CN106961437A - Can和以太网络的混合网络网关网管装置及其交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车身结合CAN和以太网的混合网络网关及其数据交换方法，包括：CAN报文收发模块，用于和车上的CAN总线上的设备进行通信；以太网报文收发模块，用于与以太网上的设备进行通信，包括上位机和新型的以太网车载设备；信号处理转换模块，用于解析、封装、转发CAN报文和以太网报文，并使其符合要求的协议，兼容了通用以太网；逻辑主控模块，用于确定报文分发方向，响应以太网诊断口发来的相关诊断等指令，控制板载外设获取数据信息。一个网关可以同时和多路CAN网络通信。用车载双绞线作为以太网通信总线，相比传统的RJ45具有成本低、抗干扰等优点。对于车载设备的刷新指令(如3E维持指令)进行特殊处理，使得车载CAN设备和本网关都能够通过以太网高效刷新。

Description

CAN和以太网络的混合网络网关网管装置及其交换方法

技术领域

本发明涉及通信协议领域，尤其涉及车载CAN总线协议，TCP/IP协议栈TCP、UDP通信。

背景技术

在现行车载网络中，较为通用的是CAN总线网络。但是速度较慢，理论通信速度仅为以太网通信速率的百分之一。随着物联网的兴起和辅助驾驶的兴起，车载传感器的数量显著增加。整车电控系统日趋复杂，整车上越来越多的电控系统采用ECU刷新的方式进行软件、标定等的更新，刷新总数据量增大；此外，随着人们对车辆舒适性，便利性及用户体验的要求越来越高，车载导航、娱乐等系统的应用数据量也正在变得愈来愈大，特别是当引入摄像头等图像采集设备进行图像分析处理时，对总线的速率要求较高。基于CAN网络的传统方式因受CAN总线传输速率的限制已经难以满足高效率刷新要求。

以太网的速率可以达到要求。但是将整个车载网络替换成以太网，需要完全替代掉原有的传感器设备。同时传统的以太网总线RJ45成本高、横截面大，不适合做车载总线。

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关及其数据交换方法。本发明通过建立CAN和Ethernet的混合网关的办法，实现CAN总线网络和Ethernet网络的融合，提出了协议转换的方法。同时提出了采用双绞线代替RJ45线作为以太网通信线路的方法，对于双绞线具有较高的稳定性和灵活性，因此在车载CAN网络中广泛使用。

发明内容

本发明提出了一种车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置，包括如下模块：CAN报文收发模块，其用于捕捉CAN报文、在CAN网络上发送报文和监听CAN总线状态；Ethernet报文收发模块，其用于接收和发送Ethernet报文，通过适配网络协议、实现协议栈，可直接接入包括WiFi、4G的通用以太网络；信息处理转换模块，其与所述CAN报文收发模块及所述Ethernet报文收发模块通信，用于处理所述CAN报文收发模块和所述Ethernet报文收发模块接收到的消息，同时可以使用所述CAN报文收发模块和所述Ethernet报文收发模块发送报文；逻辑主控模块，其与所述信息处理转换模块通信，用于维护网络状态，响应经过所述信息处理转换模块转换识别的指令，同时确定转发方向以及关系，识别刷新指令，实现车载设备和本网络可通过以太网络刷新，即在线升级应用程序。

本发明提出的所述车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置中，所述Ethernet报文收发模块采用BroadR-Reach双绞线，双端接口采用server和master的非对称设计。

本发明提出的所述车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置中，所述Ethernet报文收发模块移植实现了通用以太网协议栈，支持应用层的TCP、UDP、HTTP等多种连接协议。

本发明提出的所述车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置中，所述CAN报文收发模块网络实现了CAN报文收发的通信时序的封装；对数据的拆包和打包方面在整个协议的传输层进行。

本发明还提出了一种基于所述的混合网关网管装置的数据交换方法，包括如下步骤：

步骤一：挂载在所述CAN报文收发模块上的所有设备设置特殊标志，当收到Ethernet和CAN消息时，若对应设备的ID在消息的记录项中，则所述设备的特殊标志被转发到CAN网络上；

