滿足汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用需求的分層式軟件結(jié)構(gòu)研究

由于汽車需要面對多種不同的路面及駕駛情況，因此車內(nèi)的電子系統(tǒng)必須采用多種不同的網(wǎng)絡(luò)標準，才可滿足不同的性能要求。為了更好地滿足不同網(wǎng)絡(luò)標準的要求，車內(nèi)電子系統(tǒng)的互連網(wǎng)絡(luò)便一直朝著網(wǎng)中網(wǎng)模式的路向發(fā)展。網(wǎng)中網(wǎng)模式基本上以遠程信息控制單元（TCU）為硬件，是連接車內(nèi)電子系統(tǒng)所有通信網(wǎng)絡(luò)的硬件接口。至于軟件方面，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）的應(yīng)用層可視為連接車內(nèi)不同通信網(wǎng)絡(luò)的通用軟件，讓我們可以通過網(wǎng)絡(luò)操控車內(nèi)的所有電子裝置。應(yīng)用軟件只要利用傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議作為通用接口，便可與其它節(jié)點上的應(yīng)用程序完全運作互通。

本文主要介紹網(wǎng)中網(wǎng)設(shè)計的分層式軟件結(jié)構(gòu)，以及講述網(wǎng)中網(wǎng)如何利用其分層式軟件支持新一代汽車的電子裝置，其中包括汽車電子系統(tǒng)控制（動力傳動、車速排檔、空調(diào)/暖風系統(tǒng)等）、音像娛樂系統(tǒng)、移動電話及因特網(wǎng)接入系統(tǒng)，以滿足未來一代駕駛者的要求。

分層通信協(xié)議

分層的結(jié)構(gòu)可提高通信協(xié)議的靈活性及可延展性。某一功能層可將其具體實施情況的數(shù)據(jù)收藏起來，以免較高級的功能取得這些數(shù)據(jù)，以確保這些高級功能不會受其它功能的執(zhí)行方式所影響。例如，文件傳送協(xié)議甚至可能不知道究竟是

采用光纖、有線還是無線技術(shù)傳送有關(guān)數(shù)據(jù)。只要所有數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議都采用同一的協(xié)議，較高層的協(xié)議便可改用任何一個協(xié)議。

圖 1 顯示分層通信協(xié)議只要為編程人員提供高級應(yīng)用程序編程接口 （API），便可簡化軟件的設(shè)計。若編程人員想傳送文件，高級文件傳送協(xié)議可以為其提供一組最簡單的服務(wù)，讓編程人員可以列明文件服務(wù)器名稱、源文件名稱、目的文件名稱等。

從應(yīng)用軟件編程人員的角度看，應(yīng)用程序編程接口可以視為高度簡化的用戶接口，能夠不受其它功能層的影響?yīng)毩⑻幚砼c數(shù)據(jù)通信有關(guān)的所有麻煩問題。應(yīng)用程序編程接口是一條理想的虛擬連接，讓編程人員無需理會奇偶錯誤、流量控制等細節(jié)。編程人員只需提供建立連線所必要的信息。

當數(shù)據(jù)通信達到某一層級之后，我們便必須為傳送的數(shù)據(jù)提供一條物理連線，但應(yīng)用程序編程接口與物理層之間的功能層可以處理所有底層的操作，以便支持這條虛擬連線。

這個模型分為以下四層：

● 應(yīng)用程序?qū)樱簽閼?yīng)用軟件提供可以直接使用的協(xié)議，其中包括文件傳送協(xié)議（FTP）、簡單郵件傳送協(xié)議（SMTP）、超文本傳輸協(xié)議 （HTTP） 等。

● 傳輸層：傳輸控制協(xié)議 （TCP） 采用雙向的端至端連線，可以傳送 TCP 信息段。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP） 采用報文傳送的模型，以收發(fā) UDP 數(shù)據(jù)報。

● 網(wǎng)絡(luò)層：負責通過網(wǎng)絡(luò)傳送及收發(fā)信息包。大部分網(wǎng)絡(luò)層都采用因特網(wǎng)協(xié)議 （IP），以傳送稱為 IP 數(shù)據(jù)報的信息包。

