TWI496706B - 車載網路通訊系統及其模組化分析裝置 - Google Patents

Description

車載網路通訊系統及其模組化分析裝置

本發明是關於一種車載網路通訊系統及其模組化分析裝置，且特別是有關於一種配置簡易並可透過通用串列匯流排傳輸分析資料之車載網路通訊系統及其模組化分析裝置。

隨著汽車科技的快速發展，車內電子裝置益趨繁多且複雜。早期汽車的選擇配備，如安全氣囊、中控鎖、防鎖死煞車系統(ABS)及車身動態穩定系統(如：ESP)等，現今已成為標準配備。此外，於汽車行駛中，對汽車狀態即時資訊的擷取攸關行車安全，因此行車資訊電腦的建置也愈趨普遍。再加上車用多媒體系統及車用高速網路系統等先進設備的快速發展，車用電子元件使用比例已達整車使用元件的50%以上。因此如何整合如此龐大且複雜的電子元件使其能協同運作，是一重要課題。

傳統連接車載電子裝置的作法，係利用電線線束(Hard-wired)，透過電子控制單元(ECU，Electric Control Unit)與外部裝置點對點連接。例如，一汽車引擎上可能裝設有三個以上的感測器，分別傳送資料至儀表板、自動變速箱及控制電腦，藉以達到告知駕駛人引擎轉速、變速控制及車輛引擎控制等目的。然而，此種作法需要數量非常龐大的電線及連接頭，容易造成管理困難、車輛製造成本增加及影響車輛性能等缺點。並且，過多連接線會降低 車輛控制的穩定性，對行車安全造成影響。

為解決傳統車載電子裝置連線的問題，許多汽車相關廠商著力於研究新一代的車內通訊系統。互聯區域網路(LIN，Local Interconnect Network)及控制區域網路(CAN，Controller Area Network)即為目前車載網路通訊系統常用的兩種通訊協定。LIN是一種傳輸率較低(20K bit/s)，僅具有基礎性能的車用電子傳輸系統。雖然LIN的效能不高，但是其成本低廉，建置較為容易，因此普遍用於較低階的需求，例如車門、座位、車內照明及車內溫度調控等。相較於LIN，CAN具有125 K bit/s到1M bit/s的高速傳輸率，因此CAN具有有較高的即時控制性。再者，CAN的硬體錯誤檢查機制使CAN具有較高抗電磁干擾能力。目前CAN已是車載通訊系統的主流，廣泛用於引擎管理、變速箱控制、儀表顯示及車用電子主幹系統中。近來，車用多媒體及車用網路通訊蓬勃發展，CAN的傳輸率及效能已無法滿足高解析度、高畫質的影音傳輸需求。FlexRay聯盟於西元2000年提出最新一代的FlexRay通訊系統。FlexRay具有更快的傳輸速率、更好的容錯性及更多樣化的連接方式，相當適合於應用在即時且大量的資料傳輸上，例如車用多重安全系統、引擎及底盤控制系統及車用多媒體系統等。

透過LIN、CAN或FlexRay雖可簡化傳統車載電子裝置連線數量，然而要在同一汽車內整合此三種通訊系統並非易事。此三種通訊網路分屬三種不同通訊協定，彼此之間必須靠一定數量的資料轉換裝置將一通訊協定轉換成另 一通訊協定才可協同運作，此會造成網路架構過於複雜。並且此三種網路屬於較先進之系統，其相對應之分析裝置亦較為昂貴。且必須對應每一不同之通訊網路設置一獨立之分析裝置，因此對訊息資料的掌控度上造成一定難度，並增加建置成本。

