OSEK网络管理在商用车CAN网络中的应用

李 芳，宋 伟，陈燕梅

（南京依维柯汽车有限公司产品工程部，江苏 南京 210028）

1 OSEK网络管理概述

OSEK（德文：OffeneSystemeand deren Schnittstellen fur die Elektronik im Kraftfahr-zeug）体系是1993年德国汽车工业界提出的，其含义是汽车电子开放式系统及其接口。这个体系的最早倡导者有：宝马、博世、戴姆勒克莱斯勒、欧宝、西门子、大众和卡尔鲁斯厄大学的工业信息技术研究所。法国的汽车制造商标致和雷诺于1994年加入了OSEK体系，并将法国汽车工业使用的汽车分布式运行系统 （Vehicle Distributed Ex-ecutivr，VDX）也纳入这一体系。

在1995年召开的研讨会上，众多汽车厂商对OSEK和VDX的认识达成了共识，产生了OSEK／VDX规范，OSEK网络管理 （OSEK Net Management，OSEK NM） 只是OSEK／VDX规范中的一部分［1］， 以下是基于南京依维柯车型对OSEK管理进行阐述。

2 南京依维柯PD2014车型的OSEK网络管理实现机制

PD2014 CAN网络管理有两种实现机制，即直接网络管理和间接网络管理，节点清单见表1，网络拓扑图如图1所示。其中ECU根据其电源情况可分为两种类型，包括点火钥匙控制型 （+15电节点）和常电型 （+30电节点）。

+15节点是指在点火钥匙处于非OFF档时ECU获得电源，OFF档时ECU失去电源。+15节点的网络管理采用间接网络管理策略。

表1 节点清单

+30节点是指ECU电源不受点火钥匙控制，点火钥匙处于OFF档时进入睡眠状态。+30节点网络管理采用直接网络管理策略。

2.1 间接网络管理

+15节点采用间接网络管理策略，在PD2014车型上采用间接网络管理的节点为：EDC，TCU，IMMO，行驶记录仪，安全气囊模块，ESP。

2.1.1 网络启动

在网络管理中+15节点具有3种状态：网络非激活状态 （Network inactive）、网络启动状态 （Network startup）、 网络激活状态 （Network active）。 3种状态之间的转换见图2。

网络非激活状态向网络激活状态的转换由IGN OFF到IGN ON的改变引起的。一旦进入网络启动状态，节点须开启从CAN总线上接收报文的功能；一旦进入网络激活状态，节点须立刻开始传输指定的周期性应用报文。

2.1.2 网络非激活状态

网络激活状态向网络非激活状态的转换由IGN ON到IGN OFF的改变引起。在网络非激活状态下，节点不允许传输应用报文。网络激活状态到网络非激活状态的转换时间 （tShutdownIGN）见表2。

表2 间接网络管理定时参数

2.2 直接网络管理

直接网络管理是一种自组织形式的网络管理，网络节点中没有主从之分，每个节点都被网络中其他节点监控，同时该节点也监控网络中的其他节点，在PD2014车型上采用直接网络管理的节点为：仪表和BCM。

2.2.1 逻辑环

在直接网络管理中，网段中节点通过节点地址的先后顺序依次发送网络管理报文，这种发送顺序在逻辑上形成一种结构，称之为逻辑环。逻辑环中每一个节点都具备一个前任者和后继者。每个节点的前任者和后继者是通过节点地址的数值确定的。逻辑环中，节点地址大小的关系是：前任节点＜本地节点＜后继节点。每个节点接收到的来自前任者指向自己的环报文，之后向自己的后继者发送出自己的环报文。地址最大的节点的后继者是地址最小的节点。这样，有规律地向各自的逻辑后继者发送同步环报文，以此来监控已建立的环，实现了直接网络管理功能，如图3所示。PD2014车型的逻辑环如图4所示，仪表的地址为0x17，BCM的地址为0x21，仪表是BCM的前任者，BCM是仪表的后继者。

2.2.2 网络管理报文类型

1）Ring报文 在稳定的逻辑环形成后，环中的每个节点在接收到其前任的Ring报文后，向后继者发送自己的Ring报文。

2）Alive报文 网络中的节点初始化完成后，发送Alive报文，用于表明有新的节点加入到网络的逻辑环中。

3）LimpHome报文 当接收／发送错误计数器超过其阈值或总线出现严重错误时，节点进入NMLimpHome状态，并周期发送LimpHome报文。

2.2.3 网络管理报文格式

节点的网络管理报文将和PGN、数据长度一起发送。网络管理报文的类型都可以通过标志位来识别，此标志位是网络管理CAN数据帧数据场的一部分。表3定义了网络管理报文的基本参数。表4定义了网络管理CAN数据帧的数据场的格式。

表3 网络管理报文基本参数

以PD2014车型仪表为例，其网络管理报文格式见表5。

表5 仪表报文格式

2.2.4 直接网络管理定时参数 （表6）

表6 直接网络管理定时参数

2.2.5 直接网络管理策略

网络管理策略规定了节点网络管理报文的时序流程，其目的是建立和维护节点之间的联系。网络管理策略只是提供网络的状态信息，而不同状态的控制方法由应用程序负责。网络中各个节点状态见表7，状态之间的转换关系见图5。

