CN201238315Y - 一种支持整车多总线架构整合的网关装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种车用网关装置，该车用网关装置包括信号转换单元以及与所述信号转换单元通讯连接的至少两个控制模块，所述控制模块与车辆通讯总线连接，并接收总线上的信号，所述信号转换单元对所述控制模块接收到的信号进行转换处理，并将经过转换的信号发送至与目标总线连接的控制模块，所述与目标总线连接的控制模块以源节点的身份将所述经过转换的信号发送至目标总线。本实用新型的网关装置可以有效整合整车电气架构，不需要整车通讯系统进行整体设计，避免其他功能模块的软硬件更改或者大大减少相关更改，有助于显著节省开发费用和缩短整车开发时间。

Description

一种支持整车多总线架构整合的网关装置

技术领域

本实用新型涉及一种网关装置，尤其涉及一种对汽车的多总线信息进行转换交互的网关装置。

背景技术

在现代汽车的动力总成、底盘及车身控制中，总线已应用非常广泛，而且整车中通常有不止一种总线。为了实现各个总线之间的信息交互，车身控制模块(BCM)在设计初始往往在总线拓扑中担当了网关的功能，最典型的应用便是BCM集成了高速控制器局域网络(Controller AreaNetwork，CAN)、中速CAN和低速CAN的网关功能。然而，在这种应用的车型中，对于每个通讯总线而言，定义其总线节点和报文的数据库是确定的，而每个总线节点的软件是根据该数据库进行设计的，所以整车总线架构是固定的，难以更改。而且，此类BCM只能以自己BCM的身份进行总线消息的收发，而并非是以某个总线节点的身份收发消息。在这种情况下，如果整车想将动力总成系统升级到采用新协议的总线，必然会影响到原来与动力总成系统处在同一总线上其他模块的软件，例如防抱死模块。

此外，实用新型专利200620029071.5提及的车身控制器同时具有网关功能，能够根据信号携带的目标地址信息将其传输给相应的模块。可见，其功能实际上是受网络信息发送方驱动的，仅能根据原报文目标地址把信息传递给指定的目标节点。于是，每个节点能通过网关收到的信息取决于信息的发送方，这就导致信息的接收方对发送方的依赖性较强。虽然可以在现有总线节点中指定期望接收信息的总线节点，但是新增加的总线节点对总线信息的需求却无法得到满足，这导致无法通过增加网络节点进行功能扩展，即整车网络的开放性不好，柔性差。如果升级某个整车功能要增加总线节点，因为该车身控制器及其他总线节点不支持该新增节点，势必要更改整车多个模块的软件，开发时间和开发成本必然大大增加。

此外，在开发新车型的通讯总线系统时，如果能够将来自不同车型的各种总线系统(或者其中的部分节点)集中到一起，简单地“搭接”起来，并且保持各个总线或其中部分节点原来的电气特性以及功能，必将极大地简化整车电机架构的设计周期和开发成本，而且可以有效地利用既有的工作成果，并且有利于保持产品风格以及优良性能的延续性。

由此可见，实有必要设计一种能够有效整合整车电气架构的网关装置，使得在对整车总线系统进行升级时不需要对整车通讯系统进行整体设计，并且可以避免对其他功能模块的软、硬件进行大幅度的更改。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种能够整合整车多总线架构的网关装置。该网关装置把原本分布在不同车型中、完成不同功能、带有不同总线的系统有效整合到同一辆车中，完成整车所需的动力总成、底盘控制、车身控制和娱乐系统等的完整功能，实现整车总线的柔性移植和全新架构。

为此，本实用新型提出了一种支持整车多总线架构整合的车用网关装置，该车用网关装置包括信号转换单元以及与所述信号转换单元通讯连接的至少两个控制模块，所述控制模块与车辆通讯总线连接，并接收总线上的信号，所述信号转换单元对所述控制模块接收到的信号进行转换处理，并将经过转换的信号发送至与目标总线连接的控制模块，所述与目标总线连接的控制模块以源节点的身份将所述经过转换的信号发送至目标总线。

