CN114326503A - 一种车载io网关控制器及通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种车载IO网关控制器及通讯方法，控制器包括电源模块、CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块，电源模块与CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块电连接，CAN收发器模块、以太网收发器模块和串行总线模块均与控制器模块电连接；控制器模块为MPC5748G微控制器。本发明采用车规级芯片MPC5748G，通过多个车载IO网关控制器的配合使用，可实现车辆分区域、多ECU单元的控制；车载IO网关控制器采用车载以太网技术，满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求；同时实现以太网技术与CAN技术地融合。

Description

一种车载IO网关控制器及通讯方法

技术领域

本发明涉及汽车通信技术领域，具体是涉及一种车载IO网关控制器及通讯方法。

背景技术

汽车电子电气架构距今最近的一次真正变革出现在1983年，博世(Bosch)集团推出了CAN(控制器局域网)协议，首款采用CAN总线的车型为1986款BMW860轿跑，自此CAN总线一直在汽车的电子电气架构中发挥重要作用。当前汽车的电子电气架构基本沿用分布式控制的架构，车辆的各个关键部件或区域都是由大量专用控制器进行控制，如发动机控制器(ECU)、电机控制器(MCU)、车身控制器(BCM)等，这些专用控制器之间通过若干条总线进行通讯，总线间由整车控制器进行信号或通讯报文的协调与控制。

但随着自动驾驶、新能源和智能网联技术在汽车领域的应用发展，大容量数据交互的频繁且交互的实时性与安全性要求更高、更严格，而传统基于CAN/LIN总线的低带宽分布式电子电气架构已难满足这些实际需求，随着芯片处理能力的提升和以太网技术在汽车上的快速发展，传统的分布式电子电气架构已经逐步向新一代汽车电子电气架构发展。

现有技术的新一代电子电气架构一般是基于功能域来划分的，按整车的功能特性划分为几个功能域，如动力控制域、车身控制域、底盘控制域、影音娱乐域和辅助驾驶域(ADAS域控)等，每个功能域的执行器和传感器通过CAN总线连接到该域对应的车载IO网关控制器中，在多域控制器单元中引入一款“可承担重负荷的”中央网关控制器，负责各个子系统间的协调与决策任务，其结构图如图1所示。

随着自动驾驶、新能源和智能网联技术在汽车领域的高速发展，车载智能传感器和处理器的数量成倍数地增长，如引入影音娱乐系统和基于视频、雷达的高级驾驶辅助系统(ADAS)等，带来的大数据容量、数据可靠性和安全性问题日益突显，传统基于CAN/LIN总线的低带宽分布式电子电气架构难以满足未来汽车的实际需求。

未来完全实现以太网技术作为车辆数据通信网络，以取代传统CAN/LIN总线，仍有较长的路要走。一是以太网技术应用到车辆上尚不完全成熟，如面对车内复杂环境带来的电磁兼容问题、以太网传输实践延迟问题、网络的开放性带来的信息安全问题等；二是汽车零部件的更新换代问题，以传统汽车电子电气架构为基础的汽车产业链已发展成熟，产品设计、开发、诊断标准与生产制造流程已形成规制，整车电子电气架构的完全革新与汽车产业链的发展矛盾使得太网技术完全应用于汽车需要分时间分阶段进行；三是开发成本问题，车载以太网技术应用于汽车并作为车辆主干网络，较传统CAN/LIN总线会带来开发制造成本的大幅提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术随着自动驾驶、新能源和智能网联技术在汽车领域的高速发展，车载智能传感器和处理器的数量成倍数地增长,传统基于CAN/LIN总线的低带宽分布式电子电气架构难以满足未来汽车的实际需求的不足，提供一种车载IO网关控制器及通讯方法。

本发明提供了一种车载IO网关控制器，包括电源模块、CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块，所述电源模块与CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块电连接，所述CAN收发器模块、所述以太网收发器模块和所述串行总线模块均与控制器模块电连接。

根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述控制器模块为MPC5748G微控制器。

根据第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述CAN收发器模块数量为8个，8个所述CAN收发器模块的引脚分别为(PB0\PB1)、(PC10\PC11)、(PF8\PF9)、(PE8\PE9)、(PC2\PC3)、(PE1\PE0)、(PC10\PC11)、(PF0\PB10)、(PG2\PG3)。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述以太网收发器模块采用TJA1100芯片。

根据第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述以太网收发器模块内设有PHY芯片。

根据第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述串行总线模块采用MAX3232芯片。

第二方面，本发明提供一种应用于如上所述的车载IO网关控制器中的通讯方法，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的网络通信配置；

建立中央网关和域控制器单元间的数据通信。

根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，

所述“建立车载IO网关控制器的网络通信配置”步骤，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的IP源地址配置、IP目标地址配置、MAC源地址配置、MAC目标地址配置和网络端口号配置。