本發明之一態樣是在提供一種車載網路通訊系統，包含：一第一資料轉換單元、一第二資料轉換單元、一第一匯流排、一第二匯流排、一第三匯流排及一第四匯流排。第一資料轉換單元將一第一通訊協定轉換成一第二通訊協定並輸出第二通訊協定。第一匯流排連接第一資料轉換單元，並透過第一通訊協定進行資料傳輸。第二匯流排連接第一資料轉換單元，並透過第二通訊協定進行資料傳輸。第二資料轉換單元將一第三通訊協定轉換成第二通訊協定並輸出第二通訊協定。第三匯流排連接第二資料轉換單元，並透過第三通訊協定進行資料傳輸。第四匯流排連接第一資料轉換單元及第二資料轉換單元，並透過第二通訊協定進行資料傳輸。

本發明之一態樣之一實施方式，第一通訊協定可為LIN、CAN或FlexRay。第二通訊協定可為LIN、CAN或FlexRay。第三通訊協定可為LIN、CAN或FlexRay。

本發明之另一態樣是在提供一種應用於車載網路通訊系統的模組化分析裝置，包含：一第一收發模組、一第二收發模組、一第三收發模組、一主板及一資料分析器。第 一收發模組用以接收並傳送第一匯流排透過第一通訊協定傳送之資料。第二收發模組用以接收並傳送第二匯流排透過第二通訊協定傳送之資料。第三收發模組用以接收並傳送第三匯流排透過第三通訊協定傳送之資料。主板連接第一收發模組、第二收發模組及第三收發模組。主板包含一微處理器、一邏輯電路系統及一通用串列匯流排。微處理器用以處理運算第一收發模組、第二收發模組及第三收發模組傳送之資料。邏輯電路系統用以計算第一通訊協定、第二通訊協定及第三通訊協定之傳輸率。通用串列匯流排包含一通用串列匯流排晶片及一通用串列匯流排通道。通用串列匯流排晶片用以接收並轉換邏輯電路系統傳送之資料。通用串列匯流排通道用以傳輸經由通用串列匯流排晶片轉換後之資料。資料分析器與通用串列匯流排通道連接，資料分析器分析第一收發模組、第二收發模組及第三收發模組輸入之資料。

本發明之另一態樣之一實施方式，資料分析器可為個人電腦、車用電腦或平板電腦。

本發明提供一種車載網路通訊系統及其模組化分析裝置。藉由一第一資料轉換單元將第一通訊協定及第二通訊協定整合後輸出第二通訊協定；並藉由一第二資料轉換單元將第三通訊協定亦轉換成第二通訊協定。藉此使三種不同通訊協定可透過第一資料轉換單元及第二資料轉換單元作資料交互傳輸。本發明並提供一種應用於上述網路系統之模組化分析裝置。利用第一收發模組、第二收發模組及第三收發模組先個別連接至第一匯流排、第二匯流排及第 三匯流排，再藉由主板將各匯流排傳輸之資料整合後，透過一傳輸速度快、穩定度高且架構簡單之通用串列匯流排傳輸至資料分析器進行資料分析。因此，本發明之車載網路通訊系統及其模組化分析裝置元件精簡、架構簡單且易於建置。再者，本發明之模組化分析裝置可簡化分析流程。並且透過通用串列匯流排進行資料傳輸，可使本發明之模組化分析裝置的應用範圍更為擴展，並可降低建置成本。

為使本發明之特徵優點能明顯易懂，特輔佐以圖式說明如後。

請參照第1圖，第1圖為本發明之一態樣之一實施方式之車載網路通訊系統配置圖。第一匯流排101連接至第一資料轉換單元201，並透過LIN通訊協定傳輸資料。第二匯流排102連接至第一資料轉換單元201，並透過CAN通訊協定傳輸資料。第一資料轉換單元201於接收第一匯流排101及第二匯流排102傳送之資料後，整合管理LIN通訊協定及CAN通訊協定並輸出CAN通訊協定。第三匯流排103連接至第二資料轉換單元202，並透過FlexRay通訊協定傳輸資料。第二資料轉換單元202可將FlexRay通訊協定轉換成CAN通訊協定。第四匯流排104連接第一資料轉換單元201及第二資料轉換單元202，並透過CAN通訊協定交換資料。

