CN109067631B - 一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车载以太网领域，公开了一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法，当前智能通信节点通过输入隔离电路把汽车上的传感器反馈信号发送到单片机，通过网线传输到下一个智能通信节点的单片机上，然后通过输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器；与稳压电源电路和微型控制器相连。本发明针对智能网联式自动驾驶需求下的轻量化、高信息负载量、通信速度快、传输数据包大、高精度、高实时性要求，通过汽车通信系统，实现成本、灵活、高性能、开放性好、不被任何人垄断的功能，实现满足智能网联式自动驾驶车辆控制复杂多样的通信工况。

Description

一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法
技术领域
本发明属于车载以太网领域，尤其涉及一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，开发出面向汽车的CAN、LIN、FLEXRAY等通信协议架构的电控系统。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)随着汽车智能化及网联化程度的深入，相关技术中的汽车通信系统中，存在以下问题：信息负载量低、通信速度慢、传输数据包小、高速时精度低、低实时性。
(2)智能化进程的推进，车载电子的数量与日俱增，在未来的无人驾驶上也是只多不减，目前的汽车通信系统的节点控制能力有限，远远不能满足汽车上多节点的控制与负荷。
(3)目前汽车采用多总线并存的方式，车上线束增多，轻量化低，成本高。
(4)以太网技术在整车控制的应用上缺乏，无法实现以太网技术在的迭代升级。
解决上述技术问题的难度和意义：
难度在于：上述技术问题如果基于现存的通信系统去做改进优化，首先要进行硬件的二次开发，这将投入巨大的人力、财力和物力，开发周期不可预知。而且可以肯定的是，改良后的系统由于其自身的局限性，通信系统的提升也是收益甚微的，造成大量的资源浪费，延缓我国汽车智能化的进程，其所相关产业也会出现不良的连锁反应。
解决现有技术后带来的意义：
在工业4.0的时代下，智能交通代表了一个国家的科研实力和工业现代化水平，同时也是国际上的一张响亮的名片，有着重要的战略意义。处于领导地位的国家有着主导整个行业的优先权，避免了因技术垄断带来的不良影响。所以，解决上述问题迫在眉睫，势在必行。本发明另辟蹊径，在车载以太网取得了更大的突破。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法。
本发明是这样实现的，一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法包括：
每个智能通信节点分别负责对应的汽车上的传感器和执行机构的数据采集和发送；
指定一个智能通信节点作为控制节点通过交换机互连各个智能通信节点；
控制节点通过每个智能通信节点上搭载的实时以太网通信协议协调各个智能通信节点，有序上发和下载数据；
总线通过分配使用权，进行实时通信，并对整车进行实时控制。
进一步，每个智能通信节点分别负责对应的汽车上的传感器和执行机构数据采集和发送方法包括：
通过智能通信节点上集成的A/D信号采集电路和隔离电路独立接收传感器反馈信号并打包成网络数据，通过以太网收发电路发送到网络上，网络中的其它智能通信节点通过交换机获取需要的数据；
智能通信节点将获取到的网络数据进行解析，并通过输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器，执行机构执行相应的动作，实现对整车的控制。
传统的传输方式帧携带的数据量大的时候，都伴随着大量控制信息和说明信息，很多时候比有用的控制数据还多，长时间占用传输总线，降低了实时性。为了增加传输的实时性，减少帧携带的大量控制信息和说明信息是缩短传输时间的重要方法，所以在数据的解析过程做了特别处理，可分为网络数据和本地数据。网络数据只携带少量的标志信息，用以指示哪个节点接收；节点接收以后，把网络数据映射到本地数据，本地数据有着详细的控制信息和说明信息，智能通信节点就可知道怎样使用该数据；发送的时候为上述相反的过程，即把本地数据映射成网络数据，上传到网络，大大缩短了传输时间，增强了实时性。