根据第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述“建立中央网关和域控制器单元间的数据通信”步骤，具体包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器和中央网关控制器之间的车载以太网通信方式，车载IO网关控制器用于接收中央网关控制器的UDP数据包并转换成CAN格式报文进行数据存储，由核间通信技术发送至指定域控制器单元的CAN所在运行内核；

车载IO网关控制器还用于通过CAN接收指定域控制器单元的CAN报文进行数据存储，并数据汇总到以太网所在运行内核，依据应用层协议将存储的数据打包成UDP数据包，由定时器进行UDP数据包发送至中央网关控制器。

根据第二方面的第二种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述UDP数据包的通信协议由包头、CAN报文数据、CAN报文以及校验位组成，所述CAN报文由CAN端口号、发送周期、CAN ID号、数据长度和CAN数据组成。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提供的车载IO网关控制器，采用车规级芯片MPC5748G，拥有3个内核、两路以太网与8路CAN总线，通过多个车载IO网关控制器的配合使用，可实现车辆分区域、多ECU单元的控制；

车载IO网关控制器采用车载以太网技术，与传统以太网使用4对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s，甚至1Gbit/s的传输速率，同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求；

同时实现以太网技术与CAN技术的融合。

附图说明

图1为现有技术中中央网关控制器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的车载IO网关控制器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的车载IO网关控制器中的高速CAN收发器模块的电路原理图；

图4是本发明实施例提供的车载IO网关控制器中的车载以太网PHY收发器模块的电路原理图；

图5是本发明实施例提供的车载IO网关控制器和中央网关控制器以及域控制器单元的通讯示意图；

图6是本发明实施例提供的UDP数据包协议示意图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。

请参考图2所示，本发明提供了一种车载IO网关控制器，应用于汽车电子电气架构中，包括电源模块、CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块，所述电源模块与CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块电连接，所述电源模块输入为12V直流电压，输出为5V电压和3.3V电压，分别供CAN收发器模块使用和以太网收发器使用，所述CAN收发器模块、所述以太网收发器模块和所述串行总线模块均与所述控制器模块电连接，所述控制器模块为MPC5748G微控制器。

在一实施例中，所述CAN收发器模块为高速CAN收发器模块，所述以太网收发器模块为车载以太网PHY收发器模块。

本发明提供的车载IO网关控制器，采用车规级芯片MPC5748G，拥有3个内核、两路以太网与8路CAN总线，通过多个车载IO网关控制器的配合使用，可实现车辆分区域、多ECU单元的控制；

本发明提供的车载IO网关控制器，集成设置有CAN收发器模块和以太网收发器模块，以太网收发器模块用于与车辆的中央网关控制连接，实现以太网作为电子电气架构的主要的通信网络，同时可以将CAN总线保留在电子电气架构的子网中，既可以满足车辆高带宽、强实时与高可靠性的通信需求，同时保留了CAN总线强实时性、传输距离较远、抗电磁干扰能力强和成本低的优点；

车载IO网关控制器采用车载以太网技术，与传统以太网使用4对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s，甚至1Gbit/s的传输速率，同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求；

以太网的灵活性和可扩展的带宽，使得车辆远程信息处理、多媒体娱乐系统、基于IP的Web应用程序与车载网络的接口过渡变得平滑，车辆与外部世界的通信交互能力更强。

在一实施例中，所述以太网收发器模块用于与车辆内的中央网关控制通过以太网通信连接，形成车辆的主干网络，减少有线通信线束的使用，可极大地节约汽车的通信线束成本。

在一实施例中，所述CAN收发器模块用于与汽车内部的ECU单元通过CAN总线电连接，汽车内部的每个ECU单元，包括油门、刹车、转向、轮胎等相关的ECU单元的数据均可以通过与CAN收发器模块电连接的方式，接入到网络数据中，云中心、大数据服务可快速全方位地应用到汽车，并可通过OTA(Over-The-Air technology空中下载技术)快速升级车辆的每一部分。

在一实施例中，所述CAN收发器模块数量为8个，采用的芯片为MC33901WEF芯片。8个所述CAN收发器模块对应MPC5748G芯片的CAN_H和CAN_L引脚分别为(PB0\PB1)、(PC10\PC11)、(PF8\PF9)、(PE8\PE9)、(PC2\PC3)、(PE1\PE0)、(PC10\PC11)、(PF0\PB10)、(PG2\PG3)，其原理图如图3所示。

在一实施例中，两路以太网收发器模块均采用TJA1100芯片，TJA1100符合IEEE100BASE-T1标准，支持100Mbit/s的传输，非屏蔽双绞线(UTP)接收能力达15米以上，TJA1100可实现最低的系统成本，同时满足新一代电子控制单元(ECU)和辅助驾驶系统(ADAS)传感器对面积和散热方面的严格限制，其设计原理图如图4所示。

