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满足汽车电子系统应用需求的分层式软件结构研究

发布日期:2020-07-19

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由于汽车需要面对多种不同的路面及驾驶情况,因此车内的电子系统必须采用多种不同的网络标准,才可满足不同的性能要求。为了更好地满足不同网络标准的要求,车内电子系统的互连网络便一直朝着网中网模式的路向发展。网中网模式基本上以远程信息控制单元(TCU)为硬件,是连接车内电子系统所有通信网络的硬件接口。至于软件方面,传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)的应用层可视为连接车内不同通信网络的通用软件,让我们可以通过网络操控车内的所有电子装置。应用软件只要利用传输控制协议/因特网协议作为通用接口,便可与其它节点上的应用程序完全运作互通。

本文主要介绍网中网设计的分层式软件结构,以及讲述网中网如何利用其分层式软件支持新一代汽车的电子装置,其中包括汽车电子系统控制(动力传动、车速排档、空调/暖风系统等)、音像娱乐系统、移动电话及因特网接入系统,以满足未来一代驾驶者的要求。


分层通信协议

分层的结构可提高通信协议的灵活性及可延展性。某一功能层可将其具体实施情况的数据收藏起来,以免较高级的功能取得这些数据,以确保这些高级功能不会受其它功能的执行方式所影响。例如,文件传送协议甚至可能不知道究竟是

采用光纤、有线还是无线技术传送有关数据。只要所有数据链路协议都采用同一的协议,较高层的协议便可改用任何一个协议。

图 1 显示分层通信协议只要为编程人员提供高级应用程序编程接口 (API),便可简化软件的设计。若编程人员想传送文件,高级文件传送协议可以为其提供一组最简单的服务,让编程人员可以列明文件服务器名称、源文件名称、目的文件名称等。

从应用软件编程人员的角度看,应用程序编程接口可以视为高度简化的用户接口,能够不受其它功能层的影响独立处理与数据通信有关的所有麻烦问题。应用程序编程接口是一条理想的虚拟连接,让编程人员无需理会奇偶错误、流量控制等细节。编程人员只需提供建立连线所必要的信息。

当数据通信达到某一层级之后,我们便必须为传送的数据提供一条物理连线,但应用程序编程接口与物理层之间的功能层可以处理所有底层的操作,以便支持这条虚拟连线。

这个模型分为以下四层:

● 应用程序层:为应用软件提供可以直接使用的协议,其中包括文件传送协议(FTP)、简单邮件传送协议(SMTP)、超文本传输协议 (HTTP) 等。

● 传输层:传输控制协议 (TCP) 采用双向的端至端连线,可以传送 TCP 信息段。用户数据报协议(UDP) 采用报文传送的模型,以收发 UDP 数据报。

● 网络层:负责通过网络传送及收发信息包。大部分网络层都采用因特网协议 (IP),以传送称为 IP 数据报的信息包。

● 物理层:这是连接数据链路硬件的接口。协议堆栈有不同的功能层,这一层真正负责将数据载入通信外围设备寄存器存储缓冲器或从中取出。控制器区域网(CAN)及以太网等网络都采用公共电缆网络连系标准。称为微微网(piconet)的蓝牙射频网络是无线耳机、手机免持听筒远程控制系统及其它短程音频/数据通信系统等普遍采用的无线通信网络。无线红外线通信系统则普遍采用 IrDA 标准。

每一功能层无需知道其上下层的操作方式。事实上,每一功能层必须不受这些操作方式的影响,才可与不同功能层的其它服务在运作上互通。例如,网络层只负责将信息包由信源传送至目的地,本身并不知道也无需理会这些信息包是利用单向UDP数据报通信方式还是双向 TCP 连线传送信息。

分层协议具有较大的延展性,因为按照协议规定,所有链路必须采用模块式结构及标准接口。若果有人发明了一种全新的数据链路技术,并想在新媒体内运行协议的全部堆栈,那么他只需编写一套兼容的物理层驱动程序便可。其它的功能层全部无需更改,因此技术的换代更新变得非常简单容易。