进一步，智能通信节点以太网通信协议协调通信方法包括：
第一步，控制节点先把网络数据广播到网络内，其它智能通信节点从网络中获取所需数据；
第二步，控制节点单播一个命令到下一个智能通信节点，智能通信节点接收到命令后将网络数据广播到网络上，其它智能通信节点从网络中获取所需数据；
第三步，根据第一步和第二步通信方式，直到网络中的每个智能通信节点都通信一次，完成一个通信周期；
第四步，下一个周期的通信过程执行步骤一～步骤三。
其中，网络中每个智能通信节点在每个通信周期内都会通信一次，从而实现实时通信。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法的控制器。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统，
包括：多个基于实时以太网通信协议架构的智能通信节点；每个智能通信节点通过网线和交换机互连，构成汽车电控系统；
每个智能通信节点由稳压电源电路、微型控制器核心电路、以太网收发电路、A/D信号采集电路、隔离电路、高边驱动电路组成。
进一步，每个智能通信节点包括稳压电源电路、微型控制器核心电路、以太网收发电路、A/D信号采集电路、隔离电路、高边驱动电路；
所述稳压电源电路，与以太网收发电路连接；包含电源指示灯和直流降压模块，输出直流电压为3.3V和5V，分别为微型控制器和其他模块提供稳定直流电源；
所述的微型控制器核心电路，用于进行信息处理，微型控制器核心电路采用的单片机包含DMA和IEEE1588的以太网MAC接口，用于支持以太网通信，采用实时以太网通信协议；与稳压电源电路相连；
所述以太网收发电路，包含PHY芯片电路、网络隔离电路，用于将智能通信节点的数据通过以太网传输，极大的加快了传输速度，增强了控制的实时性。同时利用网络隔离器把传输过程中的信号过滤(消除干扰)并放大，避免线路的阻抗使信号不断减弱，造成网络中断现象，从而增强网络的覆盖范围及信号传输距离，通信速度可达10～1000Mb/s，可减少汽车通信总线，以满足车载网络严格的通信要求；与稳压电源电路和微型控制器相连；
所述A/D信号采集电路，包含A/D转换器和运放电路，用于采集电气设备和传感器的信号量，供所述微型控制器核心电路的单片机进行数据处理和数据传输；与稳压电源电路和微型控制器相连；
所述隔离电路，包含总线驱动模块和光耦模块，分为输入隔离电路和输出隔离电路，用于保护单片机不被损坏；当前汽车上的传感器反馈信号通过智能通信节点的输入隔离电路处理并接收，通过网线传输到下一个智能通信节点的单片机上，然后通过输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器；与稳压电源电路和微型控制器相连；
所述高边驱动电路由电桥驱动器芯片组成，与执行器件相连，用于控制车辆油门、转向、制动、驻车、档位和灯光等执行器执行相应动作；与微型控制器相连。
进一步，所述交换机利用网线通信的智能通信节点间的互连，构成汽车电控系统。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统的机动车辆。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明由多个基于实时以太网通信协议架构的智能通信节点构成，目的是针对智能网联式自动驾驶需求下的轻量化、高信息负载量、通信速度快、传输数据包大、高精度、高实时性的汽车通信系统，是一种易于实现的、低成本、灵活的、高性能的、开放性好、不被任何人垄断的基于实时以太网通信协议架构的车载式多节点汽车电控系统，实现满足智能网联式自动驾驶车辆控制复杂多样的通信工况。
与现有技术对比，有着较强的优势，如下表1所示：
表1智能通信节点性能比较
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统示意图。
图2是本发明实施例提供的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统实物连接图。
图中：1、第一从节点；2、主节点；3、第二从节点；4、交换机。
图3是本发明实施例提供的稳压电源电路原理图；
图4是本发明实施例提供的微型控制器核心电路原理图。
图5是本发明实施例提供的以太网收发电路图。
图6是本发明实施例提供的A/D信号采集电路图。
图7是本发明实施例提供的隔离电路图。
图8是本发明实施例提供的高边驱动电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
