開發(fā)周期，同時，作為我國自主研制的車載網(wǎng)絡解決方案，一定程度上對我國汽車電子行業(yè)的進步提供了一定的理論基礎。

此網(wǎng)絡設計采用了系統(tǒng)設計方法，突破了傳統(tǒng)的以仿真測試進行協(xié)議拼湊的設計方法，能夠使整車廠商靈活地進行協(xié)議設計和修改，極大地降低了對供應商的依賴性。同時這種設計方法也保證了系統(tǒng)的移植性和可重用性，并且增加了網(wǎng)絡的使用率。