CAN在ECU通訊中的作用是什么?

電子學(xué)具有強(qiáng)大的創(chuàng)新潛能，它能使駕駛汽車(chē)更安全、更舒適、更經(jīng)濟(jì)并且能使汽車(chē)對(duì)環(huán)境更友好；這種潛能已經(jīng)讓汽車(chē)經(jīng)歷了一場(chǎng)真正的電子化進(jìn)程，這個(gè)電子化進(jìn)程開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，并于80年代得到了加速發(fā)展。這尤其得益于電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，而網(wǎng)絡(luò)化是獲取更多功能、從而得到更好性能的先決條件。在網(wǎng)絡(luò)化日益發(fā)展的同時(shí)，為了減少布置線纜的工作，并且降低線纜的成本、重量和所占的空間，汽車(chē)制造商們很早就決定使用串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。除了串行總線系統(tǒng)CAN，LIN和MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）總線也在短期內(nèi)確定了在車(chē)上的應(yīng)用。2006年秋季，BMW將發(fā)布其新款X5汽車(chē)，該車(chē)將成為第一款使用FlexRay總線的量產(chǎn)車(chē)，而FlexRay是專門(mén)為時(shí)間攸關(guān)和安全攸關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種總線系統(tǒng)。

控制器局域網(wǎng)（CAN）于1992年就被定為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。毫無(wú)疑問(wèn)，CAN是目前應(yīng)用最為廣泛的串行總線系統(tǒng)，它甚至可以在一輛車(chē)上被多次使用：一個(gè)最高傳輸速率為125kbps的低速CAN總線系統(tǒng)（容錯(cuò)CAN），用于連接舒適系統(tǒng)的ECU；一個(gè)最高傳輸速率可達(dá)1Mbps的高速CAN總線系統(tǒng)（高速CAN），用于連接動(dòng)力系統(tǒng)和底盤(pán)系統(tǒng)的ECU。CAN提供了極高的傳輸安全性。這得益于差分信號(hào)傳輸和5種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制（比如位監(jiān)視，形式檢查，循環(huán)冗余碼檢查），這些功能是由CAN控制器實(shí)現(xiàn)的。

LIN（本地局域互連網(wǎng)）用于傳感器/執(zhí)行器領(lǐng)域進(jìn)行低成本和便捷的數(shù)據(jù)傳輸。LIN的數(shù)據(jù)傳輸速率最高只有20kbps，但這足以滿足非關(guān)鍵性傳感器和執(zhí)行器信號(hào)的傳輸了。

對(duì)實(shí)時(shí)攸關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要總線系統(tǒng)在不依賴總線負(fù)載的條件下保證硬（強(qiáng)）實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)攸關(guān)系統(tǒng)通常也是安全攸關(guān)系統(tǒng)。FlexRay為此提供了解決方案：它具有最高20Mbps的傳輸速率，并且基于一種可靠的等距數(shù)據(jù)傳輸，能夠保證確定的時(shí)間關(guān)系。雙通信通道使得總線能夠傳輸冗余數(shù)據(jù)。如果一個(gè)通道的數(shù)據(jù)受到了干擾，那么仍然可以利用第二個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

圖2：現(xiàn)代汽車(chē)使用串行總線系統(tǒng)進(jìn)行連網(wǎng)

信息設(shè)備（如導(dǎo)航、無(wú)線電和電話等）既要傳送控制信號(hào)也要傳送視頻和音頻信號(hào)，因而需要一種相對(duì)更寬的帶寬。這樣，MOST就用在了車(chē)內(nèi)多媒體設(shè)備的連網(wǎng)。MOST使得相對(duì)較高的帶寬成為可能：它具有48kHz的采樣速率，用于傳輸位流的帶寬接近23Mbps，而用于控制信號(hào)傳輸?shù)膸掃_(dá)到768kbps。Vector為汽車(chē)制造商和供應(yīng)商進(jìn)行CAN、LIN、FlexRay和MOST網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的工具鏈和軟件組件。CANoe用戶能在多方面受益，例如，從實(shí)際功能的模型創(chuàng)建、仿真、功能測(cè)試、診斷到分析的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。 CANoe提供了以下可選模塊和協(xié)議，而且可以按照要求對(duì)其進(jìn)行組合：CAN，LIN，F(xiàn)lexRay，MOST，CANopen，SAE J1939，SAE J1587，NMEA2000和ISO11783。Vector為汽車(chē)ECU的開(kāi)發(fā)、標(biāo)定和診斷等各個(gè)階段提供了完整而廣泛的工具支持。針對(duì)電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，除了咨詢服務(wù)，Vector還提供了相應(yīng)的工具環(huán)境。