网中网模型

由于不同的情况有不同的要求,因此未来一代的汽车需要为其电子系统装设多种不同的通信网络,以确保其稳定性及带宽都可满足不同情况的要求。我们只要采用分层协议及中央网关处理器,便可解决不同网络之间的相互通信问题。

以下是新一代汽车可能会装设的车内通信网络:

● 控制器区域网:这种中频频带网络具有高度可靠的特性,是几乎所有汽车都必定装设的标准网络。

● 蓝牙微微网:这是专为移动电话及笔记本电脑而设的中频频带无线通信网络,也是几乎所有汽车都必定装设的标准网络。

● 音像网络:这是专为播放音像制作的高频频带网络,目前市场上有多种不同的适用协议,其中包括国内数据总线 (Domestic Data Bus, D2B)、FireWire (IEEE 1394)、媒体导向系统传输 (Media Oriented Systems Transport, MOST) 以及移动媒体链路 (Mobile Media Link, MML ) 等。

● 低成本有线网络:这是一种采用通用异步收发器的网络,而且还配备 I2C、SPI 及 MicroWire 等接口,使不同芯片可以获得直接的总线连系,因此是最适合小键盘、显示屏及传感器采用的低成本接口。

● 低成本无线网络:这是采用 ZigBee 或其它专用网络的低频频带无线网络,可为轮胎胎压传感器、报警与门的射频远程控制键以及其它电子系统提供低成本的无线连系。

未来一代的车内电子系统互连网络一般都会采用多种不同的控制器区域网。这些控制器区域网主要分为高速与低速两种。速度低至10kbps~125kbps的低速网络可为不同控制装置提供联系,例如启动器可以通过网络控制倒后镜的移动角度,而尾灯群组则可利用这些网络缩短互连线路。此外,速度高达 126kbps~1Mbps的高速控制器区域网可支持性能要求较高的重要功能如动力传动控制。如何为汽车电子系统建立网络连系

图2 显示可让用户进入汽车电子系统互连网络进行诊断的无线远程接口系统,其中的远程信息控制单元可以利用**成本效益的芯片制造

这套诊断系统可以利用万维网浏览器进入汽车的电子系统互连网络。浏览器进入控制器区域网节点进行存取时,必须与设有远程信息控制单元的万维网服务器取得联系。远程信息控制单元可视为控制器区域网的主机,因为控制器区域网节点本身不会进入因特网协议的堆栈执行工作。万维网服务器负责解释浏览器提出的工作请求,然后与控制器区域网节点进行通信,以便落实有关的请求行动。

每一控制器区域网节点都有一套高级的驱动程序,而这套驱动程序采用针对个别特殊应用而设的协议,以便一旦收到万维网发出的请求时可以即时作出回应。这套驱动程序负责分析协议数据单元 (PDU) 的句法及将其中的信息解译,并大量执行任何必要的区域工作,以满足协议数据单元提出的工作请求。区域工作完成后,有关工作的文件会编入新的格式之中,然后通过控制器区域网总线存入万维网服务器。

此外,动态节点配置(DNC)服务器储存了一张载列**节点的清单,并负责资料的更新。每当有新的节点加入控制器区域网(可以在带电及不带电的状态下进行插接),该新节点会立即广播有关的配置请求,通知采用远程信息控制单元的动态节点配置服务器。基本上,我们可以仿照动态主机配置协议(DHCP)制定动态节点配置协议。动态主机配置协议已获很多个人电脑广泛采用,其优点是确保个人电脑可以自动取得有关网络配置的数据。虽然动态节点配置较为简单,但仍可让控制器区域网节点取得一部分必要的网络配置数据。这个设计好像将个人电脑的随插即用(PnP)操作机制引入动态节点配置服务器,让我们很轻易便能增添或删除任何节点。控制器区域网的节点利用动态节点配置的请求发布由其随机产生的节点识别码。这个识别码是相关节点的“别名”,而这个“别名”可视为该节点在控制器区域网的名称或“地址”。但我们不可将这个“别名”与信息滤波及控制器区域网上的识别码混为一谈。

