车载CAN网络数据库路层、传输层软件之设计与实现

第一章 绪论

1.1 课题背景
汽车凝结了人类的智慧与创新，方便人类生活的同时极大促进人类社会发展。经过近百年发展，汽车产业已在国民经济中占重要地位。据最新数据统计，全球各种在用车的总保有量已经超过 10 亿辆，在美国、德国、日本和韩国等汽车工业发达国家汽车产业已经成为国民经济的支柱产业。上世纪 70 年代以后电子技术领域迎来了突破性创新：集成电路、微波系统、高性能处理器、数字信号处理方式的运用等等。汽车性能的提高更多依赖于电子技术。如今汽车产业已经进入了一个新时代，汽车不仅作为出行代步的角色，而是多种功能的载体。越来越多复杂功能被应用到汽车中，使得汽车电子发展越来越智能化。消费者希望更多新兴设备和新潮应用加入到汽车中，一些非功能性需求比如系统诊断能力、可移植性等日益突出。这些需求也逐步深入到整车开发过程中，安全、智能、环保成为未来汽车技术的发展趋势。据调查，现代汽车已经基本淘汰了机械式或机电混合式燃油喷射系统，通常根据传感器测得的空气流量、含氧量等参数由微控制器中软件进行计算，获得最佳空燃比，使燃料充分燃烧，降低污染。轿车特别是豪华车可能有超过 2500 多个软件应用，70 多个 ECU 和多种类型汽车电子网络，汽车中大约 90%的创新来自汽车电子电气和软件，电子电气设计和软件开发占到汽车开发成本的 50%至 70%[1]。汽车电子化是现代汽车成熟的重要标志，同时高度的汽车电子信息化为传统汽车产业带来显著的问题：首先，自 20 世纪 90 年代以来各大汽车厂商在整车系统设计过程中希望通过标准化模块开发减少整车设计投入，并且在技术革新大潮中，缩短开发周期，争取市场份额。然而与之配套的功能软件严重依赖于系统平台，而且软件功能相对简单，整车厂商没有意识到软件标准化的重要性。新产品设计中任意微小改动可能导致软件的重新编写。随着汽车开发周期不断缩短，汽车电子领域应用的增多，功能日益复杂，软件开发难度越来越大，各大厂商试图通过提高软件兼容性和可重用性，增加测试粒度来解决上述冲突。
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1.2 汽车电子产业概况

1.2.1 国内汽车电子领域现状
进入新世纪以来，中国汽车行业进入快速增长阶段。随着人民生活水平提高，轿车需求旺盛，在 2009 年我国取代美国成为世界最大的汽车销售市场，同年中国汽车产量超过日本和美国总和。2010 年随着自主品牌技术提升，市场需求进一步优化，当年汽车产销分别为 1826 万辆和 1806 万辆。2011 和 2012 年汽车产销量增速放缓，产业趋于理性，整体功能依然很大。伴随着汽车产业的快速发展，2011年国内汽车电子市场规模达到 2661 亿元，增速依然保持在 20%以上。同时，中国汽车电子产业面临良好的政策环境，国家和各地方均出台相关文件，扶持和鼓励汽车电子行业。国内汽车产业发展前景广大，但是本土总体技术水平低。国内较大的汽车厂商均与外资合作，本土汽车电子产业缺少大企业参与和扶持。不同于桌面系统，汽车电子产业涉及安全控制领域入门比较高，研发费用更是让国内中小企业望而却步，博世、德尔福每年都有几十亿欧元的投入。多方面的因素导致高端汽车电子技术被国际公司垄断，因此加快转变发展模式，实现产业转型升级与技术突破迫在眉睫。为了加快汽车电子国产化，降低汽车 E/E 系统的研发成本，2011 年一汽、上汽、长安、奇瑞、普华软件等 20 家单位组成“中国汽车电子基础软件自主研发与产业化联盟”，通过自主研发汽车电子基础软件，提高国产自主产品在国际市场的影响力，打破国外企业垄断。
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第二章 技术基础