步骤二：所有非本机IP地址的Ethernet报文将会被转发到其余挂载在本Ethernet报文收发模块上的Ethernet网络上；

步骤三：所有目标地址是本网关的Ethernet报文将会被封装成CAN报文通过CAN报文收发模块发送到对应CAN网络上。

本发明利用CAN和Ethernet混合网关等方法，在原有车载网络基础上集成更快速度的传感网络，其有益效果是，可以传输更高精度的数据，实现更复杂的逻辑，且不影响原来的功能，同时兼容了目前常见的以太网络和旧的CAN设备。

附图说明

图1是本发明车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关的示意图。

图2是本发明使用和拓展接线示意图。

图3是在原有车载网络中接入示意图

图4是实施例1拓扑结构示意图。

图5是实施例2拓扑结构示意图。

图6是实施例3拓扑结构示意图。

图7是实施例4拓扑结构示意图。

图8是实施例5拓扑结构示意图。

图9是实施例6拓扑结构示意图。

图10是在网关和上位机端都接入了额外的无线收发装置的拓扑结构示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明通过转发CAN报文到Ethernet网络上和将Ethernet报文转发到CAN网络上实现了CAN和Ethernet网络的融合。同时可以将多路CAN网络和多路Ethernet网络连接到一起。从而满足对于新一代汽车以太网总线在诊断应用、以太网刷新车载控制单元应用、大数据传输验证等方面的网关控制器验证。

本发明公开了一种车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关及其数据交换方法，包括：CAN报文收发模块，用于和车上的CAN总线上的设备进行通信；Ethernet报文收发模块，用于与以太网上的设备进行通信，包括上位机和新型的Ethernet车载设备；信号处理转换模块，用于解析、封装、转发CAN报文和Ethernet报文，并使其符合要求的协议；逻辑主控模块，用于确定报文分发方向，响应Ethernet诊断口发来的相关诊断指令，控制板载外设获取数据信息。现在的大多数网关的做法都是在应用层进行报文解析和转发，本发明涉及的CAN报文和以太网报文的转换机制主要工作在传输层，因此不需要理解数据的具体语义。由于车载设备的对安全性的要求较高，这种做法可以使得转发过程中不查看、修改数据内容，从而不影响CAN报文的中的加密、解密算法。使得车载网络中各个设备可以设计使用不同的加密、解密算法而不受影响。由于转发协议栈实现中少了一层处理时间，使得本发明报文转发传输时延小、丢包率低，可以建立较稳定、实时的链接。基于此实现的CAN网络和以太网的融合，使得CAN网络和以太网网络内设备可以流畅通信。

本发明设计的CAN报文和以太网报文的转换，是在传输层进行拆包分析再装包的。对于数据的理解只到报文层面，免去了引入上层逻辑协议的数据语义理解。节省设备运算能力，提供转换效率。专注转发，减少丢包率和转发时延。本发明在以太网上设备之间实现互联和CAN网络设备之间实现互联的基础上，实现了CAN设备和以太网设备之间的互通互联。在汽车网络升级换代的进程中，本发明为兼容旧的CAN设备提供了一个有效的解决方案。

本发明提出的CAN报文收发模块，主要用于监控车载CAN网络上的报文以及往CAN总线上发送报文，监听总线忙等状态，可以单路或多路CAN。且可以在代码中选择具体某个CAN进行异步发送，从而达到并行效果。

本发明提出的Ethernet报文收发模块，可以监听多路Ethernet链路，截取发送给自己的Ethernet报文，同时将别目的地址的报文转发到其他Ethernet链路上，不需要做多余的转发操作。

本发明提出的信号处理转换模块，可以操作CAN报文，即可以解析CAN报文中数据，也具备将信息封装成CAN报文的能力。可以操作Ethernet报文，即可以将信息封装成Ethernet报文，也可以将Ethernet报文中数据解析、读取出来。

本发明提出了一种CAN和Ethernet报文互转方法，包括如下步骤：

CAN消息处理步骤，在接收到CAN消息后将信息按照要求的封装方法分装成Ethernet报文，放到Ethernet网络上。封装方法可以按照DOIP协议进行一对一分装，或者为了提高速度可以用多对一的封装。

Ethernet消息收发步骤，在将Ethernet相关参数设置好后，便可以参照TCP/IP协议栈进行socket通信。包括了TCP报文、UDP报文在内全套建立连接等传输步骤的实现和封装。