另外，第一匯流排101透過電子控制單元(ECU，Electric Control Unit)105與外部裝置A連接；第二匯流排 102透過電子控制單元(ECU，Electric Control Unit)106與外部裝置B連接。第三匯流排103由於採用FlexRay通訊協定，其網路拓樸可使用有源星型(Active Star)或無源星型(Passive Star)，藉以增加應用模式。本發明之一實施例中，第三匯流排103連接至一星狀拓樸203，再經由星狀拓樸203透過電子控制單元107連接至外部裝置C。星狀拓樸203可再透過電子控制單元108連接至外部裝置D。外部裝置A、外部裝置B、外部裝置C及外部裝置D與各匯流排及資料轉換單元之間的配置可因應實際狀況需求靈活調整，並不侷限於本實施例中所揭示之佈線方式。

請參照第2圖，第2圖為依據第1圖中第一匯流排與外部裝置連接示意圖。電子控制單元105包含微處理器111及LIN收發器112。外部裝置A的訊號資料傳輸至微處理器111，並利用微處理器111的I/O模擬LIN的訊號格式，再透過LIN收發器112進行與第一匯流排101之間的交互資料傳輸。

請參照第3圖，第3圖為依據第1圖中第二匯流排與外部裝置連接示意圖。電子控制單元106包含微處理器113、CAN控制器114及CAN收發器115。CAN收發器115主要採用差動發送訊號，透過差動訊號CAN_H與CAN_L進行CAN訊號傳輸。系統內部會讀取設備設定資料，並利用程式驅動CAN控制器114發送差動訊號。外部裝置B透過CAN收發器115與第二匯流排102交互傳輸訊號資料，並透過微處理器113控制傳輸資料的輸出入。

請同時參照第4圖及第1圖，第4圖為依據第1圖中 第一資料轉換單元運作流程圖。第一資料轉換單元201為CAN/LIN轉換之用。本發明之一實施例中，第一資料轉換單元201係採用一CAN/LIN閘道器(GateWay)。第一資料轉換單元201硬體中主要包含ARM9微處理器作為核心。ARM9微處理器包含CAN控制模組與多組的GPIO。CAN控制模組作為CAN匯流排收發之用，GPIO則用來模擬LIN訊號，作為LIN控制器之用。第一資料轉換單元201的主要功能為CAN訊號轉LIN訊號、接收CAN、LIN節點的訊號並判斷該筆資料封包須送往何處。第一資料轉換單元201的工作執行階段可大致分為下列步驟：a.建立CAN/LIN Bus的訊號讀取工作。b.判斷是否有CAN/LIN訊號的傳送要求，並建立對應的傳輸工作。c.執行內容轉換。工作流程如第4圖所示。

請參照第5圖，第5圖為依據第1圖中FlexRay節點功能示意圖。一個FlexRay節點，必須藉由主機端(HOST)303來控制FlexRay的通訊控制器(Communication Controller)302與匯流排驅動器(Bus Driver)301。再透過匯流排驅動器301將FlexRay數位訊號轉換為差動訊號至FlexRay網路上。匯流排監控器(Bus Guardian)304藉由匯流排驅動器301將訊號分別告知通訊控制器302與主機端303，通訊控制器302與主機端303亦可透過匯流排監控器304達到監控匯流排驅動器301的目的。