若远程信息控制单元的动态节点配置服务器收到动态节点配置请求,服务器首先会核实节点请求的识别码是否确实有效,以及这个识别码与网络上其他现有节点是否会相抵触。服务器会进一步核实,以确保自己是否有足够的存储空间可以将新加节点的配置图表载列于其**节点名单之内。最后,若一切顺利,动态节点配置服务器便会确认这个请求,并为该节点分派一个独特数字,作为其正式名称,以便该节点在执行工作时可以使用。该节点的识别码也会记录在服务器的**节点名单内。其后传送给该节点的所有通信都会采用这个议定的识别码。若请求的识别码已失效,远程信息控制单元便会拒绝接受请求,使节点不得不再请求另一识别码,直至远程信息控制单元收到可以接受的识别码为止。

美国国家半导体的 CP3BT26 是一款**成本效益的远程信息控制单元处理器,这款属于 CP3000 连接处理器系列的芯片具备以下的特色及功能:

● 可扩展为 32 位的 24 MHz、16 位精简指令集计算 (RISC) 中央处理器

● 256 kbytes 的内置快闪存储器

● 8 kbytes 的快闪数据存储器 (可利用 256k 快闪存储器进行编程)

● 32 kbytes 静态随机存取存储器 (SRAM

● 蓝牙 (Bluetooth) 基带控制器

● 两个设有对象储存功能的 CAN 2.0B 动态控制器 (前称 fullCAN)

● 符合 USB 1.1 标准的全速节点

● ACCESS.bus、SPI 及 Microwire/Plus 低成本芯片至芯片总线

● 四通道通用异步收发器 (UART

● AAI 编码译码器接口 (可与 SSI 接口兼容)

● 8 通道、12 位模拟/数字转换器

● 54 条通用输入/输出端口管脚

● 通用计时

● 监视计时器

● 低功率模式

蓝牙及传输控制协议/因特网协议的全套堆栈已有供应。此外,市场上还有全套已成功通过测试的软件开发工具、外围设备驱动程序以及实时操作系统可为开发工作提供全面性的支持。未来的发展方向

这些分布式系统必须能够充分发挥各自的性能,才可满足以下的设计要求:

● 减低汽车的负载重量,以符合未来一代的能源效益要求

● 提供更多个性化的服务,增添驾驶乐趣

● 一旦无线的个人电子设备如移动电话、个人数字助理及笔记本电脑进入汽车的无线接收范围内,车内的特定通信网络可以自动与这些便携式电子产品建立联系

● 更易添加新的特色及功能

● 复杂的系统——例如不同供应商提供的不同软件——都可集成一起

汽车的重要电子系统大部分都能通过专用的“内联网”连接一起。可以联网的服务包括:

● 提供电源管理及配置的信息

● 提供识别码及配置的信息

● 仪表板显示器 (汽车状态、速度、燃油存量、里程仪表等)

● 车身状态及控制 (门锁、倒后镜、座椅等)

● 诊断数据显示器 (每分钟转数、油温等)

● 诊断测试模式 (调节计时、燃油/空气混合等)

● 动力传动状态

● 导航系统 (显示前进路径的地图显示器)

● 娱乐系统状态及控制

● 人机接口 (显示器、语音等)

未来一代的汽车越来越需要建立一个自己的通信网,以便不时与个人的移动设备及外在环境保持密切的联系。汽车可以利用因特网建立无线联系,这个联系方式有一个很大的优点,那就是可以远程收集运行数据。汽车生产商可以上网查看客户资料,看看客户究竟有没有按照防护/维修程序进行维修,也可监视汽车性能的转变 (看看有没有磨损和故障的迹象),以及发出维修通知和警告。

“智能汽车网络”是一个新兴的行内用语,意指汽车电子系统的传感器及传动装置必须具备一定的智能,才可确保汽车能够充分发挥其性能。若要车内的电子装置具备一定的智能,车内的每一电子系统必须能够通过智能汽车网络获得所需的数据,因为只有取得最充足的数据,车内各系统才可因应实际情况做出最恰当的决定,发挥**的系统性能。

来源:与非网作者:佚名 2020年04月19日 



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