JP6500123B2 - 車載ゲートウェイ装置、及び車載ネットワークシステム - Google Patents

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Description

本発明は、車載ネットワークに関するものである。
近年の車両には、複数の電子制御装置(Electronic Control Unit:ECU)が搭載されている。ECUは、車両内の様々な場所に設置されている。これら複数のECUは、各々が協調して1つの車載アプリケーションを実現する。そのためには、各ECU間でのデータ通信が必要であり、その手段として各ECUは通信線で接続され、車載ネットワークを構成している。
ECUは車両内の様々な場所に設置されているので、その設置場所毎に車載ネットワークが構成される。さらに、各車載ネットワーク間の通信を中継するための車載ゲートウェイ装置が配置され、各車載ネットワークに接続されたECUは車載ゲートウェイを介して通信することができる。
車載ネットワーク上における通信プロトコルとして、現在では主にCAN(Control Area Network)が広く利用されている。一方で近年では、自動運転制御のような高度な協調制御システムの開発が進められている。このようなシステムにおいては、Ethernet(登録商標)に代表される高速な通信プロトコルを適用することが盛んに検討されている。
このような背景から、今後は従来のCANなどの通信プロトコルによって構成された車載ネットワークに対して、Ethernetを適用した車載ネットワークが新たに加わった構成が主流となってくることが予想される。したがって、異なる通信プロトコルを用いる車載ネットワーク間の通信を中継する車載ゲートウェイ装置においては、効率的な中継処理が求められる。
下記特許文献1〜2は、異なる通信プロトコルを用いるネットワーク間の通信を中継するための従来技術について記載している。
特開2008−294935号公報 特開2013−013083号公報
複数のECUが協調して車両を統合的に制御するシステムにおいては、各ECUができるだけ高速かつ同期して送信することが求められる。したがって車載ゲートウェイ装置の基本性能として、転送時間のレイテンシが低いことが要求される。しかしながら車載ゲートウェイ装置は一般に、転送先が競合した場合、最も優先度の高い通信フレームから順に転送するので、優先度の低い通信レームは転送時間のレイテンシが高くなってしまい、ECU間の協調制御に際して課題となる。この基本性能および課題は、CANからEthernetへ通信フレームを中継する場合においても同様である。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、車載ネットワークにおける転送レイテンシを低く抑えることができる中継技術を提供することを目的とする。
本発明に係る車載ゲートウェイ装置は、大サイズの第1通信フレームが有する第1データ部内に、小サイズの第2通信フレームが有する第2データ部を複数個集約することにより、前記第1通信フレームを生成し、生成した前記第1通信フレームを中継する。
本発明に係る車載ゲートウェイ装置によれば、転送先が競合した場合であっても、転送時間のレイテンシを低く抑えることができる。
実施形態1に係る車載ネットワークシステム1の構成図である。 車載ゲートウェイ装置2の構成を示す機能ブロック図である。 車載ゲートウェイ装置2がCANフレームをEthernetネットワークに対して転送する処理を説明するフローチャートである。 図3のフローチャートにおいてCANフレームをEthernetフレームへ格納する処理を説明する概念図である。 ECU4の構成を示す機能ブロック図である。 ECU4がEthernetフレームからCANメッセージを抽出する処理を説明するフローチャートである。 転送先が競合する複数のCANフレームを転送するために要する時間を説明するタイムチャートである。 ECU4を模擬したモニタ装置5をECU4に代えてEthernetネットワークに接続した車載ネットワークシステム1の構成例である。 車載ゲートウェイ装置2が備えるルーティングテーブル22の1例である。 車載ゲートウェイ装置2がCANフレームを転送する処理を説明するタイムチャートである。 図10に示すEthernetフレームをモニタ装置5が監視した結果を示す図である。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る車載ネットワークシステム1の構成図である。車載ネットワークシステム1は、車両が搭載するネットワークシステムであり、CANを用いて通信フレームを送受信する車載ネットワークとEthernetを用いて通信フレームを送受信する車載ネットワークによって構成されている。車載ゲートウェイ装置2は、これら車載ネットワーク間の通信を中継する装置である。ECU3は、CANネットワークに属する電子制御装置である。ECU4は、Ethernetネットワークに属する電子制御装置である。
