CN111147338B - 一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车内有线网络到无线网络的升级方法。本方法针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，设计车载内部无线网络基于ZIGBEE及WiFi实现的单跳/多跳、集中式/分布式多制式无线网络升级方案，该升级方案本着想前兼容的思想，在尽可能不改动车内原有硬件的基础上拓展出无线接口，从而实现从有线到无线的升级，文中不仅给出了各模块的作用，还结合具体例子讲解了该无线网络的运行过程。

Description

一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信及嵌入式开发的技术领域，具体涉及一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法。

背景技术

近年来，移动互联网、物联网、大数据、云计算和人工智能等新一代信息通信技术(ICT)迅猛发展，正在全球范围内掀起新一轮科技革命和产业变革。汽车的智能化、网联化研究正在全球范围内迅速推进，智能网联汽车成为近年来的研究热点。智能网联汽车的两大技术发展主线包括汽车的智能化和汽车的网联化。汽车智能化技术路线是研究依靠多种车载传感器设备的信息采集，使汽车能够实现自主环境感知、决策和运动控制。汽车的网联化是研究基于通信互联，使汽车具有扩展的环境感知、融合的决策实现车辆更加安全精准的运动控制。智能网联汽车的最终实现必须依靠汽车智能化和网联化的深度融合发展，其中实现各种智能信息传感设备间信息共享的汽车网联化尤为重要。当前车载内部网络的互联互通还主要依赖于有线网络连接搭建整车网络，实现车载传感器、控制器、电控单元(Electronic Control Unit,ECU)模块等的信息共享和车辆运动控制。当前车载内部网络根据数据传输速率和安全性要求的不同划分为以下4类网络：

(1)车载A类网络：基于LIN(Electronic Control Unit,LIN)总线架构，面向对传感器、执行器等控制的低速网络，数据传输速率通常在1～10kbit/s。主要面向解决对通信实时性和安全性要求不高的应用，如电动门窗、中央锁、后视镜、座椅调节、灯光照明及早期的汽车故障诊断等。LIN总线是一种辅助的串行通信总线网络，多用于不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，LIN的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。基于LIN总线架构的车载A类网络如图1所示。

(2)车载B类网络：基于CAN总线结构，面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率一般为l0～l00kbit/s。主要应用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，基于CAN总线架构的车载B类网络示意图如图2所示。

(3)车载C类网络：基于CAN总线架构，面向高速、实时闭环控制的多路传输，最高传输速率可达1Mbit/s，主要用于悬架控制、牵引控制、发动机控制、ABS等对车辆行驶安全性要求高的车载模块。基于CAN总线架构的车载C类网络示意图如图3所示。

(4)车载D类网络：基于MOST(Media Oriented System Transport,MOST)总线架构，主要面向信息、音视频多媒体系统等。MOST系统可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、多碟CD播放器等模块，其数据传输速率最高可达22.5Mbit/s，一般采用光纤进行传输。基于MOST总线架构的车载D类网络如图4所示。MOST总线系统采用环形拓扑结构。控制单元通过光导纤维沿环形方向将数据发送到下一个控制单元。这个过程一直在持续进行，直至首先发出数据的控制单元又接收到这些数据为止。可以通过数据总线自诊断接口和诊断CAN总线来对MOST系统进行故障诊断。但MOST由于单一供应商的问题，基础开发成本较高，因此D类网络适合于升级成无线连接的网络。

目前，虽然车辆外部网络的无线互联互通已有大量的相关研究，但对于车载内部网络的互联互通还主要是依靠有线连接搭建整车网络，连接车载的每一个传感器、控制器和ECUs模块，实现模块间通信，基于无线通信技术的车载内部网络搭建的研究还很少。随着智能网联汽车发展的快速推进及实现，车载电子设备间的信息共享会更加密切，智能网联汽车的信息传感设备数量随之大幅增长，造成传感器、控制器、和ECUs之间相互连接的线缆长度、重量和连接复杂度也急剧增加，以至于当前基于有线网络连接形式进行车载内部网络组网的方式不仅会增加车载有线网络的布线难度、汽车的重量和体积、车辆功能集成时间，而且会降低车载内部网络的可拓展性，不利于后期车载内部网络的升级拓展和维修保养。因此，对车内有线网络到无线网络的升级是我们亟需考虑的问题。

