CN110989416B - 一种基于实时以太网总线的整车控制系统 - Google Patents

一种基于实时以太网总线的整车控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于实时以太网总线的整车控制系统，包括：整车控制器，用于从接收数据帧模块接收来自车载ECU的数据帧，并通过发送数据帧模块发送数据至车载ECU设备，等待ECU节点响应，完成以太网通信过程；故障诊断模块，用于从接收数据帧模块接收故障数据，并根据车载以太网诊断协议DoIP协议，对汽车进行故障分析，并将分析结果通过显示模块显示故障参数；接收数据帧模块，用于接收车载ECU的数据帧；发送数据帧模块，用于发送数据至车载ECU设备；ECU程序烧写模块，用于当对车载设备进行烧录程序时，输入模块编写好ECU所需程序并发送给ECU程序烧写模块，ECU程序烧写模块对ECU设备进行程序烧录。

Description

一种基于实时以太网总线的整车控制系统
技术领域
本发明属于汽车控制系统的技术领域，具体涉及一种基于实时以太网总线的整车控制系统。
背景技术
随着汽车智能化、网联化，甚至自动驾驶的浪潮已经来临，高品质车载娱乐影音的影音推进、以及OTA远程升级、V2X、大数据、云计算等一系列技术的发展；这推进了车载网络对实时性、高速率、高兼容性需求的爆发式发展，显然这已经超出了CAN或FlexRay等传统车载网络的历史使命。因此以太网就成了将它们连接在一起甚至完全替代传统总线控制器的最佳选项，也成为了业内普遍认可的技术方案，所以针对基于以太网汽车总线的整车控制系统的研究十分必要。
随着汽车电子系统宽带增长的需求：ECU数量快速增长，ECU功能越来越复杂；摄像头、诊断、自动泊车、信息娱乐等系统之间的数据交互趋向于纯数字的传输；仪表板显示控制系统向计算机神经中枢的演变趋势；MOST用于音视频传输不能满足汽车低成本的需求；而现有技术的传统总线(如CAN，LIN，Flex Ray)已经无法适应。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于实时以太网总线的整车控制系统，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于实时以太网总线的整车控制系统，其包括：
整车控制器，用于从接收数据帧模块接收来自车载ECU的数据帧，并通过发送数据帧模块发送数据至车载ECU设备，等待ECU节点响应，完成以太网通信过程；
故障诊断模块，用于从接收数据帧模块接收故障数据，并根据车载以太网诊断协议DoIP协议，对汽车进行故障分析，并将分析结果通过显示模块显示故障参数；
接收数据帧模块，用于接收车载ECU的数据帧；
发送数据帧模块，用于发送数据至车载ECU设备；
ECU程序烧写模块，用于当对车载设备进行烧录程序时，输入模块编写好ECU所需程序并发送给ECU程序烧写模块，ECU程序烧写模块对ECU设备进行程序烧录；
输入模块，用于输入ECU程序烧写模块所需的程序；
显示模块，用于参数的显示。
优选地，整车控制器包括：以太网接口模块、FPGA模块、can接口模块和电源模块；
FPGA模块的系统设计包括：RGMII接口设计，MDIO接口设计，phy接口设计，UDP/IP协议栈设计，UDP/IP协议栈控制模块设计，FPGA模块的系统设计的具体步骤包括：
S1、设计RGMII接口，建立MAC层与phy层的数据传输连接；
S2、设计MDIO接口，管理MAC层与phy层的数据传输；
S3、采用Verilog硬件描述语言首先实现fpga中的udp/ip协议栈以及所需接口；
S4、Pl逻辑设计，设计出udp/ip协议控制模块来进行参数和端口控制；
S5、Ps程序设计，使通讯速率和实时性达到要求。
优选地，以太网接口模块包括3路千兆网口，采用PHY型号为RTL8211，且网口自带网络变压。
优选地，FPGA模块内置一颗XILINX可全编程FPGA芯片-ZYNQXC7Z020CLG400-2I，并将芯片装载于MZ7X核心板，且XC7Z020-CLG400-2I集成了ARM A9双核的CPU和85K可编程逻辑单元。