図2は、車載ゲートウェイ装置2の構成を示す機能ブロック図である。車載ゲートウェイ装置2は、CAN物理インターフェース20、CAN受信バッファ21、ルーティングテーブル22、転送競合判定部23、転送データ生成部24、Ethernetフレーム生成部25、Ethernet送信バッファ26、Ethernet物理インターフェース27を備える。
CAN物理インターフェース20は、CANネットワークとの間の物理的なインターフェースである。CAN受信バッファ21は、CAN物理インターフェース20が受信したCANフレームを格納する、ルーティングテーブル22は、受信したCANフレームの転送先を定義するデータテーブルである。転送競合判定部23は、CAN受信バッファ21が格納しているCANフレームの転送先をルーティングテーブル22にしたがって決定するとともに、転送先が競合するCANフレームが存在するか否かを判定する。転送データ生成部24は、Ethernetネットワークに対して転送する通信フレームのデータ部(Payload部)を生成する。Ethernetフレーム生成部25は、転送データ生成部24が生成したデータ部を用いてEthernetフレームを生成する。Ethernet送信バッファ26は、EthernetフレームをEthernetネットワークに対して送出する前に一時的に格納するためのバッファである。Ethernet物理インターフェース27は、Ethernetネットワークとの間の物理的なインターフェースである。
図3は、車載ゲートウェイ装置2がCANフレームをEthernetネットワークに対して転送する処理を説明するフローチャートである。以下図3の各ステップについて説明する。
(図3:ステップS200〜S201)
車載ゲートウェイ装置2は、例えば周期的にまたは割り込み処理などを契機として、本フローチャートを開始する(S200)。転送競合判定部23は、CAN受信バッファ21から1つ以上のCANフレームを読み出す(S201)。
(図3:ステップS202)
転送競合判定部23は、ステップS201において読み出したCANフレームの転送先を、ルーティングテーブル22にしたがって決定する。転送競合判定部23は、転送先が競合するCANフレームがあるか否かを判定する。転送先が競合するとは、同一の車載ネットワークに対して転送すべき通信フレームが複数存在することである。図1のネットワーク構成においては、Ethernetネットワークに対して転送すべきCANフレームが複数存在する場合がこれに相当する。転送先が競合するCANフレームがある場合はステップS203へ進み、ない場合はステップS204へ進む、
(図3:ステップS203)
転送データ生成部24は、転送先が競合している各CANフレームのID部とData部を取り出して集約することにより、Ethernetネットワークに対して転送する通信フレームのデータ部を生成する。CANフレームのフレーム構成とEthernetフレームのフレーム構成については後述の図4で例示する。
(図3:ステップS204)
転送データ生成部24は、1つのCANフレームのID部とData部を取り出し、Ethernetネットワークに対して転送する通信フレームのデータ部を生成する。
(図3:ステップS205〜S206)
Ethernetフレーム生成部25は、ステップS203またはS204において生成されたデータ部(転送データ)の長さに基づき、Ethernetネットワークに対して送出するEthernetフレームのData長を決定する(S205)。Ethernetフレーム生成部25は、転送データをEthernetフレームのData部へ格納する(S206)。
(図3:ステップS207)
Ethernetフレーム生成部25は、Ethernetネットワークに対して送出するEthernetフレームを生成し、Ethernet送信バッファ26に格納して送信するよう設定する。Ethernet物理インターフェース27は、Ethernet送信バッファ26が格納しているEthernetフレームを送出する。
(図3:ステップS208)
車載ゲートウェイ装置2は、CAN受信バッファ21から読み出した全てのCANフレームの転送が完了したかどうかを判定する。完了であれば本フローチャートを終了し、転送すべきフレームが残っていればステップS202へ戻って残りのCANフレームに対して同様の処理を実施する。