Ethernet消息处理步骤，在接收到Ethernet消息之后，按照发送方使用的封装规则，解析拆包，封装成多个CAN报文，并发送到对应的CAN总线上。

消息队列缓冲步骤，由于Ethernet传输速率更高，但是建立连接时间较长。本发明实现了在收到CAN报文和Ethernet报文进行缓存，采用先入先出规则，通过缓存协调解决两种报文收发时的速率不统一的问题。

本发明还使用了一种用双绞线代替RJ45作为Ethernet传输数据线的做法。用BroadR-Reach口作为数据接口。设置成slaver和master作为一对双绞线的两端，在此两个接口之间传输数据。

图1所示系统组成图显示了本发明网关既可以用于CAN通信，也可以用于Ethernet网络通信。还具备了多个CAN和Ethernet网络报文依据装换协议互联互通的功能。在收到报文之后，处于中央位置的信号处理转换模块(3)会处理得到实质内容的消息，可以再分装成CAN或者Ethernet报文，放到CAN或Ethernet网络上，从而达到CAN和Ethernet互通的效果。本系统对CAN报文和以太网报文的处理，处在连接层之上，应用层之下。对于报文的具体语义，如连续帧、维持帧不做理解区分，可以简化网管程序逻辑只做转发，降低转发时延、最小化丢包率和保证发送顺序。这些措施使得报文实时性提高，从而不影响设备间通信的正常时序逻辑。当前以太网做车载物联网的理论已经比较成熟，本系统做转发的网关提供一种使现有以太网兼容CAN设备的实现方案，降低车承载以太网总线应用成本。

逻辑主控模块实现了基于车用以太网的诊断服务：基本诊断服务是基于DOIP基础上实现最基本的诊断服务，包括诊断会话服务控制车载设备重置服务，通讯控制服务诊断存在服务。作为网关，对普通车载设备的CAN数据转发功能：包括跨越以太网网关的CAN数据转发，以太网诊断转入CAN车载设备等。针对CAN转Ethernet转CAN网关的时间约束：网关以太网转以太网，以太网转CAN等收发的时间约束情况可以得到有效的控制。基于车用以太网的刷新：通过以太网接口，运行在计算机上的上位刷新工具软件可以对本项目研发输出的以太网网关原型车载设备进行软件刷新。基于车用以太网，使用Ethernet转CAN网关转换后，传统CAN车载设备的刷新通过以太网接口，运行在计算机上的上位刷新工具软件可以通过以太网网关车载设备转入CAN信号，然后对传统CAN车载设备进行软件刷新。

本网关可以和同种设备叠加组成复杂的网络，可以接入一个或多个CAN网络，或者一个或多个Ethernet网络，如图2所示的各个CAN网络之间可以正常通信：CAN网络1发往CAN网络2的数据报文将会经过网关2进行转发，网关2在对设备ID进行判断后将会转发至CAN网络2而不会转发到网关1。CAN网络1发往CAN网络3的网络报文将会经过网关2进行转发，网关2将会通过网关1和网关3转发到CAN网络3。

本网关可以在与CAN网络不冲突的基础上添加Ethernet网络。如图2所示的Ethernet设备也可以相互通信，也可以和CAN网络中的设备通信。上位机也可以和接入网络中的任何一个设备进行诊断通信、刷新操作。

如图3所示的是将车载CAN设备组成的网络分成两部分，中间用Ethernet透传的拓扑连接示意图。两端的车载设备可以正常的用CAN报文通信，且具有稳定性。CAN报文在被网关收到之后被打包成Ethernet报文发布到示意图中间的Ethernet网络之中。使得数据处理无需理解上层语义，在提升效率同时维持了信息安全的保护，这对于一些保密性要求较高的车载设备非常有帮助。丰富完备的标准协议的支持和封装使得上位机应用的编写十分方便，让车载网络和通用以太网的连接成为可能，极大地拓展了应用场景。对应的网关接收到Ethernet报文之后再转换成CAN报文放到另一端的CAN网络上。从而使得原来的车载设备CAN通信不受影响。