优选地，phy型号为RTL8211，其网口自带网络变压器。
优选地，CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX与TJA1050T的RXD和TXD的两者之间加入高速光电耦合器，光电耦合器的VA和VB端通过DC-DC模块或具有多个隔离输出的开关电源模块隔离。
优选地，电源模块通过TPS74801将输出电压3.3V、1.8V、1.5V和1.0V提供给整车控制器。
本发明提供的基于实时以太网总线的整车控制系统，具有以下有益效果：
本发明实现控制系统与汽车不同(485、can)总线实时与非实时通信与控制，对整车状态的监控和及时返回故障信息，并将现有汽车设备总线的通信接口转化为以太网接口，由控制系统统一收集处理，
除此，本发明整车控制器采用以太网总线作为数据传输方式，具有传输数据量大，传输速度快，传输数据不易失真等优点，可以较好的满足未来对智能驾驶和物联网等信息技术的发展需求。
附图说明
图1为基于实时以太网总线的整车控制系统的流程框图。
图2为基于实时以太网总线的整车控制系统原理框图。
图3为整车控制系统硬件电路结构图。
图4为以太网接口模块电路图。
图5为JTAG电路图。
图6为网络变压器电路图。
图7为RTL8211型phy电路原理图。
图8为网口电路图。
图9为电源模块电路。
图10为can接口电路原理图。
图11为FPGA模块系统的整体框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图3，本方案的基于实时以太网总线的整车控制系统，其硬件具体包括整车控制器。
整车控制器包括：以太网接口模块、FPGA模块、can接口模块和电源模块；FPGA模块依次与can控制器、can收发器和can总线连接；FPGA模块依次通过RGMII、phy和以太网接口总线连接。
以下对上述硬件结构进行详细描述
以太网接口模块
参考图4，包括3路千兆网口，采用的PHY型号为RTL8211，其网口自带网络变压，并将网口集成在底板上。
FPGA模块
FPGA的选型：
FPGA芯片选用一颗XILINX可全编程FPGA芯片-ZYNQXC7Z020CLG400-2I装载于MZ7X核心板。
XC7Z020-CLG400-2I集成了ARM A9双核的CPU和85K可编程逻辑单元，实现了硬件编程和软件编程同时具备的超级功能。
XC7Z020CLG400-2I主要技术指标和特点如下：
1)FPGA型号：XC7Z020CLG400-2I
2)逻辑单元数：119,088；
3)M9k存储单元数：432；
4)总的存储器资源：3,981,312Bits；
5)内部PLL：4个；
6)最大可利用IO引脚：283；
7)时钟输入频率范围：5～437MHz；
8)内部存储器模块最高工作频率：130～150MHz；
9)工作电压：3.3V和1.2V；
10)工作温度(结温)：-40～125℃；
参考图11，FPGA模块系统设计包括：RGMII接口设计，MDIO接口设计，phy接口设计，UDP/IP协议栈设计，UDP/IP协议栈控制模块设计。
其系统设计过程为：
S1、设计RGMII接口，建立MAC层与phy层的数据传输连接；
S2、设计MDIO接口，管理MAC层与phy层的数据传输；
S3、采用Verilog硬件描述语言首先实现fpga中的udp/ip协议栈以及所需接口；
S4、Pl逻辑设计，设计出udp/ip协议控制模块来进行参数和端口控制；
S5、Ps程序设计，使通讯速率和实时性达到要求。
JTAG配置：
参考图5，在FPGA上实现设计，需要把生成的位流.bit文件下载到FPGA，通过JTAG接口配置FPGA。
物理层通道模块
参考图6、图7和图8，该模块的意义在于可以实现数据的正确收发，本系统选用的phy型号为RTL8211，网口自带网络变压器，网口集成在底板上。
电源模块
参考图9，电源模块的输入电压为5V直流电源，经过TPS74801将输出电压3.3V、1.8V、1.5V和1.0V提供给整车控制器。
时钟模块
MZ7XB核心板上具备一33.333333MHZ的时钟输入到PS部分，底板具备一颗100MHZ时钟输入到PL部分H16管脚。