請參照第6圖，第6圖為依據第1圖中第二資料轉換單元運作示意圖。第二資料轉換單元202為FlexRay/CAN轉換之用。本發明之一實施例中，第二轉換單元202係採 用一FlexRay/CAN閘道器(GateWay)。FlexRay/CAN閘道器的功能，主要是作為車載網路通訊系統上三種不同通訊網路的溝通媒介。透過第二轉換單元202將FlexRay網路上的資料訊息轉成CAN的封包傳送出來，並透過第四匯流排104與第一資料轉換單元201做整合管理，處理三種網路上的控制訊息。在第二轉換單元202上配置CAN封包以ID1(Speed information)和ID2(Steer & light information)傳送到第四匯流排104和第一資料轉換單元201。同時，透過第三匯流排103與外部裝置E連接以達到控制效果。基於FleyRay網路系統特性。第三匯流排103通常用於資料傳輸量大，需較高安全性的裝置，例如汽車傳動系統、方向盤、剎車或油門等。又基於FlexRay的高速特性，相當適合於連接車用多媒體或車用即時導航系統等傳輸量大、即時性高的裝置。

請參照第7圖，第7圖為本發明另一態樣之一實施方式之車載網路通訊系統之模組化分析裝置系統架構圖。由於分析對象為具高傳輸速率的車載網路通訊系統，因此採用FX2標準的USB 2.0傳輸晶片，並採用巨量傳輸模式，以因應即時傳輸的需求。藉由車載通訊網路之模組化分析裝置可即時監測LIN、CAN與FlexRay三種不同車載通訊網路上的資料。本發明之模組化分析裝置，硬體架構上包含一個主板(未編號)與三個收發模組。主板(未編號)可與三個收發模組進行連接，使用者可透過主板(未編號)上的邏輯電路系統500來計算這三種車載通訊網路上各自的傳輸率，並提取各自的ID碼、資料等訊息。最後再透過 USB晶片504將資料轉換成USB封包，透過通用串列匯流排通道(未編號)傳送至資料分析器505分析。資料分析器505可使用個人電腦、平板電腦、車用電腦或其他分析儀器。三個收發模組包含：第一收發模組501為LIN監測模式、第二收發模組502為CAN監測模式與第三收發模組為503為FlexRay監測模式。實際使用時，依照不同的車載通訊網路，選取相對應的通訊模組與主板連接之後，即可方便地進行資料分析。

請參照第8圖，第8圖為依據第7圖中模組化分析裝置之邏輯電路架系統架構圖。本發明使用一包含USB 2.0的微處理器，從晶片的三個USB巨量端點，傳輸LIN、CAN與FlexRay資料。為了達到USB2.0的傳輸速率，則利用一CPLD(Complex Programmable Logic Device)邏輯電路晶片，將FX2的MCU功能架空，採用Slave FIFO模式，由CPLD邏輯電路晶片控制FX2來取得FIFO中的資料輸出至USB通訊協定中。因此本發明之模組化分析裝置，能突破原先FX2震盪速度不夠的缺點。並且，CPLD邏輯電路晶片採用100MHz的震盪頻率。除了可用以解析FlexRay高速網路的封包之外，也可提高USB傳輸速率，讓資料顯示更為即時。在外部存取LIN、CAN與FlexRay通訊網路資料方面，透過主板上的三個連接頭，用於接收LIN收發器上RXD腳位的訊號、CAN收發器上RXD腳位的訊號與FlexRay收發器上RXD、RXEN腳位的訊號。其中，LIN通訊網路最高可達到20Kbps傳輸率，CAN通訊網路可高達1Mbps而FlexRay通訊網路可達到10Mbps傳輸率，因 此，在LIN、CAN與FlexRay硬體區塊，各別以200KHz、10MHz與100MHz做為各自的採樣頻率。此外，系統中有兩個按鈕，一則用於重置CPLD，另外一個按鈕則用於CPLD與FX2同步(SYNC)存取FIFO。邏輯電路系統另包含六個電路區塊，分別敘述如下：

1. HZ2電路：

此為除頻電路，FX2主要以48MHZ的速率供給USB訊號，無需高速100MHz的同步，因此將時脈除頻兩倍，用以與FX2同步讀寫FIFO時間。

2. LIN電路：

主要將外部訊號RXD分析，主要流程為設定以200KHz為取樣頻率。判斷RXD是否有訊號進來，若發生，則開始辨識RXD訊號，轉變並分析其資料，解讀出各個封包。包含有解析Frame_ID、Data_Length與Frame_Data0~Frmae_Data N，並且可依照每個位元間的時間長度，去計算LIN網路上的資料傳輸率。

