新能源汽車的實時以太網(wǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計

以太網(wǎng)控制器，并且研發(fā)出適用于汽車控制系統(tǒng)的實時通信協(xié)議，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行升級，建立兩種新的通信機制，請求應(yīng)答模式和定時主動上報模式，使眾多的從站控制設(shè)備與主控制中心之間有序高效進(jìn)行信息交流，而且采取了同步機制使多設(shè)備同步運行能力得到提升。在此基礎(chǔ)之上，移植改進(jìn) CANopen 應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)了以太網(wǎng)與傳統(tǒng) CAN 通信總線的橋接。

Abstract — In this paper， a vehicle Ethernet controller is designed， and a real-time communication protocol is developed， which is suitable for vehicle control system. The traditional Ethernet data link layer is upgraded， and two new communication mechanisms are established： request response mode and timed active reporting mode， so that many slave control equipment and the main control center can exchange information orderly and efficiently， and synchronization is adopted The mechanism improves the synchronous operation ability of multiple devices. On this basis， we transplant and improve the CANopen application layer standard. The bridge between Ethernet and traditional CAN communication bus is realized.

Index Terms — IC application， vehicle ethernet， software agreement， real-time communication.

0 引言

汽車車載通信，指的是汽車內(nèi)部各個系統(tǒng)或者電子零件之間進(jìn)行信息交流所使用的通信方法?，F(xiàn)如今，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化，甚至自動駕駛的浪潮已經(jīng)來臨，浪潮帶來的是 ADAS 技術(shù)的與斷革新、高品質(zhì)車載娛樂影音的影音推進(jìn)、以及 OTA 遠(yuǎn)程升級、V2X、大數(shù)據(jù)、云計算等一系列技術(shù)的發(fā)展；這推進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)對實時性、高速率、高兼容性需求的爆發(fā)式發(fā)展，顯然這已經(jīng)超出了 CAN 或 FlexRay 等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的歷史使命。因此以太網(wǎng)就成了將它們連接在一起甚至完全替代傳統(tǒng)總線的最佳選項，成為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的技術(shù)方案，所以針對以太網(wǎng)汽車總線的研究十分必要。

本文將以太網(wǎng)作為汽車主干網(wǎng)絡(luò)，性能已經(jīng)取代了大部分傳統(tǒng)總線，對于 CAN 總線，其仍然具有普遍性、穩(wěn)定性等優(yōu)勢，因此需要實現(xiàn) CAN 與以太網(wǎng)橋接。對 CAN 幀進(jìn)行解封，提取控制中心所需數(shù)據(jù)，封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

1 系統(tǒng)組成

依照現(xiàn)代汽車標(biāo)準(zhǔn)，新能源汽車整車系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車整車系統(tǒng)最大的區(qū)別在于引進(jìn)了電池管理系統(tǒng)以及電力驅(qū)動系統(tǒng)、電池檢測、單電池組之間的均衡、數(shù)據(jù)分析、SoC 值估算、電池信息儀表顯示、語音報警等功能，這些新功能都提高了傳輸數(shù)據(jù)的通信總線性能要求。

1.1 硬件系統(tǒng)

本研究所設(shè)計的以太網(wǎng)控制器是基于 FPGA 實現(xiàn)的。硬件的總體架構(gòu)。

硬件平臺的模塊主要劃分為 FPGA、時鐘、電源、以太網(wǎng)接口和 CAN 總線接口五部分。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文將車載以太網(wǎng)的軟件層傳輸路徑主要分為兩條：一條是用來傳輸汽車中對實時性要求較高的控制信號，它基于改進(jìn)升級之后以太網(wǎng)底層協(xié)議之上直接運用經(jīng)過調(diào)整的 CANopen 應(yīng)用層協(xié)議。另一條路徑是用來傳輸對實時性要求也比較高的視頻監(jiān)控或者是數(shù)據(jù)量較大的媒體信息等，這條路徑借助 UDP/IP 協(xié)議棧來實現(xiàn)上層應(yīng)用與以太網(wǎng)底層的連接。協(xié)議框架。

對傳統(tǒng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行改進(jìn)，具有的功能如下：（1）構(gòu)建/解析數(shù)據(jù)楨、對數(shù)據(jù)楨定界、網(wǎng)絡(luò)同步、數(shù)據(jù)楨收發(fā)順序的控制。（2）傳輸過程中的流量控制、差錯檢測、對物理層的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝等。（3）實時通信的傳輸控制。（4）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)機。