図4は、図3のフローチャートにおいてCANフレームをEthernetフレームへ格納する処理を説明する概念図である。図4上段はCANフレームのフレームフォーマットを示し、図4下段はEthernetフレームのフレームフォーマットを示し、図4中段は処理過程を示す。
CANフレームは、SOF部、ID部、Control部、Data部、CRC部、ACK部、EOF部を有する。SOF部はフレームの開始を表すフィールドである。ID部は通信メッセージの種別に相当する識別子を表すフィールドである。Control部は予約ビットとData部のData長を表すフィールドである。Data部は通信メッセージを表すフィールドである。CRC部はフレームの伝送誤りを表すフィールドである。ACK部は正常受信した確認の合図を表すフィールドである。EOF部はフレームの終了を表すフィールドである。
Ethernetフレームは、Frame Header部、Data部、FCS部を有する。Frame Header部は宛先やData長などの通信メッセージ以外の付加情報を表すフィールドである。Data部は通信メッセージを表すフィールドである。FCS部はフレームの伝送誤りを表すフィールドである。
CANフレームの構成を考慮すると、CANネットワークからEthernetネットワークに対して転送する情報は、少なくとも通信メッセージに対応するID部とData部があればよい。したがって転送データ生成部24は、図3のステップS203〜S204において、CANフレームのID部とData部を用いて転送データを生成する。転送先が競合している場合(すなわち複数のCANフレームの転送先が同一のEthernetネットワークである場合)は、競合している各CANフレームのID部とData部を1つの転送データとしてパッケージングすることができる。
Ethernetフレーム生成部25は、転送データの長さに応じてEthernetフレームのData長を決定する。したがって、Ethernetネットワークに対して転送するCANフレームの個数に応じて、Ethernetフレームは可変長となる。
図5は、ECU4の構成を示す機能ブロック図である。ECU4は、物理インターフェース40、受信バッファ41、受信フレーム解析部42、CANメッセージ抽出部43、アプリケーション処理部44を備える。
物理インターフェース40は、Ethernetネットワークとの間の物理的なインターフェースである。受信バッファ41は、受信したEthernetフレームを格納する。受信フレーム解析部42は、受信したEthernetフレームを解析する。CANメッセージ抽出部43は、受信したEthernetフレームのData部に格納されているCANメッセージを抽出する。アプリケーション処理部44は、抽出したCANメッセージを使用して対応するアプリケーションを実行する。
図6は、ECU4がEthernetフレームからCANメッセージを抽出する処理を説明するフローチャートである。以下図6の各ステップについて説明する。
(図6:ステップS400〜S401)
ECU4は、例えば周期的にまたは割り込み処理などを契機として、本フローチャートを開始する(S400)。受信フレーム解析部42は、受信バッファ41からEthernetフレームを読み出す(S401)。
(図6:ステップS402)
受信フレーム解析部42は、受信したEthernetフレームが自装置(ECU4)にとって必要か否かを判定する。例えばEthernetネットワークに接続されているECU4以外の電子制御装置はCANネットワークから通信フレームを受信することを予定していない場合、それらECUについては車載ゲートウェイ装置2から転送されてきたEthernetフレームは不要であると判定することができる。受信したEthernetフレームが必要である場合はステップS403へ進み、不要である場合はステップS404へ進む。
(図6:ステップS403)
CANメッセージ抽出部43は、受信フレームのData部からCANメッセージ(CANフレームのID部とData部)を抽出する。Data部が複数のCANメッセージを格納している場合は、各CANメッセージをそれぞれ抽出する。
(図6:ステップS404)
受信フレーム解析部42は、受信フレームを破棄して本フローチャートを終了する。
(図6:ステップS405)
CANメッセージ抽出部43は、抽出したCANメッセージをアプリケーション処理部44に対して引き渡す。アプリケーション処理部44はそのCANメッセージを用いて所定の処理を実施する。