发明内容

本发明将面向智能网联汽车的发展需求，针对车载内部网络有线连接带来的布线难度高、线束增加带来的汽车重量和体积增加、车辆功能集成时间长、网络升级可拓展性差等问题，展开面向车辆环境智能无线网络通信研究，由于车载C类网络直接关乎车辆的行驶安全，因此对通信的可靠性要求很高，暂不进行无线的升级。本发明的目的在于提供一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法，面向车载A类、B类和D类网络的从有线网络到无线网络的升级，实现车载内部网络中非车辆行驶安全类模块的多制式无线网络升级方案，突破原本车载有线组网线束的制约，提升车载网络的可拓展性，增加车载乘客使用汽车电子设备的便利性和舒适性。该无线升级方案侧重于无线网络的接口设计，即最大程度地做到不改动车内原本已有的硬件基础，只在已有硬件的基础上拓展出无线接口，将原本的部分有线链路变成无线链路来进行数据的传输。

为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：

针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，设计了车载内部无线网络实现的单跳/多跳、集中式/分布式多制式无线网络升级方案。具体内容如下：

基于车载网络中A类低速网络、B类中速网络和D类高速网络对传输速率要求的不同和有线网络架构的特点，设计了融合ZigBee和WiFi无线通信技术的无线升级方案，实现车载网络中的非车辆行驶安全类应用模块的无线互联互通。具体操作步骤如下：

(5)针对A类网络数据传输速率低、通信频率低、基于LIN总线单主/多从的集中式组网特点，设计了基于ZigBee的星型集中式无线组网方案。

(6)针对B类中速网络的CAN总线组网特点，设计了基于ZigBee的分布式网状结构组网方案。

(7)针对D类高速网络的高速数据传输速率和基于MOST总线架构的组网特点，设计了基于高数据传输速率的WiFi组建分布式网状结构组网方案。

本发明的一种车内有线网络到无线网络的升级方法与现有有线技术相比较，具有如下优势：

无线通信技术作为有线连接的一种替代选择，可有效减少因有线连接带来的各种问题和费用开销。因此，在车辆上融合物联网相关的解决方案，展开面向车辆环境智能无线网络通信的研究，形成车载的无线网络控制系统，突破线束的制约，对缩短车辆功能的集成时间，提升车载乘客使用汽车电子设备的便利性和舒适性，增强车载内部网络模块的可拓展性和可维护性，促进智能网联汽车的研究与实现都具有重要意义。

附图说明

图1为基于LIN总线架构的A类车载网络示意图。

图2为基于CAN总线架构的车载B类网络示意图。

图3为基于CAN总线架构的车载C类网络示意图。

图4为基于MOST总线架构的车载D类网络示意图。

图5为针对图1中A类车载网络中LIN总线架构的ZIGBEE星型无线网络示意图。

图6为针对图2中B类车载网络中CAN总线架构的ZIGBEE分布式多跳无线网络示意图。

图7为针对图4中D类车载网络中MOST总线架构的WIFI分布式多跳无线网络示意图。

具体实施方式

本发明优选实施例，结合附图详述如下：

实施例一

参见图1～图7，本车载有线网络到无线网络的接口设计方法，其特征在于：针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，分别设计车载内部无线网络的单跳/多跳、集中式/分布式多制式无线网络升级方案；基于车载网络中A类低速网络、B类中速网络和D类高速网络对传输速率要求的不同和有线网络架构的特点，设计融合ZigBee和WiFi无线通信技术的无线升级方案，实现车载网络中的非车辆行驶安全类应用模块的无线互联互通；

具体操作步骤如下：

(8)针对A类网络数据传输速率低、通信频率低、基于LIN总线单主/多从的集中式组网特点，设计基于ZigBee的星型集中式无线组网方案；

(9)针对B类中速网络的CAN总线组网特点，设计基于ZigBee的分布式网状结构组网方案；

(10)针对D类高速网络的高速数据传输速率和基于MOST总线架构的组网特点，设计了基于高数据传输速率的WiFi组建分布式网状结构组网方案。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述组网方案的通信操作步骤如下：

所述步骤(1)中的基于ZIGBEE星型架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤1-1：电控单元首先通过总线仲裁获得CAN总线的使用权；

