某乘用车网关通信设计及测试

岳意娥 范志容 苏芮琦

摘要：随着汽车电子技术的发展，车上的电子系统越来越多，需要共享并相互传递大量的信息，传统的布线已不能满足要求，汽车总线技术成了解决这些的关键技术。整车网络结构越来越复杂，为了保证整车网络的正常运行，网关作为“桥梁”产生并大量应用。本文介绍了网关的通信设计，包含路由模式，信号路由，路由策略等，并在某车上进行了应用，最终通过仿真、测试验证了该网关通信设计的正确性。

关键词：网关;路由

随着社会对汽车节能、环保、安全要求的日益严格以及人们对乘坐舒适性、驾驶便捷性要求的日益提升，电子化、信息化、网络化和智能化成为汽车产品先进性的重要体现。据统计，汽车上70%的创新来源于汽车电子技术的应用^[1]，现代汽车上传统的电器部件逐步变为电子化控制，车上的电子系统越来越多，在这些电子设备中，需要共享并相互传递大量的信息，按照传统的布线方式将导致车身限速庞大且复杂，安装空间紧缺，运行可靠性降低，故障维修难度增大，线速系统的成本高，因此汽车总线技术成为解决这些的关键技术。

为了满足不同的系统需求，整车往往采用多种总线形式，如CAN、LIN、MOST、Flexray等。各类总线的传输速率不同，应用场合也不同，如LIN总线传输速率通常小于20 Kh/s，主要用于电动车门锁，车窗和后视镜等设备;CAN总线传输速率通常小于1 MKh/s，主要用于车身控制、舒适系统;MOST总线传输速率高达500 Mh/s，主要用于多媒体设备、高速数据流传输的高性能网络;FlexRay总线传输速率高达20 Mb/s，主要用于车辆底盘控制系统。

由于汽车电子的大量运用，车辆上的控制器越来越多，交互信息的增加，网络结构也从单一网段逐步发展到复杂网段的形式;同时多总线形式的应用，均导致了车载网关的产生。网关作为整车网络的桥梁，是整车网络的核心。本文介绍了网关的通信设计，包含路由模式，信号路由，路由策略等，并在某乘用车上进行了应用，最终测试验证了该网关通信设计的正确性。

1 网关的通信设计方法

网关将报文分组从一个网段路由到另一网段的设备，是网络互连设备的一种。对于采用多种总线形式的整车，网关还必须具备有从一个网络协议到另一个协议转换信息的能力。网关的每个网段接口均必须满足该网段的所有网络标准要求，包含通信，网络管理，诊断等。

网关的通信设计包含网段接口、路由模式、发送方式、变更标识符、路由策略、路由时间等，下面一一进行阐述。

1.1网段接口

网关所具有的网段接口个数，网络接口的总线类型根据具体的车型的网络拓扑决定。如图1拓扑示意图中的网关，具有4个网段接口，其中3个CAN接口，1个LIN接口。

1.2路由模式

路由模式有报文路由和信号路由两种。

1.2.1报文路由

报文路由，如图2所示，是指网关从源网段接收到需要路由的报文后，直接将其转发到月标网段，而不作任何更改。报文路由方式存在两种情况：一种是采用相同的协议，相同的格式（如相同的ID，数据等），另一种采用不同的协议或者传输速率。

报文路由模式一般在网关的底层程序就可以实现，无需上层应用程序支持，因此可大幅降低网关的处理时间。对于实时性要求较高的信号，或者整帧报文均需要转发，一般采用报文路由模式。

1.2.2信号路由

信号路由是指网关可以根据需要提取不同报文的信号，重组成一个新的报文并转发到目标网段，而且网关能够更改新报文的发送方式和发送周期。

信号路由模式可以提高報文数据场的利用率，降低目标网段的网络负载，但会增加网关的处理时间。对于实时性要求不高的信号，或者两个系统接口问均无法更改的时候，一般采用信号路由模式。

信号路由存在以下几种情况：

1）重新封装（Repackage）：一帧中的信号转发到另一个网段的一个或者多个帧中，数据只是重新封装，没有调整，如图3所示：

2）组装（Assemhle）：来自一个网段上的两帧或多帧的信号（这些帧可能来自不同的控制器），重新组合成一帧发送到另一个网段。数据没有调整，但是排列进行了调整。如图4所示。