优选地，所述源节点是提供信号的节点，或者所述源节点是根据信号接收节点的通讯监测需求而被仿真的节点。

优选地，所述控制模块包括至少一个节点模拟器，所述节点模拟器在目标总线上仿真源节点的总线信息收发功能、逻辑运算功能以及电气特性。

优选地，所述控制模块包括CAN总线收发模块、SAE J1850总线收发模块、LIN总线收发模块、FLEXRAY总线收发模块以及MOST总线收发模块中的至少一种。

优选地，所述控制模块还包括离散输入读取模块和离散输出驱动模块。

优选地，所述信号转换单元为微处理器。

本实用新型的网关装置是受信息接收方驱动的，它能从两个方面满足信息接收方的需求，一是作为整车通讯中枢连接多个总线，实现信息的获取并根据接收方的需求进行信息发送，不受地址信息的限制；二是通过仿真部分网络节点满足接收方对网络通讯监测的需求，这一点在移植某个总线上部分节点时非常必要。因此，在升级到新车型的研发中引入本实用新型的网关装置可以有效整合整车电气架构，不需要整车通讯系统进行整体设计，避免其他功能模块的软硬件更改或者大大减少相关更改，有助于显著节省开发费用和缩短整车开发时间。

附图说明

图1是本实用新型的网关装置整合多个通讯总线形成整车通讯网络的示意图；

图2是本实用新型的网关装置的硬件架构示意图；

图3是本实用新型的网关装置进行多任务实时调度的工作流程图。

具体实施方式

下面结合优选实施例，对本实用新型的网关装置结构和功能的具体实现方式进行详细说明。然而，本实用新型并不局限于下面的示例性实施例，本领域技术人员完全可以在不脱离本实用新型构思的前提下对该网关装置的实施方式进行修改和变化。

如图1所示，在通过本实用新型的网关装置(以下简称网关)的优选实施例构建的整车通讯网络中，网关10连接了从不同车型移植过来的高速的CAN动力总成系统总线20，高速CAN助力转向系统总线30和SAE J1850车身及底盘系统总线40，其中防抱死控制模块(ABS)、发动机控制模块(ECM)、BCM以及多路开关信号通过多个PWM离散式输入输出端口(IO)与网关10连接。

进行通讯架构整合是本实用新型网关的主要功能。对于部分升级的整车开发，某个功能系统在从一个车型移植到另一个车型时，往往无法整体移植该功能系统的全部总线节点。例如，在移植动力总成系统(包含发动机控制模块ECM和变速箱控制模块TCM等)时，可能不需要移植同一总线中的ABS及BCM，这时该网络的节点是不完整的。ECM会监测其与ABS的通讯状态，但是它们在新车中不在一条总线上，这样ECM会因为监测不到ABS通讯，认为通讯失败而导致牵引力控制等功能失效并点亮相关报警灯。本网关装置通过在总线上“仿真”一个或多个节点，使网络上的其他节点认为总线是完整的，例如在上面的应用实例中，网关在动力总成总线上“仿真”ABS及BCM，使ECM认为ABS是存在的且工作正常的，从而保证牵引力控制等功能的有效运行。这里涉及的“仿真”指的是网关在总线上模拟源节点的所有功能，包括源节点总线信息的收发功能和逻辑运算功能以及电气特性。因此，本实用新型的网关中包括节点模拟器，其以被仿真节点的身份ID为信号源ID(即Souce ID)进行数据发送，并不是以BCM或者控制器的身份发送数据，从而使网络上其他节点认为被仿真的节点是存在的，且正常工作。本领域技术人员能够认识到，网关既可以“仿真”一个节点，也可以同时“仿真”多个节点，这取决于网络架构的需求；而且，网关也并不局限于仅仅“仿真”真正提供信号的节点，其也可以“仿真”其它节点来进行信号的发送，这取决于信号接收节点的通讯监测需求，例如，网关可能从仪表获取车外温度信号，但是仿真空调控制器发送出去。因此，从这个意义上讲，本申请中所称的源节点不仅仅是指提供信号的节点，还可以是根据信号接收节点的通讯监测需求而被“仿真”的特定节点。

