（计算机应用技术专业论文）参照autosar标准的汽车电子通信与应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 现代汽车上的许多电控单元，如信息系统、驾驶系统和传感执行系统等，均 由汽车网络互联。汽车网络技术已经成为各主流汽车厂商的基础技术构成。 本文调研了汽车电子领域常用的通信协议和标准，并参照a u t o s a r 标准实 现了一个通信系统s n l a n c o m ，它能够满足汽车电子领域中大多数应用对可 靠通信的需求。s m a r t c o m 通信系统采用层次化、模块化的设计，主要由c o m 层和p d u 路由层( p r o t o c o ld a t au n i tr o u t e r ) 构成。c o m 层封装信号为待发送 的i - p d u ( i n t e r a c t i o np r o t o c o ld a t au n i t ：交互层协议数据单元1 ，并从接收的i - p d u 中解析信号，为电控单元内部通信和外部通信提供了一个统一的接口。p d u 路 由层在不同的硬件抽象通信控制器之问和上层模块之间提供路由。在一个应用系 统中，需要进行通信的结点可以通过运行时环境调用s m a r t c o m 提供的接口收发 信号，而s m a r t c o m 以i - p d u 的形式与下层总线通信协议栈交互。 本论文的主要工作总结为以下几方面： 1 ) 分析了a u t o s a r 标准的体系架构，并参照标准设计了s m a r t c o m 通信 系统的架构和层次。s m a r t c o m 通信系统支持多总线网络，独立于底层 的操作系统和硬件，具有良好的扩展性和广泛的适用性。 2 1 具体实现了s m a r t c o m 通信系统，它支持信号收发、信号路由、信号组 操作、网关操作、信号过滤、通信传输控制等功能，具有可裁剪和可配 置等特性。 3 ) 把s m a r t c o m 通信系统实现和在汽车电子中的应用结合起来。具体设计 了一个应用实例，将s m a r t c o m 应用于桑塔纳平台车灯演示系统中，分 析了应用的优势和结果，并给出了将s m a r t c o m 用作其他汽车电子系统 通信子系统的步骤。 关键词s m a r t c o m ，a u t o s a r ，通信，应用，汽车电子 a b s t r a c t n o w a d a y s ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o v e r sm a n yp a r t so fav e h i c l e ，s u c h 勰 c o n t r o ls y s t e m s ，i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，s e n s o rs y s t e m s ，d r i v i n gs y s t e m sa n ds o o n a u t o m o t i v en e t w o 呔t e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m ev e r yi m p o r t a n tf o rm a i n s t r e a m v e h i c l e m a n u f a c t u r e r s t h i st h e s i si n v e s t i g a t e sp o p u l a rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n ds t a n d a r d su s e di n t h ef i e l do fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s r e f e r r i n gt oa u t o s a r s t a n d a r d s ，w ei m p l e m e n ta c o m n l l l n i c a 6 0 ns y s t e mn a m e ds m a r t c o m ，w h i c hc o n s i s t so f ac o m l a y e ra n d ap d u r o u t e rl a y e r t h ec o ml a y e rp r o v i d e sc o m m o n i n t e r f a c e sa n db e h a v i o rf o ri n t e r - e c u c o n u n u i l i c a t i o n ( c o m m u n i c a t i o nw i t h i na ne l e c t r o n i c c o n t r o lu n i oa n di n t m _ e c u c o i 砌u 血c a t i o n ( c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn e t w o r k e dv e h i c l en o d e s ) t h ep d u r o u t e r p r o v i d e sr o u t i n gf u n c t i o na m o n gh a r d w a r e a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r sa n d u p p e rh 1 0 d u l e s s m a r t c o mi n t e r a c t sw i t hl o w e rb u sc o m m u n i c a t i o n s t a c ki nf o