● 物理層：這是連接數(shù)據(jù)鏈路硬件的接口。協(xié)議堆棧有不同的功能層，這一層真正負責將數(shù)據(jù)載入通信外圍設(shè)備寄存器及存儲緩沖器或從中取出。控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）及以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)都采用公共電纜網(wǎng)絡(luò)連系標準。稱為微微網(wǎng)（piconet）的藍牙射頻網(wǎng)絡(luò)是無線耳機、手機免持聽筒遠程控制系統(tǒng)及其它短程音頻/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等普遍采用的無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線紅外線通信系統(tǒng)則普遍采用 IrDA 標準。

每一功能層無需知道其上下層的操作方式。事實上，每一功能層必須不受這些操作方式的影響，才可與不同功能層的其它服務(wù)在運作上互通。例如，網(wǎng)絡(luò)層只負責將信息包由信源傳送至目的地，本身并不知道也無需理會這些信息包是利用單向UDP數(shù)據(jù)報通信方式還是雙向 TCP 連線傳送信息。

分層協(xié)議具有較大的延展性，因為按照協(xié)議規(guī)定，所有鏈路必須采用模塊式結(jié)構(gòu)及標準接口。若果有人發(fā)明了一種全新的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)，并想在新媒體內(nèi)運行協(xié)議的全部堆棧，那么他只需編寫一套兼容的物理層驅(qū)動程序便可。其它的功能層全部無需更改，因此技術(shù)的換代更新變得非常簡單容易。

網(wǎng)中網(wǎng)模型

由于不同的情況有不同的要求，因此未來一代的汽車需要為其電子系統(tǒng)裝設(shè)多種不同的通信網(wǎng)絡(luò)，以確保其穩(wěn)定性及帶寬都可滿足不同情況的要求。我們只要采用分層協(xié)議及中央網(wǎng)關(guān)處理器，便可解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信問題。

以下是新一代汽車可能會裝設(shè)的車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)：

● 控制器區(qū)域網(wǎng)：這種中頻頻帶網(wǎng)絡(luò)具有高度可靠的特性，是幾乎所有汽車都必定裝設(shè)的標準網(wǎng)絡(luò)。

● 藍牙微微網(wǎng)：這是專為移動電話及筆記本電腦而設(shè)的中頻頻帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，也是幾乎所有汽車都必定裝設(shè)的標準網(wǎng)絡(luò)。

● 音像網(wǎng)絡(luò)：這是專為播放音像制作的高頻頻帶網(wǎng)絡(luò)，目前市場上有多種不同的適用協(xié)議，其中包括國內(nèi)數(shù)據(jù)總線 （Domestic Data Bus， D2B）、FireWire （IEEE 1394）、媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸 （Media Oriented Systems Transport， MOST） 以及移動媒體鏈路 （Mobile Media Link， MML ） 等。

● 低成本有線網(wǎng)絡(luò)：這是一種采用通用異步收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)，而且還配備 I2C、SPI 及 MicroWire 等接口，使不同芯片可以獲得直接的總線連系，因此是最適合小鍵盤、顯示屏及傳感器采用的低成本接口。

● 低成本無線網(wǎng)絡(luò)：這是采用 ZigBee 或其它專用網(wǎng)絡(luò)的低頻頻帶無線網(wǎng)絡(luò)，可為輪胎胎壓傳感器、報警與門鎖的射頻遠程控制鍵以及其它電子系統(tǒng)提供低成本的無線連系。

未來一代的車內(nèi)電子系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)一般都會采用多種不同的控制器區(qū)域網(wǎng)。這些控制器區(qū)域網(wǎng)主要分為高速與低速兩種。速度低至10kbps~125kbps的低速網(wǎng)絡(luò)可為不同控制裝置提供聯(lián)系，例如啟動器可以通過網(wǎng)絡(luò)控制倒后鏡的移動角度，而尾燈群組則可利用這些網(wǎng)絡(luò)縮短互連線路。此外，速度高達 126kbps~1Mbps的高速控制器區(qū)域網(wǎng)可支持性能要求較高的重要功能如動力傳動控制。如何為汽車電子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連系

圖2 顯示可讓用戶進入汽車電子系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)進行診斷的無線遠程接口系統(tǒng)，其中的遠程信息控制單元可以利用極具成本效益的芯片制造。

