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本文提出了一種基于CAN 總線的車載網絡軟件解決方案。該方案可將應用與網絡協議分開，以便降低整車廠商對硬件供應商的依賴性，同時提高軟件的復用性和可移植性。該方案主要包含兩部分：一、靜態配置編譯器工具；二、網絡組件。 1 引言 目前，汽車電子正朝著網絡化的方向發展，車載網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 網絡設計是應用CAN 網絡通訊的關鍵。縱觀現有的設計技術，可以將其分為兩類：一類是以仿真和測試為主的傳統設計方法；另一類是以協議設計為主的方法。傳統方法將每個節點對協議的要求拼湊起來，通過仿真、測試的方法檢驗協議的正確性，最終得到通訊協議。新方法通過系統設計技術，用理論方法對系統的時序建模，分析設計系統的通訊協議，保證系統的實時性能以及協議的正確性，最終發布正確的通訊協議。本文將簡要介紹傳統設計方法的局限性和新方法的優勢，以及參考新方法所設計的通信網絡軟件系統。 2 傳統設計方法的局限性 隨著汽車上電子設備數量的逐漸增多，車載網絡系統也越來越復雜，汽車電子網絡面臨著巨大的挑戰。傳統網絡協議設計技術的局限性越來越突出，主要表現在數據丟失、通訊延遲、協議修改困難等三個方面。 2.1 數據丟失 數據丟失是指新數據沒有來得及通過網絡傳輸出去，或是超過接收節點的接收時限才傳輸出去的情況。數據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。實時性能好的系統應該完全避免數據丟失。 數據丟失的影響因素就是通訊協議。傳統設計方法通過仿真和測試等手段檢測協議的正確性，其缺點是無法覆蓋所有的測試用例，因此，輸出的通訊協議會存在潛在錯誤或者不夠完整，這樣就不可避免地會產生數據丟失的情況，影響整個系統的性能。 2.2 通訊延遲 通訊延遲是指數據準備好到通過總線發送出去的等待時間。通訊延遲可能導致數據丟失，是傳統設計方法無法解決的根本性問題。這主要是因為，傳統設計方法只是將各個節點對協議的要求拼湊起來，沒有考慮整個系統的需求，比如發送節點發送數據到接收節點接收數據并用于控制，沒有考慮實現這樣一個完整功能的時間要求。因此協議設計結果難以保證實時性能，必然存在通訊延遲。 仲裁失敗是產生延遲的主要原因，因此延遲與消息的 ID 及周期有關。系統越復雜，消息之間發生競爭的可能性越大，系統的實時性能就越差。 為了減小延遲的影響，傳統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 協議修改困難 修改協議在開發過程中不可避免。但對于傳統的設計方法，因為應用程序和通訊功能的融合，通訊協議的參數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議。因此，整車廠商修改協議十分困難，并需要很長的時間。 3 以協議設計為主的新方法的特點 以協議設計為主的方法通過系統級的設計理論和方法，保證通訊協議的準確性，避免數據丟失，保證系統的實時性能。其特點概括起來如下： 3.1 系統級設計，避免數據丟失 新技術采用自上而下的系統設計技術，對整個系統的架構進行設計，并完成優化。通過理論設計方法，可保證通訊協議的正確性，從根本上解決數據丟失問題。 3.2 有效控制消息延時 響應時間是消息準備發送到最后節點接收到數據的全部時間，它是發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，也能有效控制系統延遲，因此沒有必要再對系統的總線負載作任何限制，理論上可以達到100%。其優勢在于保證了確定的通訊行為，可以有效地利用系統資源。 3.3 分隔應用程序和通訊協議，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絡通訊組件。該組件將應用程序和通訊協議成功分隔開來，使得各自的修改互不影響，保證了協議修改的靈活性。網絡通訊組件提供面向總線、應用程序和通訊協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，不包含通訊協議的參數。面向通訊協議的接口負責識別通訊協議。只要遵守接口標準，協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議 這種設計方案其優勢在于整車廠商可以很容易地修改協議，不需要供應商支持，因此保證了系統變更的靈活性，同時也增加了系統的可移植性以及應用的復用性。 ４ 系統設計 為了避免傳統設計方法的缺點，本系統參考新方法理論進行設計。整個系統主要分為兩大部分：一、靜態配置編譯工具；二、網絡組件，稱為COM 組件。 4.1 靜態配置編譯工具 該靜態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絡接口以及ECU 中的每個通信接口所收發的信號的描述。這些描述內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Interator 創建，主要用來描述網絡接口配置、信號、幀及其想關參數（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、存儲數據的內存的大小和地址等。 .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了靜態可裁剪配置，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據的丟失，充分利用了網絡資源。 經過配置后獲得的四個文件經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生的數據結構，并且這些數據結構與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 文件是產生的ECU 二進制配置數據。 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關功能，該功能實現信號級的路由。 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、提供為網絡管理統一服務；三、提供診斷通信統一服務；四、隱藏協議和來自應用的信息屬性；五、提供不同網絡之間數據傳輸；六、提供網關功能。 COM 組件中的驅動層提供以下功能：一、發送從交互層遞交過來的數據；二、從CAN硬件接收數據遞交給交互層；三、確認上層的發送請求，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：當底層網絡中有信息在傳輸時，CAN 收發器進行過濾，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據傳遞給交互層。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。 信號的發送：應用程序調用信號寫操作功能將有關信號發送到交互層。交互層通過調用有關發送函數進行輸出操作，將信息傳遞到驅動層。驅動層調用有關的發送功能，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 組件進行信號收發操作 5 結束語 本文設計的系統采用新的設計原理，很好的將應用和協議分開，降低了整車廠商對供應商的依賴性，降低了整車的開發成本和開發周期，同時，作為我國自主研制的車載網絡解決方案，一定程度上對我國汽車電子行業的進步提供了一定的理論基礎。 本文作者創新點:此網絡設計采用了系統設計方法，突破了傳統的以仿真測試進行協議拼湊的設計方法，能夠使整車廠商靈活地進行協議設計和修改，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的移植性和可重用性，并且增加了網絡的使用率。 |