1）睡眠状态 当睡眠条件满足时，节点需要进入睡眠状态。通过对Ring报文中的：“Sleep indication=1”和 “Sleep acknowledge=1”来切换到睡眠状态。

睡眠协商通过以下步骤完成 （图6）：①睡眠条件满足后，下一个要发送的Ring报文中的位Sleepindication置1；②当Ring报文在逻辑环中传递一周，并且所有接收Ring报文中的位Sleep indication都被置1，那么最先发出Sleep indication=1 Ring报文的节点发送Ring报文，并将位Sleep acknowledge置1；③所有接收到Sleep acknowledge=1的Ring报文的节点停止发送任何应用报文，所有节点进入到睡眠状态， 启动定时器TWaitBusSleep， 在TWaitBusSleep期间， 没有网络启动条件发生，当TWaitBusSleep后总线进入非激活状态。

表7 节点状态

2）网络启动 每个节点的启动顺序都一样，见图7。

图7表示了节点A发生了本地唤醒之后的网络启动顺序。

①在tNwStartupLocal，A时间，节点A能够接收数据。为了唤醒网络上的其它节点，节点A发送激活报文。此唤醒报文开始了节点B和节点C的初始化。只要节点A没有接收到其它节点的CAN协议应答，节点A的CAN控制器将重复发送激活报文 （总线负载为100%），直到被别的节点应答。

②在节点A第一次发送激活报文之后的tNwStartupRemote，B时间，节点B能接收应用报文。节点B接收激活报文，同时CAN控制器进行应答。节点A的CAN控制器停止重复发送激活报文。

③节点C比节点B的启动过程要慢。它没有接收到节点A的激活报文，在节点A第一次发送的激活报文之后的tNwStartupRemote，C时间，节点C也可以接收应用报文。

④节点B在tNwStartupRemote，B时间， 节点C在tNwStartupRemote，C时间分别发送各自的激活报文，但是这些报文不影响网络的启动行为。

⑤tNwActive，A时间之后，节点A从网络启动状态转移到网络激活状态。这是节点A最早可以发送应用报文的时间，因为至少在此时，所有的节点能够接收应用报文。此时，节点A允许发送包含导致网络唤醒的信号信息的应用报文。

3）激活状态 在激活状态下，节点主要在“逻辑环”中进行Ring报文的接收和发送。

4）跛行状态 跛行状态表明网络通信存在故障。进入跛行状态的前提条件：NM报文发送失败；在TMax时间内没有收到有效的Ring报文。

当以上情况的发生使得网络管理计数器NMRxcount、NMTxcount的数值超过各自的阈值NNm-RxLimit、NNmTxLimit时，节点进入跛行状态。跛行状态下，节点以Terror周期地发送LimpHome报文，使得网络上的所有节点仍然能够监听到它。接收到LimpHome报文的节点应更新自身网络的LimpHome配置。当总线进入睡眠或接收到任意一条NM报文后，LimpHome状态结束。

3 PD2014车型CAN网络管理测试［3］

PD2014网络管理测试主要包括：3轮台架测试，2轮labcar集成测试，2轮在车测试，1轮EMC测试，4轮道路试验。

每轮测试包括间接网络管理测试和直接网络管理测试。间接网络管理测试包括网络启动性能测试、网络停止性能测试。直接网络管理测试包括正常网络管理通信测试、网络唤醒和睡眠测试、电源电压情况测试、网络启动测试、网络关闭测试、跛行状态下节点收发能力测试、网络管理配置测试。下面以直接网络管理中的睡眠测试为例，介绍网络管理台架测试的方法。

1）测试设备 笔记本电脑PC，CANcardXL（包含CANcab），插接件若干 （DB9转接头、OBD-DB9转接头等），120Ω终端电阻 （2个），可调电源。

2）测试环境 ①如果待测节点未集成终端电阻，则电路需要连接 图8中 “1” 和“2”终端网络；②如果待测节点集成了120 Ω的终端电阻，则电路只需要连接图8中 “1” 终端网络。

3）测试步骤 ①CANoe建立3个具备网络管理功能的虚拟节点；②启动CANoe，使虚拟节点在线；③本地事件触发DUT通信；④CANoe监测总线报文，查看DUT是否和虚拟节点建立稳定逻辑环；⑤满足DUT睡眠条件；⑥等待2000ms；⑦CANoe监测总线上的报文，查看DUT是否发送网络管理报文将 “SleepIndication” 位置 “1”。

4）评价指标 DUT发送SI置1的Ring报文。

4 结论

本文介绍了OSEK网络管理原理，并对南京依维柯PD2014车型网络管理实现机制进行了阐述。对深入理解OSEK网络管理和将OSEK网管应用到具体的工程项目中，以及研究或开发特定要求的总线OSEK网络系统具有指导意义。

［1］熊毅.基于OSEK规范的网络管理的研究与改进［J］.计算机应用研究，2007，24（9）：217-220.

［2］张利.OSEK网络管理在汽车CAN系统中的研究与实现［J］.电子测量与仪器学报， 2011， 25 （6）： 522-527.

［3］程安宇.OSEK／VDX直接网络管理一致性测试方法设计［J］. 计算机技术与应用， 2012， 38 （4）： 133-136.