3）组装&重新封装（Assemhle&Repackage;）：组装和重新封装的结合，信号来自一个网段上不同帧，封装到两个或者更多帧中，并发送到另一个网段，如图5所示：

4）其它信号路由方式：网关修改传输的数据（精度、范围等），如图6所示。或者利用现有的数据合成新的数据，如接收轮速信号计算平均轮速。这种方式应用较少，当两个系统之间的接口不能改变时采用。

1.3发送方式

1.3.1报文路由发送方式

报文路由的发送方式是事件传输。该传输模型允许网关从源网络接收传人的消息，并以最小的延迟传输到另一个网段，在该网络上的传输也是周期性的。

1.3.2信号路由发送方式

1）周期发送

该传输模型允许网关定期从源网络接收传人的消息，并重新封装到另一网段上规定的周期报文。这种发送方式存在的风险就是，如果目标报文在源报文到来前刚刚发出，那么该源信号的传输就会存在延时（目标报文的周期）。

如果源信号是周期发送，信号路由方式采用周期发送。

2）事件发送

该传输模型允许网关接收源网段的事件报文，并立即转发到另一个网段上。该种发送方式需要设定一个转发报文的最小时间间隔。如果很小时间段内连续发生事件，转发的报文必须延时或者推迟最小时间间隔再发送。

如果所有的源信号均是事件型，则信号路由采用事件发送。

3）周期事件

周期事件是周期发送和事件发送的结合，当没有事件发生时，网关周期接收源报文，并重新封装到另一网段规定的周期报文中。当事件发生时，该发送模式可以使得对事件进行快速响应。

如果源信号既有周期发送、也有事件发送，或者源信号的周期小于目标报文的周期，则采用周期事件发送。

1.4变更标识符

在网关转发报文过程中，如果被转发的报文ID与目标网段的报文发生标识符冲突，则需要变更标识符。不同网段分配不同的标识符可以避免此类事情发生。

另外，不同协议之间也需要进行ID的变更。

1.5路由时间

路由时间指网关接收到路由对象到转发到目标网段的时间，用于约束网关的开发。

2 某整车网关的通信设计

某整车网络控制器数量多，发动机管理系统、变速箱控制器、车身控制器、仪表等;且信息交互量数据大，因此该乘用车采用双网段的总线结构，网段之间使用一个网关来实现两个子系统的信息交互，主要包括：发动机转速，发动机冷却液温度，车速等。整车网络拓扑示意图如图7所示。

整车网络有两个CAN网段，均采用ISO11898协议，通信速率均采用500kbit/s。因此该车载网关只需要进行信号的转发，无需实现协议的匹配。

2.1网段接口

该车型的网关具有2路CAN接几。

2.2路由设计

经统计，某乘用车上需要网关转发的信号共有63个。根据各控制器对于信号的需求，对需要网关转发信号的路由模式进行设计，最终将设计结果形成路由表，如表1所示。表2是某乘用车的部分信号路由表。

部分设计举例如下：

1）车速信号是一键启动系统下电的关键信号之一，因此采用报文路由的形式。

2）所有给仪表的报警信号，来自很多不同的控制器，每个信号长度短，如果均采用报文路由的形式，将较大地增加整车网络负载;同时这类信号的实时性要求不高，因此采用信号路由的形式。

3）因为该车型只有两个网段，所以主要采取的是组装形式的信号路由方式。

2.3路由策略

采用信号路由方式的信号，网络正常时，网关转发的信号均是来白源节点的真实值。但是当网络异常时，会带来新的问题。

如表2中所示的信号，EMS_EngCoolantTemp来白EMS的0x306报文，ESC_ESCAlarmSig来白ESC的0x328报文，网关在另一网段将这两个信号重新组装放在了同一个报文0x315中。当ESC通信正常、EMS通信丢失时，网关接收不到0x306报文时，而网关在目标网段报文仍会发出0x315报文。此时网关转发的EMS_EngCoolantTemp的值并不是当前的真实值。但是接收0x315报文的节点并不知道此时状态，用这个值进行处理也许会带来新的问题。