r mo f i - p d u s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sc a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , w ed e s i g n t h ea r c h i t e c t u r eo fs m a r t c o mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n d e p e n d e n to fu n d e r l y i n go p e r a t i n gs y s t e ma n d h a r d w a r e ，s m a r t c o mi ss c a l a b l ea n d h a sb r o a da p p l i c a b i l i t y s e c o n d l y ，w ei m p l e m e n ts m a r t c o m ，w h i c hp r o v i d e sf u n c t i o n ss u c h a ss i g n a l s e n d i n ga n dr e c e i v i n g s i g n a lr o u t i n g ，s i g n a lg r o u po p e r a t i o n , g a t e w a yo p e r a t l o n ， s i g n a lf l i t e r i n ga n dc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n c o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，s m a t c o m s u p p o r t sn o t i f i c a t i o nm e c h a n i s ma n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，a n dc a l l b e c o n f i g u r e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f m o s ta u t o m o t i v ee l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s f i n a l l v w eu s es m a r t c o mi ns a n t a n al i g h td e m os y s t e m ，a n da n a l y s e l e a d v a n t a g e sa n dr e s u l t so fu s i n gi t t h e nw ei l l u s t r a t eh o w t ou s ei ti no t h e ra u t o m o t i v e e l e c t r o n i ca p p l i c a t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：s m a r t c o m ，a u t o s a r ，c o m m u n i c a t i o n ，a p p l i c a t i o n ，a u t o m o t l v e e l e c t r o n i c 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 1 1 基于c a n 的协议和规范一5 1 2t c p i p 层次模型图7 1 3o s e kc o m 层次模型7 2 1o s e kc o m 分层模型图1 l 2 2o s e kc o m 通信模型1 2 2 3a u t o s a r 体系架构图1 4 2 4a u r o s a r 配置过程1 5 2 5a u t o s a rc a n 通信栈1 6 3 1s m a r t c o m 通信系统层次图1 9 3 2c o m 层的功能模块图2 l 3 3p d ur o u t e r 的结构图2 2 3 4p d ur o u t e r 的功能模块图2 3 4 1c o m 层一些重要概念间的关系2 5 4 2c o m 配置结构图2 8 4 3c o m 外部发送交互模型3 0 4 4 发送模式选择3 2 4 5c o ms e n d s i g n a l 流程图3 3 4 6 信号组的发送3 4 4 7c o m 外部接收交互模型3 6 4 8c o mr x i n d i c a t i o n 流程图3 7 4 9 信号组的接收3 8 4 1 0c o m 信号网关交互模型一4 0 4 1 1c o md i s a b l e r e c e p t i o n d m 流程图4 2 5 1p d ur o u t e r 的配置结构5 0 5 2 非t pp d u 的发送过程5 2 5 - 3 无速率转换的非t p 网关操作过程5 4 5 4 有速率转换的非t p 网关操作过程5 6 5 5p d ur o u t e r 状态转移图5 8 6 1 通信系统测试方案6 1 6 2s m a r t o s e ko s 系统结构图6 2 6 3 测试p d u 发送路由时c o d e w a r r i o r 终端子窗口信息6 3 6 4 测试p d u 发送时c a n 分析仪接收端信息6 3 6 5 测试c o m 外部接收时c a n 分析仪发送端6 5 6 6 测试c o m 外部接收时开发板串口输出6 6 6 7 桑塔纳平台6 8 6 8 桑塔纳平台演示系统现有硬件结构6 9 1 1 i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学硕士学位论文图目录 图6 9 桑塔纳平台演示系统现有软件结构7 0 图6 1 0 通信系统在桑塔纳车灯演示系统中的应用7 2 图6 1 1 通信系统的其他应用7 4 i v 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 4 1c o m 层配置和启动服务a p i 表2 8 4 。