随着汽车智能化及网联化程度的深入，相关技术中的汽车通信系统中，存在以下问题：信息负载量低、通信速度慢、传输数据包小、高速时精度低、低实时性。
本发明每个由多个基于实时以太网通信协议架构的智能通信节点由稳压电源电路、微型控制器核心电路、以太网收发电路、A/D信号采集电路、隔离电路、高边驱动电路组成；每个智能通信节点通过网线和交换机实现互连，构成汽车电控系统。系统适用于智能网联式自动驾驶需求下的轻量化、高信息负载量、通信速度快、传输数据包大、高精度、高实时性的汽车通信系统，是一种易于实现的、低成本、灵活的、高性能的、开放性好、不被任何人垄断的基于实时以太网通信协议架构的车载式多节点汽车电控系统，实现满足智能网联式自动驾驶车辆控制复杂多样的通信工况。
本发明实施例提供的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法，包括：
每个智能通信节点分别负责对应的汽车上的传感器和执行机构；
指定一个智能通信节点作为控制节点通过交换机互连各个智能通信节点；
控制节点通过每个智能通信节点上搭载的实时以太网通信协议协调各个智能通信节点，有序上发和下载数据；
总线合理分配使用权，避免冲突，实现实时通信，从而实现对整车的实时控制。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统，每个由多个基于实时以太网通信协议架构的智能通信节点由稳压电源电路、微型控制器核心电路、以太网收发电路、A/D信号采集电路、隔离电路、高边驱动电路组成；每个智能通信节点通过网线和交换机实现互连，构成汽车电控系统；智能通信节点模块组成和连接如图1所示。
所述稳压电源电路，包含电源指示灯和直流降压模块，输出直流电压为3.3V和5V，分别为微型控制器和其他模块提供稳定直流电源。
所述的微型控制器核心电路为STM32最小系统，它是整个系统进行信息处理的核心单元，采用的是STM32f407型号的单片机，包含专用DMA和IEEE1588的以太网MAC接口，支持以太网通信，采用实时以太网通信协议；与稳压电源电路相连。
所述以太网收发电路，包含PHY芯片电路、网络隔离电路，用于将智能通信节点的数据通过以太网传输，极大的加快了传输速度，增强了控制的实时性。同时利用网络隔离器把传输过程中的信号过滤(消除干扰)并放大，避免线路的阻抗使信号不断减弱，造成网络中断现象，从而增强网络的覆盖范围及信号传输距离，通信速度可达10～1000Mb/s，可减少汽车通信总线，以满足车载网络严格的通信要求；与稳压电源电路和微型控制器相连。
所述A/D信号采集电路，包含A/D转换器和运放电路，采集电气设备和传感器的信号量，供单片机进行数据处理和数据传输；与稳压电源电路和微型控制器相连。
所述隔离电路，包含总线驱动模块和光耦模块，分为输入隔离电路和输出隔离电路，能有效的保护单片机不被损坏；当前汽车上的传感器反馈信号通过智能通信节点集成的的输入隔离电路处理并接收，通过网线传输到下一个智能通信节点的单片机上，然后通过智能通信节点集成的输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器；与稳压电源电路和微型控制器相连。
所述高边驱动电路由电桥驱动器芯片组成，与执行器件相连，控制车辆油门、转向、制动、驻车、档位和灯光等执行器执行相应动作；与微型控制器相连。
所述交换机实现利用网线通信的智能通信节点间的互连，构成汽车电控系统。
下面结合运行原理对本发明作进一步描述。
本发明实施例由多个实时以太网通信协议架构的智能通信节点通过交换机互连组成汽车电控系统；
每个智能通信节点集成的A/D信号采集电路和隔离电路可独立接收传感器反馈信号并打包成网络数据，通过以太网收发电路发送到网络上，网络中的其它智能通信节点通过交换机可获取需要的数据；
获取到的数据通过智能通信节点集成的输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器，执行机构执行相应的动作，从而实现对整车的控制。
下面结合具体应用对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控系统，具体为基于实时以太网通信协议架构的车载式多节点汽车电控系统；
其主要部件布置位置如图2所示，第一从节点1放置于汽车的前半车身位置，与交换机4连接；主节点2放置于汽车的后半车身位置，主节点放置于靠近中央控制器的位置。第二从节点3放置于汽车的前半车身位置，与交换机4连接。
图3是本发明实施例提供的稳压电源电路原理图；
