某轻型卡车独立网关设计

刘有志 薛丽萍

摘 要：文章较系统地对独立网关开发必要性、设计原则、功能实现等方面进行了介绍，并对零部件内部硬件和软件层面设计进行约束，为汽车电气和网络领域开发设计人员提供开发思路。

关键词：独立网关;硬件;软件;路由

中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）20-32-03

Abstract： This paper systematically introduces the necessity of independent gateway development， design principle， function realization and so on， and constrains the internal hardware and software design of parts， so as to provide development ideas for the developers in the field of automobile electric and network.

Keywords： Gateway; Hardware; Software; Route

CLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）20-32-03

1 前言

汽车總线技术的开发应用越来越深入，如何高效、低风险地做好汽车网络总线的平台化开发显得尤为重要;目前，随着轻型卡车由于控制器数量逐渐增加，单网段式网络架构由于其：可配置性差、网段负载率高等问题，已经尽显疲态;为了对整车网络系统进行更专业的管理和优化，具有多路CAN和多路LIN通讯的独立网关可解决目前单网段的问题，本篇就独立网关的一般设计流程和设计原则进行简单介绍。

2 设计原则

2.1 平台化原则

以开发一款平台化的独立网关为目标，独立网关方案是基于整个电气架构设计思路基础上的，方案应具备子网独立、平台设计、网络总线可裁剪，成本较低等技术特征。

2.2 前瞻性原则

根据该轻型轻卡所在平台相关规划，以及竞品车型配置情况，了解法规动态及智能驾驶发展趋势，预留未来3-5年轻卡配置要求。

2.3 兼容原则

根据平台化网络拓扑，设计独立网关信号通道，又根据轻卡有SAE J1939和ISO 11898两种通信协议的现状，设计独立网关软硬件。硬件方面兼容12V和24V两种电压，支持本地唤醒和网络唤醒;软件方面兼容SAE J1939和ISO 11898 两种通信协议，信号路由可配置，便于应用于不同车型，最终达到一款硬件适应全系产品。

3 网关功能设计

3.1 报文路由设计

报文路由是指网关将源子网上接收到的报文完整的复制到目标子网，并且从目标子网上发送出来。在这个过程中报文的周期和内容不会被更改，报文ID则可以按照定义进行修改或保持不变。网关收到报文就立即进行转发，收不到报文就停止转发。

3.2 信号路由设计

信号路由是指网关将需要转发的信号从源子网的报文中取出，重新打包到网关的自主报文中，再将该自主报文发送到目的子网。当网关未接收到源子网的信号时，网关发送预定义的替代值，以表示该信号为网关所发，并非来自于源子网的发送节点。

3.3 路由时间

以CAN-CAN路由为例，网关的完整的报文传输过程包括报文接收、报文处理以及报文发送三部分。

T1：网关接收一帧报文所需要的时间，约小于0.3ms;

T2：网关处理一帧报文所需要的时间，对于报文路由，应小于0.4ms，对于信号路由，取决于自主报文的发送周期;

T3：网关发送一帧报文所需要的时间，约小于0.3ms;

综上所述，网关的报文路由时间应不超过1ms;网关的信号路由时间不超过自主报文的发送周期。如果目标子网对信号的实时性要求较高，需应用报文路由策略。

3.3 路由表设计

以CAN-CAN路由为例，路由表中应该包含以下重要信息：源子网、目标子网、路由方式、信号和报文定义。

4 硬件设计

4.1 MCU选型

MUC的选型决定了网关的功耗、运行速度、功能实现程度，以及成本和运算速率;要选好一款处理器更好考虑相关的配套开发工具、仿真器、以及软件支持情况等。

4.2 LIN接口电路

以LIN收发器TJA1021为核心器件，终端电阻位于PIN6和PIN8之间，支持本地唤醒和外部（LIN）唤醒。

4.3 CAN接口电路

以CAN收发器TJA1043为核心器件，终端电阻位于PIN11和PIN12、PIN11和PIN13之间，支持本地唤醒和外部（CAN）唤醒。

5 软件设计

5.1 软件架构设计

根据网络拓扑设计要求，软件兼容ISO11898和SAE J1939两种通讯协议，主要包括：电源管理任务、IO任务、AD任务、NV读写任务、自诊断模块任务、路由调度模块任务、LIN总线任务、CAN总线任务、空闲任务等。各个模块均进行相关的应用功能处理。

5.2 信号路由配置

设计开放的软件模块，通过配置软件自定义路由关系，生成路由表;将路由表通过 UDS 协议写入网关;路由表支持“报文路由”和“信号路由”两种路由关系。

信号路由：网关从 CAN 报文中将信号解析出来，并将信号重组到另一个报文中发出，发出报文的时候遵循目标报文自身的的发送策略。

报文路由：网关将某个 CAN 接口上接收到的报文完整的复制到另一个或多个CAN 接口，并从这些接口上发出，在这个过程中报文的内容被完整的复制而不会更改，复制后的报文 ID 则可以按照定义进行修改或保持不变。报文路由在 CAN接口接收到完整的 CAN 报文后立即执行。

6 测试验证

通过网关功能的规划、硬件的设计、软件的设计，网关基本成型，生产前要经过很多测试，主要包括通信测试、网络管理测试、诊断测试和刷写测试。诊断测试程序使用CANdela制作诊断数据库文件，使用CAN.DiVa直接生产测试用例，其他功能测试需要使用CAPL+CANoe+程控硬件的模式。

7 结束语

整车网络不仅是将各网络节点使用双绞线在整车上进行连接，还需实现不同子网络间的数据通信、对整车网络进行报文ID分配、设计各报文的精度与长度，设计系统的负载率，设计整车网络管理系统、网络通讯的实时监听和智能诊断;独立网关可满足上述情况要求，因此未来轻型卡车网络通讯依靠独立网关已成为必然趋势。

参考文献

[1] 凌永成.汽车车载网络技术[M]机械工业出版社2016.

[2] 罗峰，孙泽昌.CAN总线系统原理、设计与应用[M]电子工业出版社2010.

[3] 王岩松.汽车网络技术[M]清华大学出版社2012.