3. CAN電路：

主要將外部訊號RXD分析，主要流程為設定以10MHz為取樣頻率。判斷RXD是否有訊號進來，若發生，則開始辨識RXD訊號，轉變並分析其資料，解讀出各個封包。包含有解析Frame_ID、Data_Length、Frame_Type(Remote/Data)、Frame_Formate(Extend/Standard)、Frame_Data0~Frmae_Data N，並且可依照每個位元間的時間長度，去計算CAN網路上的資料傳輸率。

4. FlexRay電路：

主要將外部訊號RXD與RXEN分析，主要流程為設定以100MHz為取樣頻率。判斷RXEN是否發生負源觸發，若發生，則開始辨識RXD訊號，轉變並分析其資料，解讀出各個封包。包含有解析Frame_ID、Cycle、Data_Length、Frame_Type與Frame_Data0~Frmae_Data N，並且可依照每個位元間的時間長度，去計算FlexRay網路上的資料傳輸率。

5. SYNC電路

此為同步電路，當按下觸發鈕後，CPLD會停止寫入動作同時也停止FX2端點傳輸，進行與FX2資料FIFO同步的動作(Check與Ack)。同步完成後，每筆資料便可從USB傳送一筆封包。

6. CPLD_FIFO電路

CPLD分析FlexRay封包結束後，要將其資料寫入到FIFO中之電路，除此之外，此電路尚包含了告知FX2，CPLD寫入FIFO狀態旗標。讓FX2藉由此旗標將FIFO資料搬移至USB中，並傳送至資料分析裝置。

請繼續參照第9圖，第9圖為本發明之模組化分析裝置結合車載網路通訊系統運作示意圖。將第7圖所示之模組化分析裝置，應用於第1圖所示之車載網路通訊系統上，並透過USB晶片504，連接至資料分析器505以進行資料分析。

綜上所述，本發明提供的車載通訊網路系統具有架構簡單、使用連接元件較少及建置成本低的優點。此外，本 發明提供之應用於車載通訊系統的模組化分析裝置，可藉由三個收發模組收發資料，並可透過常見的通用串列匯流排傳輸分析資料，因此具有精簡連接線數量、使用容易及降低設備成本等優點。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101‧‧‧第一匯流排

