基于OSEK_VDX的乘用车车身CAN网络管理与实现

随着汽车电子技术的不断发展,车辆上电控单元的数量不断增加,而且功能也越来越复杂,多个处理器之间相互连接、协调工作并共享信息构成了汽车车载计算机通信网络。车载网络运用多路传输技术,采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点,并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。其中, 在汽车车载网络中,CAN(Controller Area Network 控制型局域网) 总线技术得到了最广泛的应用。CAN 总线的物理层协议和数据链路层协议作为国际标准,已经被大家广泛熟知,并且得到国际大芯片厂商的支持,各种的CAN 网络协议芯片和物理层芯片已经相当的普及。由于应用场合的不同,应用层的协议则是百家争鸣, 其中应用于工业现场的主要有DeviceNet ,CANopen 等,应用于卡车和客车的协议主要有SAE J1939[1] 。但是, 应用于轿车的应用层协议则没有统一的标准,这是因为各个厂家的轿车的应用层协议是多年积累的结果,作为保密协议不对外公开。这也是最近几年我国轿车产业在CAN 总线应用方面比较滞后的原因。本文主要研究了轿车CAN 车身网络应用层协议中的基础核心,基于OSEKΠVDX 的网络管理,并给出了关键的设计方法。

2 　网络管理基础

2. 1 　OSEKΠVDX 介绍

CAN 协议的错误处理能力以及物理层的抗EMC 等特性保证了CAN 节点的相对可靠性。但是对于CAN
网络来说,单个节点的可靠性不能代表整个网络的可靠性。为了保证整个CAN 网络的可靠性,必须存在网络管理功能,通过网络管理保证各个节点的协调工作,并监督网络其他节点的运行状态或错误区别情况。汽车CAN 网络管理的主要参考标准是OSEKΠVDX 。

OSEKΠVDX 是用于分布式实时结构的一组标准,由欧洲汽车制造商和供应商的一个社团与德国Karlsruhe 大学共同开发。它包含4 个标准:操作系统(OS) 、通信(COM) 、网络管理(NM) 和OSEK 实现语言(OIL) 。OSEKΠ的许多电子控制单元(ECU) 。在不同的设计中,可以重用编码和专业技术,而且使用通用接口标准,可以在工业生产方面实现明显的节约。其中符合OSKEΠVDX 的操作系统在国内已有研究,但是对网络管理还没有相关的文章报道。本文主要研究以CAN 网络为基础的车身网络间接管理方法,并提出具体的实现方式。

2 2. 2 　CAN 总线网络帧的传输模式根据触发条件的不同,在车身CAN 网络中可以分为事件型、周期型、混合型3 种传输模式[3] 。

2 2. 2. 1 　事件型传输模式

随着类型或数据的转变而及时发送的消息。此类型消息的好处是极少占用总线资源,但是可能会存在漏发等情况。这种消息类似于网络的中断,用于故障诊断的帧可以是事件型的。

2. 2. 2 　周期型传输模式

以某个时间为周期,循环发送的消息类型。此类型的消息要求的时间精度一般小于10 %, 可以尽可能的保证消息的可靠性,如果周期过短,可能会使总线的负载过大,影响网络的质量。在设计网络中,可以遵守如下的基本规则:如果帧的ID 号越小,它的优先级高,那么它的周期可以越小。用于监督网络状态的帧可以是周期型的。

2. 2. 3 　混合型传输模式

即事件型与周期型混合类型的帧。事件型消息发送实时变化的帧,周期性的发送保证了消息的完备性。如用于监控外部设备的帧,如果帧中的参数没有变化,将周期性的发送,如果帧中的参数发生了变化,将会以事件发送此帧,然后重新计时,以周期型发送。

三种传输模式的分类,使CAN 网络中的帧的类型更加清晰,有利于制定应用层协议和网络管理规则。

3 　网络管理方式

3. 1 　OSEKΠVDX NM 研究

由于汽车的运行环境比较恶劣,安全性要求又非常的高,所以对于通讯网络要求非常严格。OSEKΠVDX 网络管理的主要任务就是保证ECU 之间互相通信网络的安全性和可靠性[2] 。由于每个网络的结构和特性要求不同,所以网络管理的实现方式也不同。

OSEKΠVDX 提供了两种网络管理机制 直接监控与间接监控。直接监控是利用标记的通讯机制进行直接监控,网络中的每一个节点被其他节点所监控,所以每一个被控节点会发出一个特定的统一的网络关系消息。直接监控通过一个逻辑环来实现网络监控信息的同步。在这个环上每个节点有一个地址,通过独立于网络协议的专用单向网络管理通讯,可以检测到网络上每个节点的状态。直接网络管理方式可靠性高,但是需要更多的时间,并且增加了网络负载和CPU 的负载。

间接网络管理是以监督ECU 节点的周期型信息帧为基矗也就是说,一个节点发出的一个周期性的帧被一个或多个节点接收,接收节点通过监督这个周期性的帧完成间接网络管理。间接网络管理节点状态类型分类描述常用于中央控制型网络,有一个功能强大的网关发送状态非无声的(not mute)