這套診斷系統(tǒng)可以利用萬維網(wǎng)瀏覽器進入汽車的電子系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)。瀏覽器進入控制器區(qū)域網(wǎng)節(jié)點進行存取時，必須與設(shè)有遠程信息控制單元的萬維網(wǎng)服務(wù)器取得聯(lián)系。遠程信息控制單元可視為控制器區(qū)域網(wǎng)的主機，因為控制器區(qū)域網(wǎng)節(jié)點本身不會進入因特網(wǎng)協(xié)議的堆棧執(zhí)行工作。萬維網(wǎng)服務(wù)器負責解釋瀏覽器提出的工作請求，然后與控制器區(qū)域網(wǎng)節(jié)點進行通信，以便落實有關(guān)的請求行動。

每一控制器區(qū)域網(wǎng)節(jié)點都有一套高級的驅(qū)動程序，而這套驅(qū)動程序采用針對個別特殊應(yīng)用而設(shè)的協(xié)議，以便一旦收到萬維網(wǎng)發(fā)出的請求時可以即時作出回應(yīng)。這套驅(qū)動程序負責分析協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （PDU） 的句法及將其中的信息解譯，并大量執(zhí)行任何必要的區(qū)域工作，以滿足協(xié)議數(shù)據(jù)單元提出的工作請求。區(qū)域工作完成后，有關(guān)工作的文件會編入新的格式之中，然后通過控制器區(qū)域網(wǎng)總線存入萬維網(wǎng)服務(wù)器。

此外，動態(tài)節(jié)點配置（DNC）服務(wù)器儲存了一張載列最新節(jié)點的清單，并負責資料的更新。每當有新的節(jié)點加入控制器區(qū)域網(wǎng)（可以在帶電及不帶電的狀態(tài)下進行插接），該新節(jié)點會立即廣播有關(guān)的配置請求，通知采用遠程信息控制單元的動態(tài)節(jié)點配置服務(wù)器?；旧?，我們可以仿照動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）制定動態(tài)節(jié)點配置協(xié)議。動態(tài)主機配置協(xié)議已獲很多個人電腦廣泛采用，其優(yōu)點是確保個人電腦可以自動取得有關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置的數(shù)據(jù)。雖然動態(tài)節(jié)點配置較為簡單，但仍可讓控制器區(qū)域網(wǎng)節(jié)點取得一部分必要的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)。這個設(shè)計好像將個人電腦的隨插即用（PnP）操作機制引入動態(tài)節(jié)點配置服務(wù)器，讓我們很輕易便能增添或刪除任何節(jié)點?？刂破鲄^(qū)域網(wǎng)的節(jié)點利用動態(tài)節(jié)點配置的請求發(fā)布由其隨機產(chǎn)生的節(jié)點識別碼。這個識別碼是相關(guān)節(jié)點的“別名”，而這個“別名”可視為該節(jié)點在控制器區(qū)域網(wǎng)的名稱或“地址”。但我們不可將這個“別名”與信息濾波及控制器區(qū)域網(wǎng)上的識別碼混為一談。

若遠程信息控制單元的動態(tài)節(jié)點配置服務(wù)器收到動態(tài)節(jié)點配置請求，服務(wù)器首先會核實節(jié)點請求的識別碼是否確實有效，以及這個識別碼與網(wǎng)絡(luò)上其他現(xiàn)有節(jié)點是否會相抵觸。服務(wù)器會進一步核實，以確保自己是否有足夠的存儲空間可以將新加節(jié)點的配置圖表載列于其最新節(jié)點名單之內(nèi)。最后，若一切順利，動態(tài)節(jié)點配置服務(wù)器便會確認這個請求，并為該節(jié)點分派一個獨特數(shù)字，作為其正式名稱，以便該節(jié)點在執(zhí)行工作時可以使用。該節(jié)點的識別碼也會記錄在服務(wù)器的最新節(jié)點名單內(nèi)。其后傳送給該節(jié)點的所有通信都會采用這個議定的識別碼。若請求的識別碼已失效，遠程信息控制單元便會拒絕接受請求，使節(jié)點不得不再請求另一識別碼，直至遠程信息控制單元收到可以接受的識別碼為止。