步骤1-2：通过CAN-LIN网关将CAN协议数据转化为LIN协议数据；

步骤1-3：ZIGBBE通过串口将LIN协议数据无线透传到另一个ZIGBEE节点；

步骤1-4：驱动相应执行器工作；

所述步骤(2)中的基于ZIGBEE分布式多跳架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤2-1：通过CAN-串口网关将CAN协议数据转换为串口数据；

步骤2-2：串口数据通过ZIGBEE多跳网络进行路由选择；

步骤2-3：串口数据路由到目的节点后驱动执行器工作；

所述步骤(3)中的基于WIFI的分布式网状架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤3-1：仪表组控制按键按下，生成一个MOST协议控制帧；

步骤3-2：该控制帧通过无线AP接口发送到指定控制模块；

步骤3-3：激活该控制模块并驱动该模块进行工作。

实施例三

针对不同模块通信要求进行不同的通信技术优化选择，实行结合集中式星型网、分布式网状网的两种网络结构融合的方式进行从有线网络到无线的升级。

车载A类、B类网络基于ZigBee的无线组网：

车载网络中的A类网络是面向传感器执行器控制的低速网络，数据传输速率通常只有1～10kbit/s，且对实时性要求不高。B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率一般为l0～l00kbit/s。针对车载网络中的A类和B类网络，由于数据的传输速率一般都在100kbit/s以内，而ZigBee通信技术的传输速率可达250kbit/s，不仅具有低成本、低功耗，时延短等特点，还能实现双向通信和自组织网能力，所以可以满足A类和B类网络的速率及应用需求，因此可采用ZigBee通信技术对A类和B类网络中的有线连接进行无线升级。

基于A类网络的连接特征，采用集中式星型网络结构，利用单跳集中式的方式进行网络组网，每个无线模块节点可直接与协调器节点进行数据传输，实现一对多的网络拓扑结构。多个传感器节点通过自组织方式进行组网，各节点进行数据的采集与传输，传感器节点采集的数据向主机节点进行传输，最后由主机节点传输至数据管理中心进行处理、存储。车载A类网的集中式无线星型网络组网架构如图5所示。

车载B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，基于各个模块间的数据共享连接特征，采用分布式网状网络拓扑结构进行组网，实现更加灵活易扩展的网络拓扑结构。该网络结构不仅可通过路由节点之间的直接通信，实现更加高效的信息通讯，而且可基于“多跳”的通信方式，实现网络架构的扩展升级。同时网状网络架构还具备自组织、自愈功能，提高了无线网络的可靠性。针对B类车载网络的分布式网状网络组网架构如图6所示。

车载D类网络基于WiFi的无线组网：

D类网络主要是面向信息、多媒体系统的网络，通信速率在1Mb/s以上，因此采用基于WiFi的无线通信技术对有线连接进行无线升级。基于D类网络MOST总线环型连接特征，采用分布式网状无线网络架构的组网方式，如图7所示。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

本车内有线网络到无线网络的设计方法，具体设计如下：

如图5所示，为基于ZIGBEE星型架构的无线网络，图中ZIGBEE模块为从有线的LIN数据到无线的ZIGBEE数据的网关模块，起到有线-无线网关模块的作用。假设空调电控单元通过总线仲裁获得了CAN总线的使用权，并且通过CAN收发器接收到从CAN总线上面传下来的数据，这里可以假设该数据是一个包含控制信息的数据包，CAN收发器接收到的是一满足CAN协议格式的数据包，该数据包通过空调电控单元被转换为LIN协议格式的数据，这里空调电控单元其实充当了CAN-LIN网关的角色，LIN协议格式的数据又由空调电控单元的LIN收发器继续向下发送到各个从机节点，之后通过ZIGBEE的串口可以实现对LIN协议数据的接收，然后再通过ZIGBEE无线链路发送到终端节点，驱动相应终端执行器工作，比如风机的转动，加热器的打开等操作。反过来，终端的传感器也可以将对应的传感器数据发送到空调电控单元，再由空调电控单元经B类网络将传感器数发送到中央控制中心，中央控制中心对传感器进行存储、处理等操作。