2.1 汽车网络硬件架构
汽车电子以汽车技术、电子技术和计算机技术为基础。一个完整汽车 E/E 系统包含传感器、输入设备、ECU 控制单元、传动器、播放语音设备等，主要涉及控制技术、网络技术和机电一体化等技术[7] (见图 2-1)。在汽车工业中，汽车电子系统可以分为 5 个方向：娱乐系统、车身电子、底盘和驾驶辅助系统、动力系统和主动安全系统。从系统级观点出发，汽车电子网络对应的也分为五个部分，各个系统间内部通信通过网关实现。从网络级观点出发，汽车电子系统中有多种网络，每种网络中均包含了多个ECU、传感器等设备。每种网络的传输速率、拓扑结构（环形、总线型、星型）各有差异。在各系统中部署总线时要考虑数据传输的速度与可靠性等。比如娱乐系统要求传输速度快，相比主动安全系统可靠性和实时响应方面需求就要差一些。在 ECU 级每个 ECU 包含了多个控制器，比如 CAN、LIN、FLEXRAY 控制器等等，这些控制器与外部收发器可以参与多种网络传输。表 2-1 显示了宝马某款豪华车的总线类型。
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2.2 车载 CAN 总线概述
CAN 协议是一种支持分布式实时控制的多主结点串行数据通信协议[8]。发动机控制、传感器、防滑系统等等均可以通过 CAN 总线连接，同时也可以用在车身电子领域，采用总线取代传统的线束，比如前后车灯簇、电子升降门窗等等。CAN 协议只定义了 OSI 模型的物理层和数据链路层。它采用双线差分信号，隐性为“0”，显性为“1”，协议本身对结点数量没有限制，总线上的节点可以动态改变。CAN 分为低速 CAN 和高速 CAN，波特率分别在 10KB/S~125KB/S 和125KB/S~1MB/S 之间。CAN 系统任意两个结点之间的最大传输距离与其波特率相关，波特率越低，传输距离越远。总线访问采用基于优先权的多主方式，数据信息中不包含源或者目的物理地址，每个报文内容通过标识符识别，并且决定优先级[9]。总线上数据采用 NRZ 和位填充的位编码方式，采用非破坏性仲裁的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的方式访问总线。当仲裁失败或者传输期间因故障停止发送的帧可以自动重发。CAN 有两类消息帧，按照标识符长度分为标准帧(11 位)和扩展帧(29位)，如图 2-2 所示。帧起始(SOF)为一个显性位，标识额数据帧开始，用于同步。只有在总线空闲期间结点才能发送 SOF。
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第三章 车载 CAN 网络分层研究.......17
3.1 车载 CAN 网络传输层分析...... 17
3.2 车载 CAN 网络数据链路层分析..... 27
3.3 AUTOSAR 基础软件中 PDU 流传输过程.... 29
3.4 系统属性要求 ....... 31
3.4.1 健壮性要求 ......... 31
3.4.2 可复用性要求 .... 31
3.4.3 可扩展性要求 .... 32
3.5 本章小结 ........ 32
第四章 车载 CAN 网络数据链路层软件.........33
4.1 CAN 驱动设计与实现......... 33
4.2 CAN 接口层设计与实现..... 38
4.3 总线错误处理机制 ...... 51
4.4 网络能耗控制 ....... 51
4.4.1 接口定义和关键数据结构 ..... 51
4.4.2 唤醒事件处理机制 .......... 52
4.5 本章小结 ........ 53
第五章 车载 CAN 网络传输协议层软件..........54
5.1 系统状态机与转换机制 ...... 54
5.2 N_PDU 发送服务 ......... 55
5.2.1 主要数据结构和接口定义 ...... 55
5.2.2 发送通道的状态与转换 .......... 58
5.3 N_PDU 接收服务 ......... 63
5.4 填充机制 ........ 67
5.5 N_SDU 和 N_PDU 之间的转换机制 ...... 68
5.5.1 普通地址格式 .... 68
5.5.2 扩展地址格式 .... 68
5.6 本章小结 ........ 69

第七章 系统测试

7.1 氧传感器检测诊断测试
氧传感器是电子控制燃油计量的重要传感器[34]。ECU 根据氧传感器的电动势差判断空燃比(A/F)，控制喷油持续时间。当 A/F 变高，在排气管中氧气的浓度增加，氧传感器输出低电压；反之，氧传感器输出高电压。如果氧传感器产生故障，ECU 无法获知排气管中的氧浓度，系统无法对 A/F 进行反馈调节，严重时导致发动机运转异常。本节设计氧传感器检测诊断系统，应用 CAN 通信栈通过硬件在环仿真平台模拟传感器信号输出，验证通信软件功能，各个测试用例前置条件如下：(1) 发送和接收双方均能提供足够缓存，传输过程中均未超时(2) 接收方不能提供足够缓存，发送方需等待，但未超时(3) 接收方不能提供足够缓存，发送方需等待，并且超时。图 7-1 是本文为进行通信栈测试搭建的故障诊断实验平台，PC 机运行上位机程序（CANoe）遵循 ISO15031 协议，能够处理多种诊断服务，向故障诊断单元（下位机，MC9S12XEP100 开发板）发送诊断请求，并且接收来自下位机的响应数据，通过将数据映射为可视化模型，了解模拟环境运行状态。图 7-2 为实验平台网络连接示意图，A 为硬件在环仿真平台，采用 MPC5634ECU，它与故障诊断单元的 I/0 相连，内部运行故障模拟程序，控制 DIO 和 PWM接口模拟氧传感器运行状态。DIO 驱动控制 ECU 引脚输出高低电平，模拟传感器输出高低电压；PWM 用来对模拟信号电平进行数字编码，生成一定占空比的周期的方波，在发动机控制中用于油量控制、进气量控制等等。在测试系统启动后，它周期性地向故障诊断单元发送模拟信号。
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结论

经过调研，笔者认识到目前汽车电子领域的主要问题是整车厂商软件开发相对封闭、软件架构更是差异很大，平台耦合度高，可移植性差，对工程师的要求严格。针对上述问题，本文参照 AUTOSAR 标准，对车载通信软件进行了研究与分析，主要工作包括：
(1) 分析 AUTOSAR 标准通信机制，介绍了汽车软件开发方法论，按照分层与分模块的思想设计并实现了车载 CAN 网络数据链路层和传输层，提供了高度配置性通信栈软件。
(2) 本文结合 CAN 总线传输特性，根据计算机网络对于可靠传输的理论分析和实践经验，对 CAN 网络通信栈中各层可靠性传输进行分析，结合各层特点提出一系列方法保证车载网络节点通信质量。
(3) 由于 TTCN-3 具有强大的测试描述能力，文中分析 ETSI 推出的测试规范和测试实现标准，研究基于标准的符合性测试方法，创建基于 TTCN-3 语言的符合性测试系统，并且设计 TTCN-3 语言测试套，构建固定配置集，对文中开发代码测试分析。
文中参考 AUTOSAR 标准设计开发 CAN 通信基础软件，具有可复用性、可裁剪性等优点，并且设计了适用于 AUTOSAR 软件的符合性测试系统。采用该架构简化了软件与系统集成，支持跨汽车制造商的软件模块重复使用，从而降低整体的软件开发成本。鉴于国内整车企业对于 AUTOSAR 尚缺乏全面了解与深入研究，本文工作产品对国内汽车电子开发与 CAN 网络系统应用有一定的参考价值。
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参考文献（略）