在一实施例中，所述以太网收发器模块内设有PHY芯片。

在一实施例中，所述串行总线模块采用MAX3232芯片，可在软件开发阶段进行辅助调试，并可实现软件的在线升级功能。

在一实施例中，所述IO网关控制还包括其他外围电路，例如晶振电路、复位电路、状态显示电路等。

基于同一发明构思，本发明提供一种应用如上所述的车载IO网关控制器于汽车电子电气架构中的通讯方法，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的网络通信配置；

建立中央网关和域控制器单元间的数据通信，以实现中央网关控制器和域控制器单元之间的信息或数据交互通信功能。

在一实施例中，所述“建立车载IO网关控制器的网络通信配置”步骤，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的IP源地址配置、IP目标地址配置、MAC源地址配置、MAC目标地址配置和网络端口号配置，其配置方法如表1所示。

表1车载IO网关控制器网络配置

在一实施例中，请参考图5，所述“建立中央网关和域控制器单元间的数据通信”步骤，具体包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器和中央网关控制器之间的车载以太网通信方式，通信速率为100Mbit/s，车载IO网关控制器在接收中央网关控制器的UDP数据包后，通过车载IO网关控制器的应用层协议进行数据解析，转换成CAN格式报文，并进行数据存储，再通过CAN核间通信技术将存储的的数据发送至指定域控制器单元所在运行内核，完成中央网关控制器向指定域控制器单元的数据发送，其中，CAN报文采用透传的方式发送至指定域控制器单元的CAN所在运行内核。

车载IO网关控制器通过CAN接收终端指定域控制器单元的CAN报文，并进行数据存储，通过核间通信技术将数据汇总到以太网所在运行内核，依据车载IO网关控制器的IP协议、UDP协议和应用层协议将存储的数据打包成UDP数据包，由定时器将打包完成的UDP数据包发送至中央网关控制器，完成域控制器单元向中央网关控制器的数据发送。

在一实施例中，如图6所示，所述UDP数据包的通信协议由包头、CAN报文数据、CAN报文以及校验位组成，其中CAN报文数量为多个，为CAN报文1、CAN报文2、CAN报文3…CAN报文n，所述CAN报文由CAN端口号、发送周期、CAN ID号、数据长度和CAN数据组成，所述CAN端口号和MPC5748G微处理器的8路CAN接口一一对应。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的所有方法步骤或部分方法步骤。

本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上储存有在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法中的所有方法步骤或部分方法步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(例如声音播放功能、图像播放功能等)；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(例如音频数据、视频数据等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、服务器和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种车载IO网关控制器，其特征在于，应用于汽车电子电气架构中，包括：

电源模块、CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块，所述电源模块与CAN收发器模块、以太网收发器模块、控制器模块和串行总线模块电连接，所述CAN收发器模块、所述以太网收发器模块和所述串行总线模块均与控制器模块电连接；

其中，所述控制器模块为MPC5748G微控制器，所述CAN收发器模块用于与车辆内的各ECU连接，所述以太网收发器模块用于与车辆内的中央网关控制器连接。

2.如权利要求1所述的车载IO网关控制器，其特征在于，所述CAN收发器模块数量为8个，8个所述CAN收发器模块的引脚分别为(PB0\PB1)、(PC10\PC11)、(PF8\PF9)、(PE8\PE9)、(PC2\PC3)、(PE1\PE0)、(PC10\PC11)、(PF0\PB10)、(PG2\PG3)。

3.如权利要求1所述的车载IO网关控制器，其特征在于，所述以太网收发器模块采用TJA1100芯片。

4.如权利要求3所述的车载IO网关控制器，其特征在于，所述以太网收发器模块内设有PHY芯片。

5.如权利要求1所述的车载IO网关控制器，其特征在于，所述串行总线模块采用MAX3232芯片。

6.一种应用如权利要求1-5任一项所述的车载IO网关控制器的通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的网络通信配置；

建立中央网关和域控制器单元间的数据通信。

7.如权利要求6所述的通讯方法，其特征在于，所述“建立车载IO网关控制器的网络通信配置”步骤，包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器的IP源地址配置、IP目标地址配置、MAC源地址配置、MAC目标地址配置和网络端口号配置。

8.如权利要求6所述的通讯方法，其特征在于，所述“建立中央网关和域控制器单元间的数据通信”步骤，具体包括以下步骤：

建立车载IO网关控制器和中央网关控制器之间的车载以太网通信方式，车载IO网关控制器用于接收中央网关控制器的UDP数据包并转换成CAN格式报文进行数据存储，由核间通信技术发送至指定域控制器单元的CAN所在运行内核；

车载IO网关控制器还用于通过CAN接收指定域控制器单元的CAN报文进行数据存储，并数据汇总到以太网所在运行内核，依据应用层协议将存储的数据打包成UDP数据包，由定时器进行UDP数据包发送至中央网关控制器。

9.如权利要求8所述的通讯方法，其特征在于，所述UDP数据包的通信协议由包头、CAN报文数据、CAN报文以及校验位组成，所述CAN报文由CAN端口号、发送周期、CAN ID号、数据长度和CAN数据组成。

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