CAN在ECU通訊中的作用是什么?

CAN在ECU通訊中的作用是什么?

電子學具有強大的創新潛能，它能使駕駛汽車更安全、更舒適、更經濟并且能使汽車對環境更友好；這種潛能已經讓汽車經歷了一場真正的電子化進程，這個電子化進程開始于20世紀70年代，并于80年代得到了加速發展。這尤其得益于電子設備的網絡化，而網絡化是獲取更多功能、從而得到更好性能的先決條件。在網絡化日益發展的同時，為了減少布置線纜的工作，并且降低線纜的成本、重量和所占的空間，汽車制造商們很早就決定使用串行總線進行數據傳輸了。除了串行總線系統CAN，LIN和MOST（面向媒體的系統傳輸）總線也在短期內確定了在車上的應用。2006年秋季，BMW將發布其新款X5汽車，該車將成為第一款使用FlexRay總線的量產車，而FlexRay是專門為時間攸關和安全攸關應用而設計的一種總線系統。

控制器局域網（CAN）于1992年就被定為了國際標準。毫無疑問，CAN是目前應用最為廣泛的串行總線系統，它甚至可以在一輛車上被多次使用：一個最高傳輸速率為125kbps的低速CAN總線系統（容錯CAN），用于連接舒適系統的ECU；一個最高傳輸速率可達1Mbps的高速CAN總線系統（高速CAN），用于連接動力系統和底盤系統的ECU。CAN提供了極高的傳輸安全性。這得益于差分信號傳輸和5種錯誤檢測機制（比如位監視，形式檢查，循環冗余碼檢查），這些功能是由CAN控制器實現的。

LIN（本地局域互連網）用于傳感器/執行器領域進行低成本和便捷的數據傳輸。LIN的數據傳輸速率最高只有20kbps，但這足以滿足非關鍵性傳感器和執行器信號的傳輸了。

對實時攸關應用來說，需要總線系統在不依賴總線負載的條件下保證硬（強）實時性。實時攸關系統通常也是安全攸關系統。FlexRay為此提供了解決方案：它具有最高20Mbps的傳輸速率，并且基于一種可靠的等距數據傳輸，能夠保證確定的時間關系。雙通信通道使得總線能夠傳輸冗余數據。如果一個通道的數據受到了干擾，那么仍然可以利用第二個通道的數據。

圖2：現代汽車使用串行總線系統進行連網

信息設備（如導航、無線電和電話等）既要傳送控制信號也要傳送視頻和音頻信號，因而需要一種相對更寬的帶寬。這樣，MOST就用在了車內多媒體設備的連網。MOST使得相對較高的帶寬成為可能：它具有48kHz的采樣速率，用于傳輸位流的帶寬接近23Mbps，而用于控制信號傳輸的帶寬達到768kbps。Vector為汽車制造商和供應商進行CAN、LIN、FlexRay和MOST網絡開發提供了強大的工具鏈和軟件組件。CANoe用戶能在多方面受益，例如，從實際功能的模型創建、仿真、功能測試、診斷到分析的整個開發過程。 CANoe提供了以下可選模塊和協議，而且可以按照要求對其進行組合：CAN，LIN，FlexRay，MOST，CANopen，SAE J1939，SAE J1587，NMEA2000和ISO11783。Vector為汽車ECU的開發、標定和診斷等各個階段提供了完整而廣泛的工具支持。針對電控系統的開發流程，除了咨詢服務，Vector還提供了相應的工具環境。

CAN的未來

在汽車上，電子設備正在承擔著大量不同的任務。為了結合不同的系統，建立了多種總線系統。CAN具有很高的數據安全性和相對低廉的成本，因此它注定要用在動力和舒適領域。由于更為低廉的成本及易于通信的架構，LIN適宜作為一種低層總線。當考慮快速、確定而安全的數據傳輸時，FlexRay成為最佳選擇。MOST是用于信息設備間的音頻/視頻數據交換的一種多媒體總線。將來，CAN會繼續用于動力系統、底盤和便利應用領域。今天，一些裝備優良的汽車已經安裝了超過70個不同的ECU。但是，并不是將任何新CAN節點都加到汽車上去，汽車OEM的運作趨勢是不斷將各種功能綁定到中央ECU上。FlexRay將會顯示其重要意義，因為使用它可以實現時間和安全攸關應用以及數據密集型應用。由于智能傳感器和執行器數目的增多，LIN也將在未來發揮更加重要的作用。

表1 串行總線系統CAN、LIN和FlexRay總結

不同廠家生產的各種各樣的操作系統、嵌入式軟件、微處理器和軟件組件極大地加重了分布式電子架構的集成工作。為此，許多著名的汽車生產商和供應商制定了一種“汽車開放系統架構”（AUTOSAR）。從開始以來，許多汽車OEM、大型供應商和專業工具提供者都加入了AUTOSAR并不同程度地參與到其活動中。