在图1所示的整车网络拓扑图中，网关10整合了整车的多个通讯总线，并通过“仿真”节点形成完整网络。在本实施例中，网关与动力总成构建的高速CAN通讯总线的原型是动力总成与ABS及BCM构建的通讯总线，所以网关在该总线上“仿真”了ABS及BCM。网关与车身及底盘构建的SAE J1850总线的原型是ECM与车身及底盘构建的SAEJ1850总线，所以网关在该总线上“仿真”了ECM。网关与助力转向系统构建的高速CAN总线的原型是BCM与电动助力转向系统构建的高速总线，所以网关在该总线上“仿真”了BCM。通过前述的本网关的“仿真”特性，每个总线上都由虚拟节点充实而形成了一个完整的和原车型一致的网络，这样就保证每个网络上原有的功能节点可以按照原来的方式进行通讯。

本实用新型的网关通过连接多路总线成为网络通信中枢并“仿真”部分节点形成了整个网络后，进一步的目的是实现整车信息在网络中的准确高效传输，以满足每个节点对整车信息的需求。本实用新型的网关负责各种车辆工况信息在不同总线间的转换和分发工作，即“翻译”和“中继”工作。这些车辆工况信息来自于各个总线节点，这些节点间的通讯协议或者报文格式原本是相互不兼容的，因此无法直接对话，但是某节点或某个系统所需求的信息基本上都可以在网络上找到，例如，在上述优选实施例中SAE J1850总线上的车身及底盘系统需求的车速和档位等信息可以从动力总成的高速CAN总线得到，而高速CAN总线上的动力总成需求的制动踏板和轮速等信息可以从SAE J1850总线获得。

在本实施例中，网关10设置有信号转换单元，可以根据各个总线节点的需求，将各种车况信息收集后，根据目标总线的协议和报文格式进行转换，然后交给相应的节点模拟器以被仿真节点的身份发送到信息需求节点。这样，每个网络上功能节点的信息需求就得到了保证，从而保证了其功能的实现。

在整车通信系统中，需要经过网关转换的信号可以根据信号匹配情况分为如下四类。

A.信号在总线间匹配成功，不同总线速率的差异对该类信号转换基本没有影响，此类数据通常是离散的，系统对数据的连续性无要求，如上文描述的车速和档位信号。

B.信号在总线间匹配成功，但是其数据必须是连续变化的，高低不同的总线速率对信号转换提出了苛刻要求，例如高速CAN总线速率为500Kbps，而SAE J1850总线的速率为10.4Kbps，两者相差近50倍，如果处理不当，就可能导致在高速CAN总线上连续变化信息在转换到SAEJ1850总线时部分丢失，例如，发动机喷油量信息。

C.信号在总线间匹配不成功，但可以与PWM等离散式数字或模拟信号(简称硬线信号)匹配，或者是硬线信号到硬线信号的匹配。比如网关可能需要读取巡航开关信号并在转换后发送到高速CAN给ECM

D.没有匹配对象的信号，如轮胎气压。

本实用新型的网关装置针对以上四种情况分别给出了对应的解决方案，成功地解决所有节点对整车信息的需求问题。

a.从源总线收取信息后，立即根据目标总线要求的报文格式和总线协议发送出去。

b.设立数据缓冲区，把收到的高速总线喷油信息的增量在网关内部进行累加，再立即把缓冲的喷油量信息发送到目标总线。这样便实现了两条总线间喷油量信息基本同步递增并确保了无数据丢失。

