网关在汽车上的应用与研究.docVIP

PAGE  PAGE 8 网关在汽车上的应用与研究 　　摘要：CAN/LIN网络在汽车车身控制系统中得到了广泛应用，实现不同性质、不同速率之间的网络通信也成为必须要解决的问题。文章介绍了汽车上的几种典型的车载总线和网关结构，并且设计了基于CAN/LIN总线的网关系统，实现不同性质和传输速率系统之间的数据交换与共享。 　　关键词：汽车网络；CAN总线；LIN总线；网关 　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）26-0073-03 　　在汽车迅猛发展的时代，各种电子控制智能模块被广泛应用到整车控制上，不仅有效提高了汽车的动力性和通信稳定性，而且也提高了汽车的经济性和舒适性。但随之带来的是整车空间有限、线束布置复杂、整车运行可靠性低等问题。汽车中电子部件数量的不断增加，线束与配套接插件的数量也在成倍增加。据有关统计，在1955年平均一辆汽车所用线束的总长度为45米，而到了2002年，平均一辆汽车所用线束的总长度却达到了4千米。线束的增加不但占据了车内的有效空间、增加了装配和维修的难度、提高了整车成本，而且不利于整车可靠性的提升。 　　为解决以上问题，实现整车电子单元之间的信息快速交换，同时增强整车电子系统的可靠性与安全性。人们最早提出车载总线网络的概念，车载总线的种类很多，比较流行的是CAN总线网络。CAN（Controller Area Network）总线是德国BOSCH公司于20世纪80年代初开发的一种串行数据通信协议。目的在于解决汽车中各种电子控制单元间信息快速交换与信息共享。CAN总线具有高度的网络安全性、良好的实时性和通讯可靠性，而且CAN总线网络成本低、技术简单易用。 　　1 汽车网络的分类 　　表1 网络分类 　　迄今为止，已有多种网络标准。为方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会（SAE：Society of Automotive Engineer）将汽车网络根据速率划分为A、B、C、D、E五类，各类网络的特点见表1。 　　2 汽车上几种典型的网关应用 　　2.1 CAN总线型网关 　　CAN总线型网关是一种比较简单的网关，网络中只有一条公共总线的传输介质，将所有的网络节点直接连接在总线上，信息沿着总线介质在节点之间广播传送。总线上包含大量的不同的信息，以不同的周期和同一个速度传输，接入总线的节点根据自己的需要从总线上获取相关的信息需求，从而实现各个电子模块的信息交换与共享，实现对整车不同系统的控制。这类网络的结构如图1所示： 　　图1 总线型网关 　　2.2 环形网关 　　图2 环形网关结构 　　信号按节点编号顺序以“接力”方式传输，这个网络多存在汽车某个系统内部信息传递，而且多用于MOST、Byteflight类型的总线，此类总线传输速率高，MOST技术针对塑料光纤媒体而优化，采用环行拓扑结构，在器件层提供高度可靠性和可扩展性。它可以传送同步数据（音频信号、视频信号等流动型数据）、非同步数据（访问网络及访问数据库等的数据包）和控制数据（控制报文及控制整个网络的数据）。这种网关的结构如图2所示。 　　2.3 星型网关 　　典型的星型网关是由一个中心节点和无数个从节点构成，中心节点可直接与任一从节点进行通信，中心节点充当桥梁，连接两个从节点之间的通信。其中中心节点就是一个网关，对从节点之间进行信息的转换与转发。星型的网络结构如图3所示： 　　图3 星型网络结构 　　3 基于CAN/LIN总线的网关系统 　　3.1 网关结构设计 　　本论文主要任务是解决高速CAN、低速CAN以及LIN三类网络间的通信问题。即通过网关实现三种不同通信速率和不同通信协议之间的数据交换与共享，从而实现不同网络时间的数据通信。网关不仅要对网络数据进行储存与转换，而且要对不同的通信协议进行转换。本设计网关包含四个部分：与LIN网络连接的LIN节点，与低速CAN网络连接的CAN节点，与高速CAN网络连接的CAN节点，实现数据转发和协议转换的中控制器MCU。网关系统如图4所示： 　　图4 基于CAN/LIN的网关结构 　　主控制器对数据进行存储、处理和协议转换。即将各节点接收来的数据根据其传输的目的网络不同，分别储存到各自的缓冲区，并根据要传输目的，将数据按照指定的协议类型，转化为能在目的网络上识别和传送的数据格式。网关中的高速CAN节点、低速CAN节点和LIN节点，分别实现与各自网络数据与主控制器之间的数据交换，此数据交换是双向的，既包括从各自网络接收数据并储存到主控制器中，又包括了从主控制缓冲区读取数据并发送到各自网络。 　　3.2 网关硬件电路设计 　　车载网关的工作环境十分复杂，在芯片选型上需要考虑电磁干扰和数据处理能力等因素。本