CAN的未來(lái)

在汽車(chē)上，電子設(shè)備正在承擔(dān)著大量不同的任務(wù)。為了結(jié)合不同的系統(tǒng)，建立了多種總線系統(tǒng)。CAN具有很高的數(shù)據(jù)安全性和相對(duì)低廉的成本，因此它注定要用在動(dòng)力和舒適領(lǐng)域。由于更為低廉的成本及易于通信的架構(gòu)，LIN適宜作為一種低層總線。當(dāng)考慮快速、確定而安全的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)lexRay成為最佳選擇。MOST是用于信息設(shè)備間的音頻/視頻數(shù)據(jù)交換的一種多媒體總線。將來(lái)，CAN會(huì)繼續(xù)用于動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)和便利應(yīng)用領(lǐng)域。今天，一些裝備優(yōu)良的汽車(chē)已經(jīng)安裝了超過(guò)70個(gè)不同的ECU。但是，并不是將任何新CAN節(jié)點(diǎn)都加到汽車(chē)上去，汽車(chē)OEM的運(yùn)作趨勢(shì)是不斷將各種功能綁定到中央ECU上。FlexRay將會(huì)顯示其重要意義，因?yàn)槭褂盟梢詫?shí)現(xiàn)時(shí)間和安全攸關(guān)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。由于智能傳感器和執(zhí)行器數(shù)目的增多，LIN也將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。

表1 串行總線系統(tǒng)CAN、LIN和FlexRay總結(jié)

不同廠家生產(chǎn)的各種各樣的操作系統(tǒng)、嵌入式軟件、微處理器和軟件組件極大地加重了分布式電子架構(gòu)的集成工作。為此，許多著名的汽車(chē)生產(chǎn)商和供應(yīng)商制定了一種“汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)”（AUTOSAR）。從開(kāi)始以來(lái)，許多汽車(chē)OEM、大型供應(yīng)商和專業(yè)工具提供者都加入了AUTOSAR并不同程度地參與到其活動(dòng)中。

AUTOSAR的目標(biāo)是為所有六個(gè)功能域（動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，底盤(pán)，安全，信息通訊，人機(jī)接口和車(chē)身/便利系統(tǒng)）建立一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。為此目的而開(kāi)發(fā)的軟件架構(gòu)和硬件組件將是統(tǒng)一的，而（不同廠家的）競(jìng)爭(zhēng)主要基于功能的不同實(shí)現(xiàn)（機(jī)制）。與互換性一起，產(chǎn)生了許多自由。例如，用于不同汽車(chē)和平臺(tái)的軟件具有簡(jiǎn)單的可裁減性，在網(wǎng)絡(luò)中可對(duì)功能分配進(jìn)行自由配置，和毫無(wú)障礙地組合不同廠商的模塊。硬件也是高度兼容的，并且具有成為“現(xiàn)貨供應(yīng)”產(chǎn)品的特征。其它需要考慮的重要方面是，未來(lái)電子系統(tǒng)的安全需求、整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的修繕和汽車(chē)生命周期內(nèi)軟件的更新及升級(jí)能力。

在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下，AUTOSAR依靠應(yīng)用程序與硬件的解耦和基礎(chǔ)軟件來(lái)使能特定庫(kù)函數(shù)。這是由指定接口及其通信機(jī)制而實(shí)現(xiàn)的。2006年5月，AUTOSAR發(fā)展合作組織將其在第一個(gè)發(fā)展階段的主要成果出版發(fā)行。AUTOSAR規(guī)范是該合作組織前三年工作的成果。2005年5月，制定并發(fā)布了31個(gè)基礎(chǔ)軟件（BSW）模塊的1.0規(guī)范。后續(xù)的實(shí)現(xiàn)階段和確認(rèn)階段（Validator 1）證實(shí)了這些模塊的功能性和此概念。截止2006年5月，已經(jīng)出版了46個(gè)BSW規(guī)范中的42個(gè)，RTE（運(yùn)行時(shí)環(huán)境）也在此列。到此為止，已完成了99個(gè)文檔、格式和模型，其中已出版了94個(gè)。目前，規(guī)范正在經(jīng)歷另外一個(gè)測(cè)試階段（Validator 2），該階段將于今年秋天完成。第一個(gè)完全版本（2.1版）計(jì)劃于2006年底發(fā)布，它也會(huì)包括方法規(guī)范[1]。