c.增加网关对硬线信号的读取和输出支持，并同其他信号及时转换。

d.在明确该信息不是整车需要的动态信息后，如轮胎气压可能跟整车功能无关，可把该信号以默认值发送出去。

图2示出了本实用新型的网关装置的具体硬件架构。由图2可见，网关10以微处理器11为中心处理单元，通过周边的控制模块来实现同其他系统进行连接和通讯的目的，在本实施例中，控制模块包括CAN总线收发模块12和13、SAE J1850总线收发模块14、数字信号或电压等模拟信号输入的离散输入读取模块15以及具备数字信号或模拟信号驱动能力的离散输出驱动模块16。以上模块分别针对不同类型的总线，按照相应的总线协议及信号特性，实现总线上数据信号的接收和发送。本领域技术人员应该了解，控制模块并不限于上述的特定类型，还可以包括适用于本领域公知的总线类型的LIN总线收发模块、FLEXRAY总线收模块及MOST总线收发模块等。实际上，只要知道了总线所遵循的协议及其信号的特性，本实用新型的网关装置可以包括任何类型的总线收发模块。

如图2所示，CAN总线收发模块12连接动力总成系统的高速CAN总线，CAN总线收发模块13连接助力转向系统的高速CAN总线，SAEJ1850总线收发模块14连接车身及底盘系统的SAE J1850总线，离散输入读取模块15连接数字/模拟开关信号的提供设备，离散输出驱动模块16则连接需要数字/模拟开关信号的设备，例如ABS中的牵引力控制器以及LED报警指示。

微处理器11负责采集接收并缓存经过总线收发模块和硬线模块输入的多路信号，对已接收的信号进行逻辑运算转换成需要发送的信号，并控制总线收发模块和硬线模块按照相应的机制发送转换后的信号，从而完成信号转换实现网关的信息交互功能。

CAN总线收发模块12和13由CAN控制器、CAN收发器及滤波等处理电路组成，同CAN总线连接，负责按照CAN总线协议进行报文的过滤接收，在接收到完整总线数据帧后通知微处理器11把数据取走，并负责从微处理器11接受CAN报文发送任务，按照CAN协议要求利用其中的节点模拟器(在本实施例中为CAN总线收发模块12中的ABS模拟器、BCM模拟器以及CAN总线收发模块13中的车身控制模块模拟器)把报文发送到CAN总线上。

J1850总线收发模块14由J1850控制器、J1850收发器及处理电路组成，同J1850总线连接，负责按照J1850总线协议进行报文的接收及确认报文的有效性，在数据接收到后通知微处理器11把数据取走。并负责从微处理器11接受J1850数据发送任务，按照J1850协议要求利用其中的节点模拟器(在本实施例中为J1850总线收发模块14中的发动机控制模块模拟器)把报文发送到J1850总线上。

离散输入读取模块15对硬线信号进行隔离、滤波、调压等处理，处理后的信号被输入到微处理器11，分别进行数字信号ON/OFF状态、PWM周期和占空比以及模拟信号电压的采样工作。

离散输出驱动模块16在微处理器11的控制下，按照其他模块对信号的要求输出对应的硬线信号。

网关的引入解决了整车信息的转换和分发问题，但是数据的转换和分发必然会导致信息传递的延时。本实用新型的网关装置软件通过实时操作系统(RTOS)对多个总线收发和数据转换等任务进行高效系统调度。实时操作系统可以实现多个任务实时高速“并行”运行，确保了信息转换的延时很小，显著降低系统延时。

图3示出了本实用新型网关装置的优选实施例采用的RTOS的工作流程图。

电源模式管理任务负责接收和监测整车电压和电源状态，将整车电源状态信息发送给动力总成系统和助力转向系统，并根据电源状态控制网关当前的工作模式。根据监测到的整车电压，网关会在电压过高或者电压过低时进行系统保护。在休眠条件满足时，系统会进入休眠以降低整车静态电流，在被外界触发唤醒后进入系统复位。