図7は、転送先が競合する複数のCANフレームを転送するために要する時間を説明するタイムチャートである。ここではCAN IDが1のCANフレームとCAN IDが2のCANフレームを転送する例を示した。CAN ID=1のほうが優先度が高いものと仮定する。
従来の車載ゲートウェイ装置は、CANフレームの転送先が競合した場合、優先度が高いCANフレームを先に転送した後、優先度が低いCANフレームを転送する。したがって、優先度が高いCANフレームは転送処理のために要する遅延時間だけ遅れて転送先に対して送出され、優先度が低いCANフレームはさらに遅れて送出される。
これに対し本実施形態1に係る車載ゲートウェイ装置2は、転送先が競合するCANフレームを1つのEthernetフレームのData部内にパッケージングして転送するので、優先度が低いCANフレームであっても、転送に際して生じる遅延を小さく抑えることができる。
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る車載ゲートウェイ装置2は、CANネットワークからEthernetネットワークへ中継する通信フレームの転送先が競合した場合は、競合しているCANフレームのID部とData部をEthernetフレームのData部へパッケージングして転送する。これにより、優先度の低いCANフレームが転送処理を待機する必要がなくなり、転送処理におけるレイテンシを低く抑えることができる。
<実施の形態2>
図8は、ECU4を模擬したモニタ装置5をECU4に代えてEthernetネットワークに接続した車載ネットワークシステム1の構成例である。各装置の構成はモニタ装置5を除いて実施形態1と同様である。ただし2つのCANネットワークを区別するため、以降ではそれぞれCAN1、CAN2と呼称する。
図9は、車載ゲートウェイ装置2が備えるルーティングテーブル22の1例である。車載ゲートウェイ装置2は、ルーティングテーブルが指定する経路定義にしたがって、CANフレームをCANネットワークまたはEthernetネットワークに対して転送する。図9に示す例においては、例えば車載ゲートウェイ装置2がCAN ID=100または200のCANフレームを受け取った場合、そのCANフレームはEthernetネットワークに対して転送される。
図10は、車載ゲートウェイ装置2がCANフレームを転送する処理を説明するタイムチャートである。ここではCAN ID=100と200のCANフレームを転送する例を説明する。図9で説明したルーティングテーブルによれば、これらCANフレームはいずれもEthernetネットワークに対して転送されるので、転送先が競合する。したがって車載ゲートウェイ装置2は、これらCANフレームのID部とData部を1つのEthernetフレームのData部内にパッケージングし、Ethernetネットワークに対して送出する。
図11は、図10に示すEthernetフレームをモニタ装置5が監視した結果を示す図である。EthernetフレームのData部は、CAN ID=100のCANフレームのID部とData部を格納するとともに、CAN ID=200のCANフレームのID部とData部を格納している。
<本発明の変形例について>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
以上の実施形態において、CANフレームのID部とData部を取り出して集約することを説明したが、必要に応じてその他部分を取り出してEthernetフレームのData部として集約してもよい。
以上の実施形態において、車載ゲートウェイ装置2が通信フレームを転送する際に、転送先ネットワークがバス型のネットワーク(例えばCANネットワーク)である場合は、宛先を指定せずに転送すればよい。これに対し転送先ネットワークが1:1で通信するネットワーク(例えばEthernetネットワーク)である場合は、ブロードキャスト通信により全端末に対して通信フレームを転送してもよいし、例えばCAN IDごとに転送先端末をルーティングテーブル上で定義して個別に転送してもよい。その他適当な手法により転送先を定めてもよい。
以上の実施形態において、2つのCANネットワークと1つのEthernetネットワークが車載ゲートウェイ装置2を介して接続されているが、車載ゲートウェイ装置2を介して接続されるネットワークの構成はこれに限られるものではない。車載ネットワークの個数は2以上であればよく、各車載ネットワーク上で用いられる通信プロトコルはCANとEthernet以外であってもよい。
1:車載ネットワークシステム