如图6所示，为基于ZIGBEE分布式多跳架构的无线网络。假设中央控制中心即仪表组控制单元的某一个处于B类网络中的主机对应的功能按键被按下，这里可以假设按下的是空调模块的一个功能，比如打开空调的主加热器，此时中央控制中心发出一个满足CAN协议格式的数据包，该数据包先通过CAN收发器将CAN协议格式的数据从中央控制中心发出去，经过一个CAN-串口网关模块，该网关模块可以将CAN协议的数据转换成为串口数据，这里将CAN协议格式的数据转换为串口数据主要是为了该数据能被ZIGBEE串口接收，由于这里没有了CAN总线的概念，因此也不会存在总线仲裁的问题，因此该串口数据由ZIGBEE的串口模块接收之后，可以通过ZIGBEE模块实现对接收到的帧数据的格式进行一定的修改，可以删除原本帧中的仲裁字段部分，取而代之可以加入目的主机的地址等信息以实现路由的功能，经过一定的路由到达与空调电控单元相连的ZIGBEE端的数据包，再通过CAN-串口将串口数据转换为CAN协议格式的数据，该数据包被CAN收发器发送给空调电控单元的CAN收发器，随后执行的过程就是上述(11)中提到的过程。

如图7所示，为基于WIFI的分布式网状架构的无线网络，在中央网关模块即仪表组控制单元及处于MOST网络上的各主机的MOST网络接口控制器上接上一个无线AP，普通的无线路由器即可，各主机结点在通过无线AP进行环状连接的同时也与中央网关模块通过无线AP进行连接，整体上形成一个网状的分布式多跳的网络架构。比如我们使用语音控制功能来打开导航系统，首先我们按下了仪表组控制单元的语音控制功能按钮，控制单元生成一个带有打开语音控制功能的控制命令，并且通过MOST网络接口控制器生成一个满足MOST协议格式的控制帧，该控制帧通过无线AP接口发送到语音控制模块，语音控制模块接收到该控制帧后激活语音控制功能，此时车内人员说出“打开导航功能”这句话后，语音控制模块识别这句话的内容之后，生成一个打开导航系统的控制帧，并且通过无线AP路由到导航系统模块，导航系统模块接收到该控制帧后打开导航系统，并且将导航数据通过上述同样的方式发送到显示器进行导航信息的显示。

从上述说明可以看出，本发明本着向前兼容的方式提出了一种对车内有线网络到无线网络的升级方案，这种升级方式的初衷是尽最大可能地实现对车内原本网络的复用，对于车内的原有的硬件都尽量不去做改动，而只是在原本的硬件基础上拓展出无线接口，从而实现从有线网络到无线网络的升级。

Claims (2)

1.一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法，其特征在于：针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，分别设计车载内部无线网络的单跳/多跳、集中式/分布式多制式无线网络升级方案；基于车载网络中A类低速网络、B类中速网络和D类高速网络对传输速率要求的不同和有线网络架构的特点，设计融合ZigBee和WiFi无线通信技术的无线升级方案，实现车载网络中的非车辆行驶安全类应用模块的无线互联互通；

具体操作步骤如下：

(1)针对A类网络数据传输速率低、通信频率低、基于LIN总线单主且多从的集中式组网特点，设计基于ZigBee的星型集中式无线组网方案；

(2)针对B类中速网络的CAN总线组网特点，设计基于ZigBee的分布式网状结构组网方案；

(3)针对D类高速网络的高速数据传输速率和基于MOST总线架构的组网特点，设计了基于高数据传输速率的WiFi组建分布式网状结构组网方案。

2.根据利用权利要求1所述的车载有线网络到无线网络的接口设计方法，其特征在于：所述组网方案的通信操作步骤如下：

所述步骤(1)中的基于ZIGBEE星型架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤1-1：电控单元首先通过总线仲裁获得CAN总线的使用权；

步骤1-2：通过CAN-LIN网关将CAN协议数据转化为LIN协议数据；

步骤1-3：ZIGBBE通过串口将LIN协议数据无线透传到另一个ZIGBEE节点；

步骤1-4：驱动相应执行器工作；

所述步骤(2)中的基于ZIGBEE分布式多跳架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤2-1：通过CAN-串口网关将CAN协议数据转换为串口数据；

步骤2-2：串口数据通过ZIGBEE多跳网络进行路由选择；

步骤2-3：串口数据路由到目的节点后驱动执行器工作；

所述步骤(3)中的基于WIFI的分布式网状架构的无线网络的通信操作步骤为：

步骤3-1：仪表组控制按键按下，生成一个MOST协议控制帧；

步骤3-2：该控制帧通过无线AP接口发送到指定控制模块；

步骤3-3：激活该控制模块并驱动该模块进行工作。

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