实施例：

图4显示的诊断用上位机连接网关以测试Ethernet诊断传输测试。通过上位机诊断程序发送多种诊断服务请求，检查网关对诊断服务的响应。根据诊断标准发送诊断服务，ECU将会正确响应，可以通过Ethernet上的上位机程序对本网关的程序动态升级和刷新。

图5显示的是网关的CAN诊断测试。通过网关发送CAN诊断服务，CAN设备将会收到诊断报文，且正确响应。从CAN分析仪中可以观察到数据流过程。

图6显示的是网关的Ethernet诊断测试。网关通过Ethernet发送诊断报文，Ethernet设备将会收到诊断请求报文，并做出正确诊断响应。从Ethernet分析仪观察到数据流过程。

图7是诊断上位机透传网关诊断CAN设备诊断测试以及通过网关刷新CAN设备测试。通过CAN设备发送诊断服务请求，上位机程序做出正确响应。上位机导入被测设备刷新目标文件，指令被透传到CAN网络上。从而实现了接入网络的车载设备，通过接入Ethernet网络的上位机程序来高效刷新固件。

图8是CAN设备透过Ethernet网络通信连通性测试以及网关透传CAN报文的实车负载测试。CAN1设备发送诊断服务请求，CAN2接收到正确的指令，并做出正确回应。将车上一个CAN链路断开，将本发明网关系统接入，测试实车运行情况。车辆在两个CAN网络的设备正常通信，没有故障报告。

图9是测试上位机通过网关刷新Ethernet设备。上位机导入被测设备刷新目标文件。目标设备在接收到刷新Ethernet报文后，开始刷新固件，完成后重启并进入应用模式。

图10是在网关和上位机端都接入了额外的无线收发装置。因为本网关对于TCP\IP协议的支持，上位机可以在当前常见的Ethernet网络环境中使用。所以当前市面常见无线收发装置都可以使用。如无线路由器时间接入WiFi，3G、4G上网卡实现接入3G、4G。从而使得前面提到的所有刷新操作都可以在通用以太网络(包括无线环境)下使用。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置，其特征在于，包括如下模块：

CAN报文收发模块(1)，其用于捕捉CAN报文、在CAN网络上发送报文和监听CAN总线状态；

Ethernet报文收发模块(2)，其用于接收和发送Ethernet报文，通过适配网络协议、实现协议栈，可直接接入包括WiFi、4G的通用以太网络；

信息处理转换模块(3)，其与所述CAN报文收发模块(1)及所述Ethernet报文收发模块(2)通信，用于处理所述CAN报文收发模块(1)和所述Ethernet报文收发模块(2)接收到的消息，同时可以使用所述CAN报文收发模块(1)和所述Ethernet报文收发模块(2)发送报文；

逻辑主控模块(4)，其与所述信息处理转换模块(3)通信，用于维护网络状态，响应经过所述信息处理转换模块(3)转换识别的指令，同时确定转发方向以及关系，识别刷新指令，实现车载设备和本网络可通过以太网络刷新，即在线升级应用程序。

2.如权利要求1所述的车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置，其特征在于，所述Ethernet报文收发模块(2)采用BroadR-Reach双绞线，双端接口采用server和master的非对称设计。

3.如权利要求1所述的车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置，其特征在于，所述Ethernet报文收发模块(2)移植实现了通用以太网协议栈，支持应用层的TCP、UDP、HTTP等多种连接协议。

4.如权利要求1所述的车身结合CAN和Ethernet的混合网络网关装置，其特征在于，所述CAN报文收发模块(1)网络实现了CAN报文收发的通信时序的封装；对数据的拆包和打包方面在整个协议的传输层进行。

5.一种基于权利要求1-4之任一项所述的混合网关网管装置的数据交换方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：挂载在所述CAN报文收发模块(1)上的所有设备设置特殊标志，当收到Ethernet和CAN消息时，若对应设备的ID在消息的记录项中，则所述设备的特殊标志被转发到CAN网络上；

步骤二：所有非本机IP地址的Ethernet报文将会被转发到其余挂载在本Ethernet报文收发模块(2)上的Ethernet网络上；

步骤三：所有目标地址是本网关的Ethernet报文将会被封装成CAN报文通过CAN报文收发模块(1)发送到对应CAN网络上。