美國國家半導(dǎo)體的 CP3BT26 是一款極具成本效益的遠程信息控制單元處理器，這款屬于 CP3000 連接處理器系列的芯片具備以下的特色及功能：

● 可擴展為 32 位的 24 MHz、16 位精簡指令集計算 （RISC） 中央處理器

● 256 kbytes 的內(nèi)置快閃存儲器

● 8 kbytes 的快閃數(shù)據(jù)存儲器 （可利用 256k 快閃存儲器進行編程）

● 32 kbytes 靜態(tài)隨機存取存儲器 （SRAM）

● 藍牙 （Bluetooth） 基帶控制器

● 兩個設(shè)有對象儲存功能的 CAN 2.0B 動態(tài)控制器 （前稱 fullCAN）

● 符合 USB 1.1 標準的全速節(jié)點

● ACCESS.bus、SPI 及 Microwire/Plus 低成本芯片至芯片總線

● 四通道通用異步收發(fā)器 （UART）

● AAI 編碼譯碼器接口 （可與 SSI 接口兼容）

● 8 通道、12 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器

● 54 條通用輸入/輸出端口管腳

● 通用計時器

● 監(jiān)視計時器

● 低功率模式

藍牙及傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議的全套堆棧已有供應(yīng)。此外，市場上還有全套已成功通過測試的軟件開發(fā)工具、外圍設(shè)備驅(qū)動程序以及實時操作系統(tǒng)可為開發(fā)工作提供全面性的支持。未來的發(fā)展方向

這些分布式系統(tǒng)必須能夠充分發(fā)揮各自的性能，才可滿足以下的設(shè)計要求：

● 減低汽車的負載重量，以符合未來一代的能源效益要求

● 提供更多個性化的服務(wù)，增添駕駛樂趣

● 一旦無線的個人電子設(shè)備如移動電話、個人數(shù)字助理及筆記本電腦進入汽車的無線接收范圍內(nèi)，車內(nèi)的特定通信網(wǎng)絡(luò)可以自動與這些便攜式電子產(chǎn)品建立聯(lián)系

● 更易添加新的特色及功能

● 復(fù)雜的系統(tǒng)——例如不同供應(yīng)商提供的不同軟件——都可集成一起

汽車的重要電子系統(tǒng)大部分都能通過專用的“內(nèi)聯(lián)網(wǎng)”連接一起?？梢月?lián)網(wǎng)的服務(wù)包括：

● 提供電源管理及配置的信息

● 提供識別碼及配置的信息

● 儀表板顯示器 （汽車狀態(tài)、速度、燃油存量、里程儀表等）

● 車身狀態(tài)及控制 （門鎖、倒后鏡、座椅等）

● 診斷數(shù)據(jù)顯示器 （每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)、油溫等）

● 診斷測試模式 （調(diào)節(jié)計時、燃油/空氣混合等）

● 動力傳動狀態(tài)

● 導(dǎo)航系統(tǒng) （顯示前進路徑的地圖顯示器）

● 娛樂系統(tǒng)狀態(tài)及控制

● 人機接口 （顯示器、語音等）

未來一代的汽車越來越需要建立一個自己的通信網(wǎng)，以便不時與個人的移動設(shè)備及外在環(huán)境保持密切的聯(lián)系。汽車可以利用因特網(wǎng)建立無線聯(lián)系，這個聯(lián)系方式有一個很大的優(yōu)點，那就是可以遠程收集運行數(shù)據(jù)。汽車生產(chǎn)商可以上網(wǎng)查看客戶資料，看看客戶究竟有沒有按照防護/維修程序進行維修，也可監(jiān)視汽車性能的轉(zhuǎn)變 （看看有沒有磨損和故障的跡象），以及發(fā)出維修通知和警告。

“智能汽車網(wǎng)絡(luò)”是一個新興的行內(nèi)用語，意指汽車電子系統(tǒng)的傳感器及傳動裝置必須具備一定的智能，才可確保汽車能夠充分發(fā)揮其性能。若要車內(nèi)的電子裝置具備一定的智能，車內(nèi)的每一電子系統(tǒng)必須能夠通過智能汽車網(wǎng)絡(luò)獲得所需的數(shù)據(jù)，因為只有取得最充足的數(shù)據(jù)，車內(nèi)各系統(tǒng)才可因應(yīng)實際情況做出最恰當?shù)臎Q定，發(fā)揮最高的系統(tǒng)性能。

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