E88新能源汽车网关软件设计方案

密级：E88新能源汽车网关软件设计方案长春启阳信息技术股份有限公司目录1引言（INTRODUCTION） (3)1.1网关软件设计 (5)1.2网关路由功能设计 (5)1.2.1 接收中断处理 (5)1.2.2接收处理任务 (7)1.3报文周期发送报警处理 (7)1.3.1采用操作系统提供的报警 (7)1.3.2 发送定时器更新模块 (9)1.3.3路由过程中发送定时器处理模块 (9)1.4报文发送任务 (10)1.5报文处理 (10)2网关直接网络管理功能设计及实现 (12)2.1OSEK/VDX直接网络管理介绍 (12)2.1.1直接网络管理概念 (12)2.1.2直接网络管理的内部状态 (12)2.1.3直接网络管理的通信消息 (12)2.2.1任务总体设计 (14)2.2.2定时器总体设计 (16)2.2.3NMPDU到CAN报文的映射 (17)3网关间接网络管理功能设计及实现 (18)3.1OSEK/VDX间接网络管理介绍 (18)3.2间接网络管理功能设计 (19)3.2.1 报文接收状态配置表 (19)3.2.2接收定时器 (19)3.2.3报文接收过滤及处理模块 (21)3.2.4接收定时器更新模块 (22)3.2.5接收超时处理模块 (23)1引言（Introduction）针对电动汽车车身网络平台而言，作为网络交通枢纽的中央网关控制器需要将接收到的报文存入数据缓冲区，同时还需要将转发的数据重新拆分打包，进行协议转换出来，因此在网关控制器的选择上要求其具有较高的内存容量和较快的处理速度。

随着全球汽车电子行业的迅猛发展，从C51单片机到ARM9微处理器，车内控制器的性能一直不断提高。

目前32位RISC内核微处理器不但占据了高端控制器市场，同时也向低端控制器领域发展，凭借其低功耗、高性价比等提点，在汽车控制网络中得到广泛应用是可以预见的，因此本方案选取了NXP公司汽车专用的V850ES/FK3的32位RISC内核微处理器，其丰富的外设接口和强大性能有利于后续网络的扩展功能。

本文档介绍网关的基本工作原理和系统结构,提出基于CAN/LIN总线的车身网关功能定义和整体设计方案,针对电动汽车特点制定了基于SAEJ1939的CAN应用层协议。

CAN/LIN网关在硬件架构上采用了NEC基于RISC 内核内核的32位控制器V850ES/FK3和容错低速CAN接收器(TJA1054)。

CAN节点采用V850ES/FK3系列单片机,完成了电动机控制节点和状态显示节点的电路板制作和程序设计。

最后将各节点与网关组合起来,借助硬件节点与仿真软件相结合的方法对整个通信网络的关键性能进行测试分析,在调试过程中对设计中存在的不足进行优化和改善。

实验结果表明CAN、LIN节点与网关软硬件工作稳定,实现了网关的报文转发和模拟电动机控制、车身控制台和门锁控制节点的功能,对车身控制中的其他部分有着借鉴意义,为整车控制网络平台和其他功能节点提供了参考模型1.1网关软件设计网关软件整体结构包括三部分，分别是操作系统，底层驱动程序和应用软件，其中应用软件部分包括路由功能模块和网络管理模块。

网关软件整体结构如下图1所示。

图1 网关软件整体结构操作系统采用符合OSEK/VDX标准的osCAN实现，由于osCAN硬件平台基于MPC555，因此该部分重点是针对网关所采用的控制器进行操作系统的移植。

OSEK操作系统在NEC32位硬件平台的移植工作已经完成，经过验证，目前操作系统在32位NEC单片机中可以正常运行。

单片机底层驱动程序的设计与实现中，重点针对网关的实际应用，对CAN模块、定时器模块以及中断模块等底层驱动程序进行了设计及实现。

CAN底层驱动程序包括CAN模块寄存器初始化、CAN报文发送、CAN报文接收、CAN中断设置以及总线睡眠与唤醒设置等。

应用软件是实现网关信息交互和网络管理功能的关键，本文档主要介绍网关应用软件的设计。

1.2网关路由功能设计1.2.1接收中断处理为了减少中断处理时间，在接收中断中只进行接收滤波工作，包括接收报文帧类型、报文ID以及报文数据长度滤波，然后将需要路由的报文存入接收队列缓冲区中，同时激活接收处理任务。

接收队列的结构设计如下：#define RX_FRM_QUEUE_LEN (GATEWAY_RX_FRM_CNT<<1)/*CAN Frame Rx Queue Definition*/typedef struct _RX_FRM{tRxFrmDescr * pRxFrmDescr; /*pointer to frame in rx table*/unsigned char aucData[8]; /*Msg Data*/}RX_FRM;typedef struct _RX_FRM_QUEUE{RX_FRM astrRxFrm[RX_FRM_QUEUE_LEN];unsigned char ucWriteIndex; /*write index of the queue*/unsigned char ucReadIndex; /*read index of the queue*/ }RX_FRM_QUEUE;接收中断处理程序流程图5如下：图5 接收中断处理程序流程图1.2.2接收处理任务接收处理任务主要负责对接收队列操作，将接收队列头部报文路由至目标发送缓冲区中，同时将目的报文放入发送队列中，激活报文发送任务，最后更新接收队列。