图4是本发明实施例提供的微型控制器核心电路原理图。
图5是本发明实施例提供的以太网收发电路图。
图6是本发明实施例提供的A/D信号采集电路图。
图7是本发明实施例提供的隔离电路图。
图8是本发明实施例提供的高边驱动电路图。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法，其特征在于，所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法包括：
每个智能通信节点分别负责对应的传感器和执行机构的数据采集和发送；
指定一个智能通信节点作为控制节点，通过交换机互连各个智能通信节点；
控制节点通过每个智能通信节点上搭载的实时以太网通信协议，协调各个智能通信节点，有序上发和下载数据；
总线通过分配使用权，进行实时通信，并对整车进行实时控制；
每个智能通信节点分别负责对应的汽车上的传感器和执行机构数据采集和发送方法包括：
通过智能通信节点上集成的A/D信号采集电路和隔离电路独立接收传感器反馈信号并打包成网络数据，通过以太网收发电路发送到网络上，网络中的其它智能通信节点通过交换机获取需要的数据；
智能通信节点将获取到的网络数据进行解析，并通过输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器，执行机构执行相应的动作，实现对整车的控制；
网络数据进行解析中，网络数据只携带少量的标志信息，指示哪个节点接收；节点接收以后，把网络数据映射到本地数据，本地数据搭载的控制信息和说明信息，供智能通信节点使用；信息发送过程为上述相反过程，把本地数据映射成网络数据，上传到网络；
智能通信节点以太网通信协议协调通信方法包括：
第一步，控制节点先把网络数据广播到网络内，其它智能通信节点从网络中获取所需数据；
第二步，控制节点单播一个命令到下一个智能通信节点，智能通信节点接收到命令后将网络数据广播到网络上，其它智能通信节点从网络中获取所需数据；
第三步，根据第一步和第二步通信方式，直到网络中的每个智能通信节点都通信一次，完成一个通信周期；
第四步，下一个周期的通信过程执行步骤一～步骤三。
2.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法的控制器。
3.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法。
4.一种多节点汽车电控系统，其特征在于，所述多节点汽车电控系统基于实时以太网通信协议架构，同时实施权利要求1所述基于实时以太网通信协议架构的多节点汽车电控方法，具体包括：
多个基于实时以太网通信协议架构的智能通信节点；
每个智能通信节点通过网线和交换机互连，构成汽车电控系统。
5.如权利要求4所述多节点汽车电控系统，其特征在于，每个智能通信节点包括稳压电源电路、微型控制器核心电路、以太网收发电路、A/D信号采集电路、隔离电路、高边驱动电路；
所述稳压电源电路，与以太网收发电路连接；包含电源指示灯和直流降压模块，输出直流电压为3.3V和5V，分别为微型控制器和其他模块提供稳定直流电源；
所述的微型控制器核心电路，用于进行信息处理，微型控制器核心电路采用的单片机包含DMA和IEEE1588的以太网MAC接口，用于支持以太网通信，采用实时以太网通信协议；与稳压电源电路相连；
所述以太网收发电路，与稳压电源电路和微型控制器相连；包含PHY芯片电路、网络隔离电路，用于将智能通信节点的数据通过以太网传输；同时利用网络隔离器把传输过程中的信号过滤并放大，增强网络的覆盖范围及信号传输距离；
所述A/D信号采集电路，与稳压电源电路和微型控制器相连；包含A/D转换器和运放电路，用于采集电气设备和传感器的信号量，供所述微型控制器核心电路的单片机进行数据处理和数据传输；
所述隔离电路，与稳压电源电路和微型控制器相连；包含总线驱动模块和光耦模块，分为输入隔离电路和输出隔离电路，用于保护单片机不被损坏；当前汽车上的传感器反馈信号通过智能通信节点的输入隔离电路处理并接收，通过网线传输到下一个智能通信节点的单片机上，然后通过输出隔离电路把数据信号发送到车辆控制器；
所述高边驱动电路由电桥驱动器芯片组成，与执行器件相连，用于控制车辆油门、转向、制动、驻车、档位和灯光执行器执行相应动作；并与微型控制器相连。
6.一种机动车辆，其特征在于，所述机动车辆搭载权利要求4-5任意一项所述多节点汽车电控系统。
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