由于接收节点对于信号丢失的处理方式不同（采用无效值，初始值或替代值等），故无法由网关直接采用某一种值进行处理。因此在该车型中首次提出了节点监测功能，并通过一个信号将节点的当前通信状态反馈出来，该信号的定义如表3所示。当EMS通信丢失时，网关将LostToEMS置为1，接收方同时接收这个信号，在进行处理时结合这个信号进行判断以解决因信号路由带来的问题。

3 某整车网关的通信设计仿真

CANoe是德国Vector公司开发的分布式系统设计、仿真、测试、评估的强大工具，它能支持总线开发的整个过程，是本测试系统的核心。该工具提供了整个开发流程各阶段的专业功能，包括通信协议数据库的创建和修改、建模、仿真、功能測试、诊断和分析^[2]。利用CANoe对网关通信设计结果进行仿真，对网关通信设计进行验证。

3.1仿真系统的构建

利用CANne，根据整车通信网络信号矩阵，编制相应的数据库，以便用于测试。

在CANne环境下，添加数据库，将网络上的节点自动生成，如图8所示。

3.2仿真方法

利用CAPL编程，当其他节点发送报文/信号时，网关接收，按照没计进行处理后发出。观察结果判断网关通信设计的正确性。

例如，O0x210报文采用报文路由的形式从P-CAN转发到B-CANt。编制如下程序，运行后观察网关是否正确转发报文。当收到来自CAN2（ P-CAN）的0x210报文，是否转发到CAN1（ B-CAN）上。

on message CAN2.0x210

{message CAN1.0x210 msg;

if（this.dir！= rx） return;

msg= this;

output（msg）;}

3.3 仿真结果

利用CANne中CAPL编程，实现网关信号路由功能，验证了网关路由的正确性。

4 某整车网关的通信测试

在系统开发过程中，需要对网关通信进行测试，验证网关通信设计以及实现的正确性。

根据网关的通信设计，网关通信测试包含以下内容：

1）路由模式的测试：测试报文路由和信号路由是否按照要求进行;

2）信号路由正确性测试：信号值是否按照要求正确转发;

3）信号路由时间测试：信号路由时间是否满足设计要求;

4）路由策略测试：网关是否按照要求进行处理，包含节点监测机制。

4.1 测试类型

测试共包含单元测试、台架测试、实车测试。

单元测试：整个测试环境主要由网关、稳压电源和CANoe软硬件模块等几部分组成，除了网关，其他的节点均是FHCANoe工具虚拟而成。需要转发的报文/信号均采用模拟。

台架测试：通过搭建整车网络台架，将网络节点的实际样件均接人，对网关进行测试。实车测试：装配好的实车上，对网关进行测试。

4.2测试方法

台架测试和实车测试网关转发的是来自其他节点的真实值。单元测试中则需要通过节点配置，增加一个交互式的节点，将需要路由的报文添加到节点中，模拟信号路由，并为信号设置触发方式，模拟信号变化。

1）路由模式

运行后通过Trace窗口观察网关的转发情况，是否满足路由模式的设计。

2）路由正确性测试

利用Craphic工具，将源信号和目标信号调出，观察网关路由的正确性。

3）信号路由时间测试

测试方法同信号路由正确性测试，在Craphic界面，将源信号和目标信号调出，利用工具测量信号间的延时。

4）路由策略测试

模拟节点通信丢失，观察网关是否按照设计的路由策略实现。

4.3测试结果

对网关的通信进行了测试，以下列出部分单元测试结果。

信号值正确性：模拟“空调的环境温度信号”发送，利用Craphlc，观察所得目标信号值跟随源信号值变化，满足设计要求。

利用Craphic中测量工具进行测试，测得的结果是△t=8.7ms（ <10ms），满足设计要求。

5 结论

随着汽车电子的大量运用，车载网络的复杂化，网关在汽车上应用越来越多。网关作为整车网络的桥梁，是整车网络的核心。本文介绍了网关的通信设计，包含路南模式，信号路由等，在某乘用车上进行了应用，并首次提出节点监测机制，最终通过仿真以及测试验证了该网关通信设计的正确性。该车辆已量产，从目前的实际情况也验证了网关通信设计的正确性，

参考文献：

[1]陈光前，汽车电子技术的发展及应用，湖北汽车工业学院学报，2010年6月，第24卷第2期

[2]神红玉、宋锦刚、宋锦明，基于CANoe的高性能网关测试系统的构建，工业控制计算机，2010年，第23卷第8期