网络管理任务负责整个网络的通讯管理，如包括网络唤醒其他总线节点并监测总线通讯状态，侦测网络是否出现断路、短路等异常情况。同时网络管理任务还负责监测与多个网络节点的通讯情况，在出现异常情况下记录故障，把通讯故障通知其他的总线，并采用恢复默认值等手段减少可能出现的负面影响。例如，本实用新型的网关装置在发现与车身控制模块通讯丢失、不能获得制动踏板工况的情况下，会立即通知发动机控制模块退出并禁用巡航模式，以免车辆发生危险。

诊断任务负责在总线或者硬线通讯发生故障或者系统自身出现校验和等故障时记录故障，并提供对诊断设备的接口服务，支持各种故障状态的读取和软件在线刷新等诊断模式，便于整车开发和售后维修的故障排查。

高速CAN接收和发送任务负责CAN报文的收发工作。在网关接收到CAN报文时，微处理器会触发中断以通知软件收取数据，接收任务对收到的数据进行过滤，根据总线数据格式分解成多个信号并进行缓存，然后由其他任务对收取的信号进行进一步的数据处理。CAN发送任务负责更新和检查总线报文是否满足发送条件，将需发送报文的数据传递给CAN的控制模块，并触发报文发送。

J1850接收和发送任务负责SAE J1850报文的收发工作。在网关接收到J1850数据时，触发中断并由软件对接收到的数据进行组合生成报文并进行过滤，对感兴趣的报文数据进行缓存并分解成信号，然后由其他任务进行进一步的数据处理。J1850发送任务负责更新和查询报文是否满足发送条件，将需发送报文按照J1850协议控制模块进行报文发送，在监测到报文发送失败的情况下进行报文重发。

硬线信号读取和输出任务负责对多个离散式IO端口或模拟信号等进行输入输出控制，读取任务对输入信号进行过滤及防抖等处理，将处理结果进行缓存；输出任务读取输出信号的目标值并控制微处理器及时更新输出状态，然后由硬线输出驱动电路将信号输出到目标模块。

数据转换任务可以读取各路总线及硬线输入的信号，在收取到某个报文的新数据时，根据前文所述的A、B、C、D四类信号的转换方法对报文中的信号进行处理、将其转换成目标信号格式并把数据存储到目标总线或硬线信号的缓存区，进一步由各个总线或者硬线的发送任务将信号发送出去。

尽管本实用新型是通过上述优选实施例进行描述的，但并不局限于上述的具体实施方式。在不脱离本实用新型构思的情况下，本领域技术人员可以对其具体实现形式进行修改和变化。

Claims (7)

1.一种车用网关装置，其特征在于，所述车用网关装置包括信号转换单元以及与所述信号转换单元通讯连接的至少两个控制模块，

所述控制模块与车辆通讯总线连接，并接收总线上的信号，

所述信号转换单元对所述控制模块接收到的信号进行转换处理，并将经过转换的信号发送至与目标总线连接的控制模块，

所述与目标总线连接的控制模块以源节点的身份将所述经过转换的信号发送至目标总线。

2.根据权利要求1所述的车用网关装置，其特征在于，所述源节点是提供信号的节点。

3.根据权利要求1所述的车用网关装置，其特征在于，所述源节点是根据信号接收节点的通讯监测需求而被仿真的节点。

4.根据权利要求2或3所述的车用网关装置，其特征在于，所述控制模块包括至少一个节点模拟器，所述节点模拟器在目标总线上仿真源节点的总线信息收发功能、逻辑运算功能以及电气特性。

5.根据权利要求4所述的车用网关装置，其特征在于，所述控制模块为CAN总线收发模块、SAE J1850总线收发模块、LIN总线收发模块、FLEXRAY总线收发模块以及MOST总线收发模块中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的车用网关装置，其特征在于，所述控制模块还包括离散输入读取模块和离散输出驱动模块。

7.根据权利要求6所述的车用网关装置，其特征在于，所述信号转换单元为微处理器。

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