新能源汽車的實時以太網總線系統設計

以太網控制器，并且研發出適用于汽車控制系統的實時通信協議，將傳統的以太網數據鏈路層進行升級，建立兩種新的通信機制，請求應答模式和定時主動上報模式，使眾多的從站控制設備與主控制中心之間有序高效進行信息交流，而且采取了同步機制使多設備同步運行能力得到提升。在此基礎之上，移植改進 CANopen 應用層標準。實現了以太網與傳統 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，指的是汽車內部各個系統或者電子零件之間進行信息交流所使用的通信方法。現如今，汽車智能化、網聯化，甚至自動駕駛的浪潮已經來臨，浪潮帶來的是 ADAS 技術的與斷革新、高品質車載娛樂影音的影音推進、以及 OTA 遠程升級、V2X、大數據、云計算等一系列技術的發展；這推進了車載網絡對實時性、高速率、高兼容性需求的爆發式發展，顯然這已經超出了 CAN 或 FlexRay 等傳統車載網絡的歷史使命。因此以太網就成了將它們連接在一起甚至完全替代傳統總線的最佳選項，成為業內普遍認可的技術方案，所以針對以太網汽車總線的研究十分必要。

本文將以太網作為汽車主干網絡，性能已經取代了大部分傳統總線，對于 CAN 總線，其仍然具有普遍性、穩定性等優勢，因此需要實現 CAN 與以太網橋接。對 CAN 幀進行解封，提取控制中心所需數據，封裝成以太網數據幀。

1 系統組成

依照現代汽車標準，新能源汽車整車系統與傳統汽車整車系統最大的區別在于引進了電池管理系統以及電力驅動系統、電池檢測、單電池組之間的均衡、數據分析、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據的通信總線性能要求。

1.1 硬件系統

本研究所設計的以太網控制器是基于 FPGA 實現的。硬件的總體架構。

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

1.2 軟件系統設計

本文將車載以太網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，它基于改進升級之后以太網底層協議之上直接運用經過調整的 CANopen 應用層協議。另一條路徑是用來傳輸對實時性要求也比較高的視頻監控或者是數據量較大的媒體信息等，這條路徑借助 UDP/IP 協議棧來實現上層應用與以太網底層的連接。協議框架。

對傳統以太網的數據鏈路層進行改進，具有的功能如下：（1）構建/解析數據楨、對數據楨定界、網絡同步、數據楨收發順序的控制。（2）傳輸過程中的流量控制、差錯檢測、對物理層的原始數據進行數據封裝等。（3）實時通信的傳輸控制。（4）網絡狀態機。

為了區分實時控制系統中的從站設備，需要給每一個從站設備分配一個號碼，號碼范圍：1～239。對于控制中心的設備號碼確定為 240。這樣控制中心就具備協調各個從站，合理分配總線使用權，避免沖突，實現實時通信的作用。

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

基于請求/應答模式主站（MN）輪詢所有從站（CN）。首先主站發送 Preq 數據幀（PReqCN1）給 1 號從站，該數據幀是單播的，只有 1 號節點接收，其他節點不接收。在該數據幀中包了主站（MN）要發送給 1 號從站的數據。當 1 號節點收到來自主站的 Preq 數據幀，就會上報一個 Pres 數據幀（PresCN1），該數據幀是廣播的，除了主站可以接收到以外，網絡中其他任何一個從節點都能收到。主站（MN）與 1 號從節點（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 號從節點（CN2）的信息交互，以此類推，將網絡中所有的節點掃描一次，稱為一個循環周期。假定循環周期為 200 μs，那么網絡中的每個設備每 200 μs 就有一次收取/發送數據的機會，而且不會與其他設備造成沖突。

PRC 模式該模式取消 preq 數據幀，而是連續使用 pres，控制設備在和從站節點通信前，需要配置從站的參數，該參數表明各個從站設備的信息上報時間，位于循環周期的不同時刻，避免沖突。該模式下的性能于請求應答模式的基本相同，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%。

本文對于應用層借鑒 CANopen 標準，CANopen 是一個應用層協議。他為應用程序提供了一個統一的接口，使得不同的設備與應用程序之間有統一的訪問方式。本研究參考其原理并將其移植到車載以太網的應用層部分。

將應用層協議分為三個個主要部分：PDO，SDO 和對象字典 OD。

（1）PDO：process data object 進程數據對象。用來傳輸實時數據，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。
責任編輯:pj

（2）SDO：Service data object 服務數據對象。主要用來在設備之間傳輸大的低優先級數據，典型的是用來配置 CANopen 網絡上的設備。

（3）OD：ObjectDictionary，對象字典。Canopen 協議對于每一個設備參數都定義了一個編號來區分這些參數，這些編號便是索引（index），每個索引需要用一個 16 位的數字來表示。表 1 為對象字典結構。

2 系統測試

總線控制器設計成功之后，要對整個系統建立測試環境拓撲圖，用來檢測技術標準是否達到，建立的拓撲結構。

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

經測試，系統復合設計要求，具體測試項目及指標。

3 結語

本文對于車載以太網總線通信進行了較深入的探索，在現有以太網總線技術的基礎上，研發出汽車控制器，將其應用于車載通信網絡。主要在軟件方面針對實時控制系統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進行了軟件層面的研發，對傳統以太網的 I2C 子層進行了升級，提出請求應答模式和 PRC 模式兩種新的通信機制來提高控制實時性，并且將 CANopen 應用層協議進行適配移植，對汽車實時控制系統例如制動控制實現具體協議移植到鏈路層網絡之上，使通訊速度達到 1 000 mbps，延遲時間控制在 1 μs 以內。