can接口模块
参考图10，在CAN接口电路的设计过程中，通常在CAN控制器和收发器之间放置光隔离电路，以进一步提高系统电路对复杂环境因素的抗干扰能力。
图中为了实现CAN总线各节点的电气隔离，对CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX进行了改动，让其并不直接与TJA1050T的RXD和TXD端相连，而是两者在之间加入了高速光电耦合器后再进行连接。光电耦合器的VA和VB端必须通过DC-DC模块或具有多个隔离输出的开关电源模块隔离，才能实现真正完全的电气隔离。
根据本申请的一个实施例，参考图1和图2，本系统的整车控制系的软件系统具体包括：
整车控制器、接收数据帧模块、发送数据帧模块、数据保存模块、故障诊断模块、显示模块、ECU程序烧写模块、接收数据帧模块。
以下对上述各个模块的工作原理进行说明
控制器初始化后，接收数据帧模块接收来自车载ECU的数据帧，并通过发送数据帧模块给车载ECU设备发送数据，等待ECU节点响应，完成以太网通信过程。
接收数据帧模块将接受到的数据帧保存至数据保存模块并解析，解析后的数据同样保存至数据保存模块。
故障诊断模式，当ECU等车载设备遇到故障报警时，故障诊断模块从接收数据帧模块接收故障数据，并根据车载以太网诊断协议DoIP协议，对汽车进行故障分析，将分析结果通过显示模块显示故障参数。
具体故障分析过程如下：
汽车以太网监控分析工具通过TCP/IP协议与车辆建立直接联系，并按照指令顺序将请求发送给车辆DoIP实体，而后模块反馈出车辆实时的错误追溯信息。例如，当分析工具通过故障诊断模块向雨刷器DoIP实体发送诊断请求，雨刷器模块将返回自己的状态信息，基于车载以太网诊断协议DoIP协议解析后，可在显示模块读取雨刷器系统处于正常运行或处于故障状态，方便维修人员检修。
ECU程序烧写模式，当对车载设备烧录程序时，输入模块编写好ECU所需程序并发送给ECU程序烧写模块，ECU程序烧写模块对ECU设备进行程序烧录。
模拟调试模式，当对车载设备进行调试时，由于新设备在调试过程中会出现通信故障，但传统方法需要对网络收发双方进行排查，这无疑降低了调试效率。整车控制系统可以通过输入模块和输出模块进行自收自发测试，测试控制系统正常工作后，可连接车载ECU设备进行检测调试。
本系统整车控制器采用以太网总线作为数据传输方式，具有传输数据量大，传输速度快，传输数据不易失真等优点，可以较好的满足未来对智能驾驶和物联网等信息技术的发展需求。
除此，本发明还具有如下有益效果：
1使用以太网解决了带宽问题和传输速率问题，数据处理能力极大提高。
以太网可以实现最大传输速率达1000Mbit/s，同步误差小于1μS，可以很好地满足数据量大，实时性高的数据传输需求，例如图像数据、网络数据等。
2、使用以太网作为汽车总线主干网络，降低了组网复杂度；
由于常用的CAN、LIN、Flex Ray及MOST由于传输速率不同，往往各自成网，这就带来了布线和组网比较复杂，而使用以太网作为汽车总线的主干网络，不但可以满足传输速率和带宽的要求，同时也可以降低组网的复杂度。
3、使用以太网作为汽车总线主干网络，使总线系统扩展性变强；
不但可以兼容传统CAN、LIN、Flex Ray及MOST等总线，还可以支持更多对数据量和实时性要求比较高的传感器和设备，为未来智能汽车的功能升级预留了良好的扩展空间。
4、降低了互连成本和电缆重量；
可使用非屏蔽双绞线组网，从而降低互连成本和电缆重量。相比传统的LVDS电缆，其互连成本降低80％，电缆重量降低了30％。汽车制造商可以替换过去昂贵、笨重的屏蔽电缆，大大降低了连接成本和电缆系统重量，进而降低能量消耗。
5、基于实时以太网总线的整车控制系统，就可以实现将多路高清视频实时传输至中控系统进行无缝全景拼接，配合视觉处理算法就可以实现智能辅助驾驶系统，实时传输的高清视频流可以为驾驶员还有中央处理器单元提供更可靠的准确信息，能提前避免一些因为图像不清晰或者网络延迟而导致的驾驶员或者中央处理器误判失误，带来不必要的的损失。如自动泊车，自动驾驶。在行车过程中对行人、汽车和障碍物等相应路面因素进行综合智能分析，提高行车安全系数，降低安全隐患发生。采用视觉传感器探测技术来对汽车行驶前方路况进行无间断、无疲劳的实时识别，对各种行驶状况进行分析和处理，并对各种危险情形做出相应的判断。