為了區(qū)分實時控制系統(tǒng)中的從站設(shè)備，需要給每一個從站設(shè)備分配一個號碼，號碼范圍：1～239。對于控制中心的設(shè)備號碼確定為 240。這樣控制中心就具備協(xié)調(diào)各個從站，合理分配總線使用權(quán)，避免沖突，實現(xiàn)實時通信的作用。

對以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)之后，使其具有兩種通信機制：基于請求/應(yīng)答模式和基于定時主動上報模式（PRC 模式）。

基于請求/應(yīng)答模式主站（MN）輪詢所有從站（CN）。首先主站發(fā)送 Preq 數(shù)據(jù)幀（PReqCN1）給 1 號從站，該數(shù)據(jù)幀是單播的，只有 1 號節(jié)點接收，其他節(jié)點不接收。在該數(shù)據(jù)幀中包了主站（MN）要發(fā)送給 1 號從站的數(shù)據(jù)。當(dāng) 1 號節(jié)點收到來自主站的 Preq 數(shù)據(jù)幀，就會上報一個 Pres 數(shù)據(jù)幀（PresCN1），該數(shù)據(jù)幀是廣播的，除了主站可以接收到以外，網(wǎng)絡(luò)中其他任何一個從節(jié)點都能收到。主站（MN）與 1 號從節(jié)點（CN1）一來（Preq）、一往（Pres），就完成了一次信息交互；接下來主站（MN）與 2 號從節(jié)點（CN2）的信息交互，以此類推，將網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點掃描一次，稱為一個循環(huán)周期。假定循環(huán)周期為 200 μs，那么網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備每 200 μs 就有一次收取/發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，而且不會與其他設(shè)備造成沖突。

PRC 模式該模式取消 preq 數(shù)據(jù)幀，而是連續(xù)使用 pres，控制設(shè)備在和從站節(jié)點通信前，需要配置從站的參數(shù)，該參數(shù)表明各個從站設(shè)備的信息上報時間，位于循環(huán)周期的不同時刻，避免沖突。該模式下的性能于請求應(yīng)答模式的基本相同，唯一不同點使該模式省去了 Tpres 的通信時間，因此通信效率提升至少 30%。

本文對于應(yīng)用層借鑒 CANopen 標(biāo)準(zhǔn)，CANopen 是一個應(yīng)用層協(xié)議。他為應(yīng)用程序提供了一個統(tǒng)一的接口，使得不同的設(shè)備與應(yīng)用程序之間有統(tǒng)一的訪問方式。本研究參考其原理并將其移植到車載以太網(wǎng)的應(yīng)用層部分。

將應(yīng)用層協(xié)議分為三個個主要部分：PDO，SDO 和對象字典 OD。

（1）PDO：process data object 進(jìn)程數(shù)據(jù)對象。用來傳輸實時數(shù)據(jù)，對于汽車中對實時性要求比較高的即時運動控制十分重要，例如，剎車制動控制等。
責(zé)任編輯:pj

（2）SDO：Service data object 服務(wù)數(shù)據(jù)對象。主要用來在設(shè)備之間傳輸大的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，典型的是用來配置 CANopen 網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。

（3）OD：ObjectDictionary，對象字典。Canopen 協(xié)議對于每一個設(shè)備參數(shù)都定義了一個編號來區(qū)分這些參數(shù)，這些編號便是索引（index），每個索引需要用一個 16 位的數(shù)字來表示。表 1 為對象字典結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)測試

總線控制器設(shè)計成功之后，要對整個系統(tǒng)建立測試環(huán)境拓?fù)鋱D，用來檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)到，建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

建立好測試所需連接之后，本研究對系統(tǒng)的傳輸速率以及同步誤差進(jìn)行了測試，測試方法利用抓包工具 Fiddler 軟件。

經(jīng)測試，系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計要求，具體測試項目及指標(biāo)。

3 結(jié)語

本文對于車載以太網(wǎng)總線通信進(jìn)行了較深入的探索，在現(xiàn)有以太網(wǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出汽車控制器，將其應(yīng)用于車載通信網(wǎng)絡(luò)。主要在軟件方面針對實時控制系統(tǒng)以及對傳輸量與傳輸速率要求較高的輔助駕駛和車載娛樂系統(tǒng)進(jìn)行了軟件層面的研發(fā)，對傳統(tǒng)以太網(wǎng)的 I2C 子層進(jìn)行了升級，提出請求應(yīng)答模式和 PRC 模式兩種新的通信機制來提高控制實時性，并且將 CANopen 應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行適配移植，對汽車實時控制系統(tǒng)例如制動控制實現(xiàn)具體協(xié)議移植到鏈路層網(wǎng)絡(luò)之上，使通訊速度達(dá)到 1 000 mbps，延遲時間控制在 1 μs 以內(nèi)。