在AUTOSAR中集成CAN

CAN通信服務(wù)是用于汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)通信的一組模塊。它們提供了CAN網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接口，對(duì)應(yīng)用程序隱藏協(xié)議和消息屬性。AUTOSAR COM和診斷通信管理器為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的通信機(jī)制，兩者都獨(dú)立于總線技術(shù)。PDU路由器允許過(guò)程數(shù)據(jù)單元跨過(guò)一種總線直接進(jìn)入到另一種總線。另外，在AUTOSAR COM內(nèi)包含了一種基于信號(hào)的網(wǎng)關(guān)，用于將單個(gè)信號(hào)從一個(gè)通信系統(tǒng)發(fā)送到另一個(gè)通信系統(tǒng)。

圖3：AUTOSAR的目標(biāo)――使用標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)和接口使復(fù)雜的電子/電控系統(tǒng)變得易于管理

網(wǎng)絡(luò)管理分為總線相關(guān)和總線無(wú)關(guān)兩部分。如果CAN被FlexRay取代，那么普通NM會(huì)保持不變。通過(guò)引入一種CAN接口，PDU路由器并不關(guān)心到底CAN控制器是嵌入式控制器的一部分還是其外部設(shè)備。當(dāng)用LIN或FlexRay模塊代替CAN相關(guān)模塊時(shí)，CAN通信棧能夠轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)IN或FlexRay通信棧。

內(nèi)存服務(wù)以NVRAM管理器的方式給出，它提供了一個(gè)應(yīng)用程序訪問(wèn)非易失數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口。內(nèi)存服務(wù)從位置（地址）和特性上對(duì)內(nèi)存進(jìn)行了抽象，進(jìn)而提供了非易失數(shù)據(jù)的管理機(jī)制，比如存儲(chǔ)、下載、校驗(yàn)保護(hù)和驗(yàn)證或可靠存儲(chǔ)。內(nèi)存硬件抽象（在內(nèi)存服務(wù)下面）來(lái)自對(duì)外圍內(nèi)存設(shè)備（片上或板上）和ECU硬件的抽象。比如，EEPROM接口和Flash硬件應(yīng)能使用相同的機(jī)制進(jìn)行訪問(wèn)。內(nèi)存驅(qū)動(dòng)程序由特定內(nèi)存抽象/仿真模塊（如EEPROM抽象）進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)模擬EEPROM接口和Flash硬件單元，允許由內(nèi)存硬件抽象對(duì)兩類硬件進(jìn)行普通訪問(wèn)。在兩個(gè)例子中，CAN通信棧和內(nèi)存棧呈現(xiàn)了高度的模塊化，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的優(yōu)化和在十分不同的使用條件下對(duì)基礎(chǔ)軟件的重用[2]。

圖4：CAN通信棧的AUTOSAR架構(gòu)

AUTOSAR的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

針對(duì)開(kāi)發(fā)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的軟件所需要的所有設(shè)計(jì)步驟，Vector提供了一種解決方案：從結(jié)構(gòu)化概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)AUTOSAR軟件組件及其在ECU間的分配，到定義通信和ECU配置。除了網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)軟件組件和基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，Vector還提供全部核心和一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境，這些都是基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的，適用于非常多的不同種類的微處理器及其獨(dú)立設(shè)備。除了支持特定目標(biāo)硬件平臺(tái)，CANoe網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具還支持作為一個(gè)PC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。聯(lián)合Vector的Davinci工具套件，用戶將獲得一個(gè)能可靠地開(kāi)發(fā)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的ECU的平臺(tái)。

holger.heit@vector-informatik.de

參考文獻(xiàn)
[1] Weber, T.: Vector Autosar Conference July 2006, "The Overvalue of Autosar for OEM purposes"
[2] 7th Euro forum conference "Software in the vehicle" May 2006, "Autosar - Current results and preparation for exploitation"