AUTOSAR的目標是為所有六個功能域（動力傳動系統，底盤，安全，信息通訊，人機接口和車身/便利系統）建立一個事實標準。為此目的而開發的軟件架構和硬件組件將是統一的，而（不同廠家的）競爭主要基于功能的不同實現（機制）。與互換性一起，產生了許多自由。例如，用于不同汽車和平臺的軟件具有簡單的可裁減性，在網絡中可對功能分配進行自由配置，和毫無障礙地組合不同廠商的模塊。硬件也是高度兼容的，并且具有成為“現貨供應”產品的特征。其它需要考慮的重要方面是，未來電子系統的安全需求、整個產品生命周期內的修繕和汽車生命周期內軟件的更新及升級能力。

在運行時環境下，AUTOSAR依靠應用程序與硬件的解耦和基礎軟件來使能特定庫函數。這是由指定接口及其通信機制而實現的。2006年5月，AUTOSAR發展合作組織將其在第一個發展階段的主要成果出版發行。AUTOSAR規范是該合作組織前三年工作的成果。2005年5月，制定并發布了31個基礎軟件（BSW）模塊的1.0規范。后續的實現階段和確認階段（Validator 1）證實了這些模塊的功能性和此概念。截止2006年5月，已經出版了46個BSW規范中的42個，RTE（運行時環境）也在此列。到此為止，已完成了99個文檔、格式和模型，其中已出版了94個。目前，規范正在經歷另外一個測試階段（Validator 2），該階段將于今年秋天完成。第一個完全版本（2.1版）計劃于2006年底發布，它也會包括方法規范[1]。

在AUTOSAR中集成CAN

CAN通信服務是用于汽車CAN網絡通信的一組模塊。它們提供了CAN網絡的統一接口，對應用程序隱藏協議和消息屬性。AUTOSAR COM和診斷通信管理器為應用程序提供統一的通信機制，兩者都獨立于總線技術。PDU路由器允許過程數據單元跨過一種總線直接進入到另一種總線。另外，在AUTOSAR COM內包含了一種基于信號的網關，用于將單個信號從一個通信系統發送到另一個通信系統。

圖3：AUTOSAR的目標――使用標準化架構和接口使復雜的電子/電控系統變得易于管理

網絡管理分為總線相關和總線無關兩部分。如果CAN被FlexRay取代，那么普通NM會保持不變。通過引入一種CAN接口，PDU路由器并不關心到底CAN控制器是嵌入式控制器的一部分還是其外部設備。當用LIN或FlexRay模塊代替CAN相關模塊時，CAN通信棧能夠轉換為LIN或FlexRay通信棧。

內存服務以NVRAM管理器的方式給出，它提供了一個應用程序訪問非易失數據的統一接口。內存服務從位置（地址）和特性上對內存進行了抽象，進而提供了非易失數據的管理機制，比如存儲、下載、校驗保護和驗證或可靠存儲。內存硬件抽象（在內存服務下面）來自對外圍內存設備（片上或板上）和ECU硬件的抽象。比如，EEPROM接口和Flash硬件應能使用相同的機制進行訪問。內存驅動程序由特定內存抽象/仿真模塊（如EEPROM抽象）進行訪問。通過模擬EEPROM接口和Flash硬件單元，允許由內存硬件抽象對兩類硬件進行普通訪問。在兩個例子中，CAN通信棧和內存棧呈現了高度的模塊化，這樣可以實現對模塊的優化和在十分不同的使用條件下對基礎軟件的重用[2]。

圖4：CAN通信棧的AUTOSAR架構

AUTOSAR的開發平臺

針對開發符合AUTOSAR標準的軟件所需要的所有設計步驟，Vector提供了一種解決方案：從結構化概念設計階段設計AUTOSAR軟件組件及其在ECU間的分配，到定義通信和ECU配置。除了網絡通信的基礎軟件組件和基于OSEK標準的操作系統，Vector還提供全部核心和一個運行時環境，這些都是基于AUTOSAR標準的，適用于非常多的不同種類的微處理器及其獨立設備。除了支持特定目標硬件平臺，CANoe網絡開發工具還支持作為一個PC實驗平臺。聯合Vector的Davinci工具套件，用戶將獲得一個能可靠地開發符合AUTOSAR標準的ECU的平臺。

holger.heit@vector-informatik.de

參考文獻
[1] Weber, T.: Vector Autosar Conference July 2006, "The Overvalue of Autosar for OEM purposes"
[2] 7th Euro forum conference "Software in the vehicle" May 2006, "Autosar - Current results and preparation for exploitation"