接收处理任务程序流程如下图6所示。

图6接收处理任务程序流程图1.3报文周期发送报警处理1.3.1采用操作系统提供的报警一、对于周期发送的报文，有些需要设置周期发送定时器。

在系统设计时，可以根据发送报文表对存在周期发送方式的每个报文均设定周期报警定时器。

1、对于报文转发的情形，根据源报文和目的报文的发送周期相同与否考虑是否需要设定发送定时器。

2、但是对于信号路由的报文，则需要使用周期发送定时器，因为仅依赖于事件触发方式时难以满足周期发送的要求！二、对于周期发送简要设计如下：在接收处理任务中，如果源报文ID与目的报文ID相同，则为报文转发，此时如果报文发送周期相同，则直接将报文按事件触发方式处理，不设置发送定时器；如果报文发送周期不相同，则需要设置发送定时器。

1、如果源报文ID与目的报文ID不相同时，则为信号路由。

此时如果目的报文支持事件触发，则直接将报文写入发送队列；如果目的报文支持周期发送，则同时激活发送定时器，定时时间为发送周期，而在发送定时中断中主要负责将待发送报文写入发送队列中。

2、对于信号路由的目的报文，网关在初始化后是否需要立即周期发送默认值需要考虑（还是某个信号更新之后再开始发送）。

三、对于周期报警发送的信号路由的报文：1、如果网关未接收到源报文，则网关自动以一定周期发送默认值；2、如果网关接收到源报文，但是不支持事件触发，那么网关仍然以原来的报警周期发送该报文；3、如果网关接收到源报文，并且支持事件触发方式，那么在将目的报文插入发送队列的同时，要将报警清零，重新设置报警，防止在较短时间内同时发送两帧报文的情形，目的报文以被插入发送队列时刻为新的周期起点进行周期发送。

4、如果网关之前正常接收源报文，但突然没有接收某个源报文，那么目的报文中的信号保持最后一次的值。

四、对于周期发送的报文转发方式的报文：1、直接按照事件触发处理，即如果接收到报文，则执行转发操作；2、如果接收不到源报文，则不发送任何报文。

3、对于报文路由但源报文和目的报文周期不相同时，采取与信号路由相同的方式，但是当接收不到源报文时，立即停止发送目的报文，同时目的报文的发送起始点是接收到第一帧源报文的时刻。

五、根据上述设计，需要对接收处理任务略做更改，同时增加发送定时报警处理。

在发送定时报警中，根据报警的类型将指定报文插入队列中，同时更新发送报警计数。

六、在实际整车网络协议中，如果接收报文ID和发送报文ID相同，那么必为报文路由，报文发送周期一定是相同的，因此对报文ID相同但发送周期不同的情况网关软件设计时目前不予考虑。

1.3.2发送定时器更新模块此模块负责在系统定时中断中更新发送定时器计数值，判断定时器是否溢出并调用报文发送程序将目的报文插入发送队列。

发送定时器更新流程如下图7所示。

图7 发送定时器更新流程1.3.3路由过程中发送定时器处理模块路由过程中发送定时器处理算法如下：1、如果目的报文为周期发送，并且发送定时器未启动，则启动发送定时器；2、如果目的报文为周期发送，并且为信号路由方式，则该目的报文只在自身周期定时器溢出时进行发送，在收到源报文时并不立即转发，防止短时间内发送两次目的报文；3、如果目的报文为周期发送，并且为报文转发方式，则该目的报文在接收到源报文时立即转发，并且设置报文立即转发标志位为1；在目的报文周期定时器溢出时，会检查报文立即转发标志位，如果为1则不发送报文，如果为0表示定时周期内未接收到任何源报文，发送上一次的目的报文；4、如果目的报文不是周期发送而是事件发送方式，比如诊断报文，则该目的报文在接收到源报文时立即转发，并且设置报文立即转发标志位为1。

1.4报文发送任务报文发送任务主要负责操作发送队列，基于FIFO或ID优先级机制选择待发送报文，然后将报文发送到目的总线。

程序流程图8如下所示。

图8报文发送任务处理流程1.5报文处理数据处理部分的程序流程图如图9：图9 数据处理部分的程序流程图2网关直接网络管理功能设计及实现2.1OSEK/VDX直接网络管理介绍直接网络管理概念、网络状态、节点操作模式、NMPDU的映射、网络管理消息类型、定时器；几点关键：网络启动、节点加入和退出、节点跳过、逻辑后继节点的更新2.1.1直接网络管理概念直接网络管理使用逻辑环来实现网络监控信息的同步。

在逻辑环内，每个节点有一个地址，通信顺序独立于网络结构，每个节点都指定一个逻辑后继节点，第一个节点是逻辑环中最后一个节点的逻辑后继。

直接网络管理要求网络实现广播类型的消息传输，以便于每个节点都能接收到网络上其它节点发送的消息。

通过在应用层实现站-站通信，并监控逻辑环上的消息传递来实现对ECU和整个网络的管理。

2.1.2直接网络管理的内部状态NM组件使用传输的消息信息来确定网络的状态和配置。

网络的状态提供网络管理当前工作阶段的信息。

网络管理的三个主要的状态为NMOff、NMOn和NMShutDown。

其中NMOn包括：NM初始化NMInit、NM的激活状态NMAwake、NM处于睡眠模式NMBusSleep、使能NM通信NMActive和禁止NM通信NMPassive。

其中NMAwake包括：确定节点自身可操作的状态NMReset、直接监控处理NMNormal、节点自身故障处理NMLimpHome状态。