解析汽车内部各个系统或电子零件的构成

新能源汽车的实时以太网总线系统设计

以太网控制器，并且研发出适用于汽车控制系统的实时通信协议，将传统的以太网数据链路层进行升级，建立两种新的通信机制，请求应答模式和定时主动上报模式，使众多的从站控制设备与主控制中心之间有序高效进行信息交流，而且采取了同步机制使多设备同步运行能力得到提升。在此基础之上，移植改进 CANopen 应用层标准。实现了以太网与传统 CAN 通信总线的桥接。

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

汽车车载通信，指的是汽车内部各个系统或者电子零件之间进行信息交流所使用的通信方法。现如今，汽车智能化、网联化，甚至自动驾驶的浪潮已经来临，浪潮带来的是 ADAS 技术的与断革新、高品质车载娱乐影音的影音推进、以及 OTA 远程升级、V2X、大数据、云计算等一系列技术的发展；这推进了车载网络对实时性、高速率、高兼容性需求的爆发式发展，显然这已经超出了 CAN 或 FlexRay 等传统车载网络的历史使命。因此以太网就成了将它们连接在一起甚至完全替代传统总线的最佳选项，成为业内普遍认可的技术方案，所以针对以太网汽车总线的研究十分必要。

本文将以太网作为汽车主干网络，性能已经取代了大部分传统总线，对于 CAN 总线，其仍然具有普遍性、稳定性等优势，因此需要实现 CAN 与以太网桥接。对 CAN 帧进行解封，提取控制中心所需数据，封装成以太网数据帧。

1 系统组成

依照现代汽车标准，新能源汽车整车系统与传统汽车整车系统最大的区别在于引进了电池管理系统以及电力驱动系统、电池检测、单电池组之间的均衡、数据分析、SoC 值估算、电池信息仪表显示、语音报警等功能，这些新功能都提高了传输数据的通信总线性能要求。

1.1 硬件系统

本研究所设计的以太网控制器是基于 FPGA 实现的。硬件的总体架构。

硬件平台的模块主要划分为 FPGA、时钟、电源、以太网接口和 CAN 总线接口五部分。

1.2 软件系统设计

本文将车载以太网的软件层传输路径主要分为两条：一条是用来传输汽车中对实时性要求较高的控制信号，它基于改进升级之后以太网底层协议之上直接运用经过调整的 CANopen 应用层协议。另一条路径是用来传输对实时性要求也比较高的视频监控或者是数据量较大的媒体信息等，这条路径借助 UDP/IP 协议栈来实现上层应用与以太网底层的连接。协议框架。

对传统以太网的数据链路层进行改进，具有的功能如下：（1）构建/解析数据桢、对数据桢定界、网络同步、数据桢收发顺序的控制。（2）传输过程中的流量控制、差错检测、对物理层的原始数据进行数据封装等。（3）实时通信的传输控制。（4）网络状态机。

为了区分实时控制系统中的从站设备，需要给每一个从站设备分配一个号码，号码范围：1～239。对于控制中心的设备号码确定为 240。这样控制中心就具备协调各个从站，合理分配总线使用权，避免冲突，实现实时通信的作用。

对以太网进行改进之后，使其具有两种通信机制：基于请求/应答模式和基于定时主动上报模式（PRC 模式）。

基于请求/应答模式主站（MN）轮询所有从站（CN）。首先主站发送 Preq 数据帧（PReqCN1）给 1 号从站，该数据帧是单播的，只有 1 号节点接收，其他节点不接收。在该数据帧中包了主站（MN）要发送给 1 号从站的数据。当 1 号节点收到来自主站的 Preq 数据帧，就会上报一个 Pres 数据帧（PresCN1），该数据帧是广播的，除了主站可以接收到以外，网络中其他任何一个从节点都能收到。主站（MN）与 1 号从节点（CN1）一来（Preq）、一往（Pres），就完成了一次信息交互；接下来主站（MN）与 2 号从节点（CN2）的信息交互，以此类推，将网络中所有的节点扫描一次，称为一个循环周期。假定循环周期为 200 μs，那么网络中的每个设备每 200 μs 就有一次收取/发送数据的机会，而且不会与其他设备造成冲突。

PRC 模式该模式取消 preq 数据帧，而是连续使用 pres，控制设备在和从站节点通信前，需要配置从站的参数，该参数表明各个从站设备的信息上报时间，位于循环周期的不同时刻，避免冲突。该模式下的性能于请求应答模式的基本相同，唯一不同点使该模式省去了 Tpres 的通信时间，因此通信效率提升至少 30%。

本文对于应用层借鉴 CANopen 标准，CANopen 是一个应用层协议。他为应用程序提供了一个统一的接口，使得不同的设备与应用程序之间有统一的访问方式。本研究参考其原理并将其移植到车载以太网的应用层部分。

将应用层协议分为三个个主要部分：PDO，SDO 和对象字典 OD。

（1）PDO：process data object 进程数据对象。用来传输实时数据，对于汽车中对实时性要求比较高的即时运动控制十分重要，例如，刹车制动控制等。
       责任编辑:pj

（2）SDO：Service data object 服务数据对象。主要用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的是用来配置 CANopen 网络上的设备。

（3）OD：ObjectDictionary，对象字典。Canopen 协议对于每一个设备参数都定义了一个编号来区分这些参数，这些编号便是索引（index），每个索引需要用一个 16 位的数字来表示。表 1 为对象字典结构。

2 系统测试

总线控制器设计成功之后，要对整个系统建立测试环境拓扑图，用来检测技术标准是否达到，建立的拓扑结构。

建立好测试所需连接之后，本研究对系统的传输速率以及同步误差进行了测试，测试方法利用抓包工具 Fiddler 软件。

经测试，系统复合设计要求，具体测试项目及指标。

3 结语

本文对于车载以太网总线通信进行了较深入的探索，在现有以太网总线技术的基础上，研发出汽车控制器，将其应用于车载通信网络。主要在软件方面针对实时控制系统以及对传输量与传输速率要求较高的辅助驾驶和车载娱乐系统进行了软件层面的研发，对传统以太网的 I2C 子层进行了升级，提出请求应答模式和 PRC 模式两种新的通信机制来提高控制实时性，并且将 CANopen 应用层协议进行适配移植，对汽车实时控制系统例如制动控制实现具体协议移植到链路层网络之上，使通讯速度达到 1 000 mbps，延迟时间控制在 1 μs 以内。