102‧‧‧第二匯流排

103‧‧‧第三匯流排

104‧‧‧第四匯流排

105‧‧‧電子控制單元

106‧‧‧電子控制單元

107‧‧‧電子控制單元

108‧‧‧電子控制單元

111‧‧‧微處理器

112‧‧‧LIN收發器

113‧‧‧微處理器

114‧‧‧CAN控制器

115‧‧‧CAN收發器

201‧‧‧第一資料轉換單元

202‧‧‧第二資料轉換單元

203‧‧‧星狀拓樸

301‧‧‧匯流排驅動器

302‧‧‧通訊控制器

303‧‧‧主機端

500‧‧‧邏輯電路系統

501‧‧‧第一收發模組

502‧‧‧第二收發模組

503‧‧‧第三收發模組

504‧‧‧USB晶片

505‧‧‧資料分析器

A、B、C、D、E‧‧‧外部裝置

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為本發明之一態樣之一實施方式之車載網路通訊系統配置圖。

第2圖為依據第1圖中第一匯流排與外部裝置連接示意圖。

第3圖為依據第1圖中第二匯流排與外部裝置連接示意圖。

第4圖依據第1圖中第一資料轉換單元運作流程圖。

第5圖依據第1圖中為FlexRay節點功能示意圖。

第6圖依據第1圖中第二資料轉換單元運作示意圖。

第7圖為本發明之另一態樣之一實施方式之車載網路通訊系統之模組化分析裝置架構圖。

第8圖為依據第7圖中模組化分析裝置之邏輯電路系 統架構圖。

第9圖為本發明之模組化分析裝置結合車載網路通訊系統運作示意圖。

101‧‧‧第一匯流排

102‧‧‧第二匯流排

103‧‧‧第三匯流排

104‧‧‧第四匯流排

105‧‧‧電子控制單元

106‧‧‧電子控制單元

107‧‧‧電子控制單元

108‧‧‧電子控制單元

201‧‧‧第一資料轉換單元

202‧‧‧第二資料轉換單元

203‧‧‧星狀拓樸

500‧‧‧邏輯電路系統

501‧‧‧第一收發模組

502‧‧‧第二收發模組

503‧‧‧第三收發模組

504‧‧‧USB晶片

505‧‧‧資料分析器

A、B、C、D‧‧‧外部裝置

Claims (9)

1. 一種車載網路通訊系統，包含：一第一資料轉換單元，用以將一第一通訊協定轉換成一第二通訊協定並輸出該第二通訊協定；一第一匯流排，連接該第一資料轉換單元，並透過該第一通訊協定進行資料傳輸；一第二匯流排，連接該第一資料轉換單元，並透過該第二通訊協定進行資料傳輸；一第二資料轉換單元，用以將一第三通訊協定轉換成該第二通訊協定並輸出該第二通訊協定；一第三匯流排，連接該第二資料轉換單元，並透過該第三通訊協定進行資料傳輸；以及一第四匯流排，連接該第一資料轉換單元及該第二資料轉換單元，並透過該第二通訊協定進行資料傳輸。
2. 如請求項1之車載網路通訊系統，其中該第一通訊協定為LIN、CAN或FlexRay。
3. 如請求項1之車載網路通訊系統，其中該第二通訊協定為LIN、CAN或FlexRay。
4. 如請求項1之車載網路通訊系統，其中該第三通訊協定為LIN、CAN或FlexRay。
5. 如請求項1之車載網路通訊系統，更包含一電子控制單元，其中該第一匯流排與該電子控制單元連接，該電子控制單元並連接至一外部裝置，藉由該電子控制單元使該外部裝置與該第一匯流排進行資料交換。
6. 如請求項1之車載網路通訊系統，更包含一電子控制單元，其中該第二匯流排與該電子控制單元連接，該電子控制單元並連接至一外部裝置，藉由該電子控制單元使該外部裝置與該第二匯流排進行資料交換。
7. 如請求項1之車載網路通訊系統，更包含一電子控制單元，其中該第三匯流排與該電子控制單元連接，該電子控制單元並連接至一外部裝置，藉由該電子控制單元使該外部裝置與該第三匯流排進行資料交換。
8. 一種應用於請求項1之車載網路通訊系統的模組化分析裝置，包含：一第一收發模組，用以接收並傳送該第一匯流排透過該第一通訊協定傳送之資料；一第二收發模組，用以接收並傳送該第二匯流排透過該第二通訊協定傳送之資料；一第三收發模組，用以接收並傳送該第三匯流排透過該第三通訊協定傳送之資料；一主板，連接該第一收發模組、該第二收發模組及該第三收發模組，該主板包含： 一微處理器，用以處理運算該第一收發模組、該第二收發模組及該第三收發模組傳送之資料；一邏輯電路系統，用以計算該第一通訊協定、該第二通訊協定及該第三通訊協定之傳輸率；一通用串列匯流排，包含：一通用串列匯流排晶片，用以接收並轉換該邏輯電路系統傳送之資料；及一通用串列匯流排通道，用以傳輸經由該通用串列匯流排晶片轉換後之資料；以及一資料分析器，與該通用串列匯流排通道連接，該資料分析器分析該第一收發模組、該第二收發模組及該第三收發模組輸入之資料。
9. 如請求項8之模組化分析裝置，其中該資料分析器為一個人電腦、一車用電腦或一平板電腦。