6、通过以太网总线的整车控制系统，进行车内局域网组网方式可采用以太网作为数据链路层，基于TCP/IP的实时传输协议作为传输层及网络层。Wi-Fi、3G、4G LTE等无线传输技术使汽车局域网与外部世界连结，无限传输一般也使用标准TCP/IP协议传输，这就使得内外网桥接难度降低，同时较低了桥接成本。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于实时以太网总线的整车控制系统，其特征在于，包括：
整车控制器，用于从接收数据帧模块接收来自车载ECU的数据帧，并通过发送数据帧模块发送数据至车载ECU设备，等待ECU节点响应，完成以太网通信过程；
故障诊断模块，用于从接收数据帧模块接收故障数据，并根据车载以太网诊断协议DoIP协议，对汽车进行故障分析，并将分析结果通过显示模块显示故障参数；
接收数据帧模块，用于接收车载ECU的数据帧；
发送数据帧模块，用于发送数据至车载ECU设备；
ECU程序烧写模块，用于当对车载设备进行烧录程序时，输入模块编写好ECU所需程序并发送给ECU程序烧写模块，ECU程序烧写模块对ECU设备进行程序烧录；
输入模块，用于输入ECU程序烧写模块所需的程序；
显示模块，用于参数的显示；
所述整车控制器包括：以太网接口模块、FPGA模块、can接口模块和电源模块；
所述FPGA模块的系统设计包括：RGMII接口设计，MDIO接口设计，phy接口设计，UDP/IP协议栈设计，UDP/IP协议栈控制模块设计，FPGA模块的系统设计的具体步骤包括：
S1、设计RGMII接口，建立MAC层与phy层的数据传输连接；
S2、设计MDIO接口，管理MAC层与phy层的数据传输；
S3、采用Verilog硬件描述语言首先实现fpga中的udp/ip协议栈以及所需接口；
S4、Pl逻辑设计，设计出udp/ip协议控制模块来进行参数和端口控制；
S5、Ps程序设计，使通讯速率和实时性达到要求；
所述以太网接口模块包括3 路千兆网口，采用 PHY 型号为 RTL8211，且网口自带网络变压；
所述FPGA模块内置一颗 XILINX 可全编程 FPGA 芯片-ZYNQ XC7Z020CLG400-2I，并将芯片装载于MZ7X 核心板，且XC7Z020-CLG400-2I 集成了 ARM A9 双核的 CPU 和 85K 可编程逻辑单元；
所述phy型号为RTL8211，其网口自带网络变压器；
CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX与TJA1050T的RXD和TXD的两者之间加入高速光电耦合器，光电耦合器的VA和VB端通过DC-DC模块或具有多个隔离输出的开关电源模块隔离；
所述电源模块通过TPS74801将输出电压3.3V、1.8V、1.5V和1.0V提供给整车控制器；
对CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX进行了改动，让其并不直接与TJA1050T的RXD和TXD端相连，而是两者在之间加入了高速光电耦合器后再进行连接；光电耦合器的VA和VB端必须通过DC-DC模块或具有多个隔离输出的开关电源模块隔离；
汽车以太网监控分析工具通过TCP/IP协议与车辆建立直接联系，并按照指令顺序将请求发送给车辆DoIP实体，而后模块反馈出车辆实时的错误追溯信息；当分析工具通过故障诊断模块向雨刷器DoIP实体发送诊断请求，雨刷器模块将返回自己的状态信息，基于车载以太网诊断协议DoIP协议解析后，可在显示模块读取雨刷器系统处于正常运行或处于故障状态，方便维修人员检修；
基于实时以太网总线的整车控制系统，可实现将多路高清视频实时传输至中控系统进行无缝全景拼接，配合视觉处理算法可实现智能辅助驾驶系统。
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