2:車載ゲートウェイ装置
20:CAN物理インターフェース
21:CAN受信バッファ
22:ルーティングテーブル
23:転送競合判定部
24:転送データ生成部
25:Ethernetフレーム生成部
26:Ethernet送信バッファ
27:Ethernet物理インターフェース
3:電子制御装置
4:電子制御装置
40:物理インターフェース
41:受信バッファ
42:受信フレーム解析部
43:CANメッセージ抽出部
44:アプリケーション処理部
5:モニタ装置

Claims (5)

  1. 第1データ部を有する第1通信フレームを送受信する第1車載ネットワークと、前記第1データ部よりもサイズが小さい第2データ部を有する第2通信フレームを送受信する第2車載ネットワークとの間の通信を中継する車載ゲートウェイ装置であって、
    前記車載ゲートウェイ装置は、前記第2通信フレームを用いて前記第1通信フレームを生成する生成部を備え、
    前記車載ゲートウェイ装置はさらに、前記生成部が生成した前記第1通信フレームを前記第1車載ネットワークへ送出する送信部を備え、
    前記生成部は、複数の前記第2通信フレームがそれぞれ有する前記第2データ部を集約することにより、前記第1通信フレーム内の前記第1データ部を生成し、
    前記第2通信フレームはさらに、前記第2データ部が記述しているデータの種別を表すデータIDを有しており、
    前記生成部は、複数の前記第2通信フレームがそれぞれ有する前記データIDを前記第1通信フレーム内の前記第1データ部へ集約することにより、前記第1通信フレームを生成し、
    前記生成部は、前記第2通信フレームから前記第2データ部と前記データIDのみを抽出して前記第1データ部内に集約する
    ことを特徴とする車載ゲートウェイ装置。
  2. 前記生成部は、転送先が共通する複数の前記第2通信フレームがそれぞれ有する各前記第2データ部を集約することにより、前記第1通信フレーム内の前記第1データ部を生成し、
    前記生成部は、転送先が共通しない前記第2通信フレームについては前記第2データ部を集約せずに前記第1通信フレーム内の前記第1データ部を生成する
    ことを特徴とする請求項1記載の車載ゲートウェイ装置。
  3. 前記生成部は、前記第1通信フレーム内に集約する前記第2通信フレームの個数に応じて、前記第1データ部のサイズを設定する
    ことを特徴とする請求項1記載の車載ゲートウェイ装置。
  4. 第1データ部を有する第1通信フレームを送受信する第1車載ネットワークと、前記第1データ部よりもサイズが小さい第2データ部を有する第2通信フレームを送受信する第2車載ネットワークとの間の通信を中継する車載ゲートウェイ装置、
    前記第1車載ネットワークを介して通信する電子制御装置、
    を有する車載ネットワークシステムであって、
    前記車載ゲートウェイ装置は、前記第2通信フレームを用いて前記第1通信フレームを生成する生成部を備え、
    前記車載ゲートウェイ装置はさらに、前記生成部が生成した前記第1通信フレームを前記第1車載ネットワークへ送出する送信部を備え、
    前記生成部は、複数の前記第2通信フレームがそれぞれ有する前記第2データ部を集約することにより、前記第1通信フレーム内の前記第1データ部を生成し、
    前記第2通信フレームはさらに、前記第2データ部が記述しているデータの種別を表すデータIDを有しており、
    前記生成部は、複数の前記第2通信フレームがそれぞれ有する前記データIDを前記第1通信フレーム内の前記第1データ部へ集約することにより、前記第1通信フレームを生成し、
    前記生成部は、前記第2通信フレームから前記第2データ部と前記データIDのみを抽出して前記第1データ部内に集約する
    ことを特徴とする車載ネットワークシステム。
  5. 前記電子制御装置は、前記第1車載ネットワークが送受信する第1通信フレームが有する第1データ部よりもサイズが小さい第2データ部を有する第2通信フレームを、車載ゲートウェイ装置を介して前記第1通信フレームの形式で受信する、受信部を備え、
    前記電子制御装置はさらに、前記受信部が受信した前記第1通信フレームの形式の通信フレームを解析する解析部を備え、
    前記解析部は、前記受信部が受信した前記第1通信フレームの形式の通信フレームが有する前記第1データ部から、複数の前記第2データ部を取り出す
    ことを特徴とする請求項記載の車載ネットワークシステム。
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