2c o m 层信号和信号组发送a p i 表3 0 4 3c o m 层信号和信号组接收a p i 表3 5 4 4c o m 层信号无效相关a p i 表3 9 4 5c o m 层死期监控相关a p i 列表4 1 5 1 路由引擎函数列表4 9 5 2p d u rc a n i f r x l n d i c a t i o n 用的路由表5 1 5 3p d u rc o m t r a n s m i t 使用的路由表5 3 5 4m u l t i l ft r a n s m i t 使用的路南表5 3 5 5m gi f r x i n d i c a t i o n 用的路由表一5 5 6 1p d ur o u t e r 单元测试结果6 4 7 1s m a r t c o m 对a u t o s a r 规定功能的支持程度7 7 v 表表表表表表表表表表表表 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鄯诉文 签字日期： 2 嘏年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：虱i 繇叉 签字日期：砷g 年 月 日 导师签名：抽毛飧 签字日期：训。睁6 月7 日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。电子技术为解决汽车所面临的诸多 问题提供了最佳方案。从电控喷油、电子点火、自动变速到电子转向助力，从巡 航自控到通信导航、移动办公、车载娱乐等各个部分，汽车电子系统在整车中所 占的比重正逐年增大，其成本在汽车整车成本中所占比例也相应地逐步提高。8 0 以上的汽车创新技术和2 3 以上的高端汽车总体制造成本来自于汽车电子。汽车 电子对提高汽车的动力性、经济性、安全性，改善汽车行驶稳定性和舒适性，推 动汽车工业以及电子工业的高速技术发展具有重要作用。 在过去1 0 年里，汽车工业发生了两个显着变化。其一是增长的基点正在从 欧美市场向以亚洲国家为主的发展中地区市场转移。数据显示，2 0 0 7 - - 2 0 1 2 年亚 洲和欧洲将会主导全球汽车产量的8 9 ，亚洲国家将成为汽车消费的主力军。二 是，在市场成熟的欧美国家，汽车的性能的提高更多地依赖于电子技术。有研究 表明，从1 9 8 9 年至2 0 0 5 年，电子设备在整车制造成本所占比例，由1 6 增至 3 0 以上。而目前每部新车的i c 的成本约在3 1 0 美元左右，估计到2 0 1 0 年将增 长到3 5 0 美元左右。 无论是市场重心向发展中国家转移，还是技术重心向电子技术倾斜，都将势 必影响到汽车电子发展的方向。中国汽车市场的持续高速增长，与此同时对于汽 车安全、节能、环保以及智能化、信息化的要求日益严格，成为促进中围汽车电 子市场快速发展的原动力，引起全球汽车电子产业的关注。 作为汽车电子的重要组成部分，汽车网络技术也成为国内汽车电子厂商的关 注热点。通讯网络已经促使汽车进入网络化、数字化的时代，生产商不断把这些 技术融入到诸如电子刹车和驾驶系统及新兴的混合驱动等领域的创新。现在我们 可以看见，很多汽车的控制系统、驾驶系统、信息系统、传感执行系统、娱乐系 统、g p s 都通过如c a n 总线联系在一起，使汽车成为一个智能平台。以上事实 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 充分说明，汽车电子和汽车网络技术正在迎来新的机遇，同时也不断革新人们对 汽车的认识，汽车将由“会走的一堆钢铁”转变成的“会走的计算机”f l 】。 1 1 1 汽车网络概述 汽车网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内众多的控制 模块( 或节点) 联结起来，使若干的传感器、执行机构和e c u 公用一个公共的 数据通道。借助通讯协议，在网络控制器的管理下共享传输通道和数据【2 】。 汽车内部网络，除了应具有一般网络优点外，还应具有以下特点： 1 组成结构； 2 灵活，即针对不同的汽车电子设备配置，无需对整个控制系统进行重新 设计，而只需对其相应部分进行调整； 3 网络的构成容易，即所用的软、硬件均是普遍流行的，使设计人员容易 进行开发和升级； 4 使用同一资料，即所有子系统均使用同一资料，不仅可减少传感器的使 用，而且还可提高子系统的控制精度，解除子系统采集、转换资料所带 来的负担，也可提高其工作效率； 5 生产成本低： 6 在不增加硬件的情况下可以提高、扩充子系统的功能； 7 能进行车载电子设备的故障自诊断。 经过多年的发展与完善，汽车网络技术目前已经成为各主流汽车厂商的基础 技术构成。各企业的网络协议标准定义了企业级物理层、数据链路层、传输协议、 应用层和故障诊断规范。不仅如此，为了保证遵守此协议的软件的高质量和短的 开发周期，整车厂商通常还规定了在开发汽车电子产品时必须使用由专业软件供 应商提供的协议栈软件、相关的开发工具，以及必须遵守的开发和测试流程。拥 有网络协议、测试标准和相关的流程可以使企业在产品开发、供应商开发、产品 外包、内部培训等方面变得更加高效、易于控制和管理。 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 2 现场总线技术 现场总线应用在生产现场，是在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字 通信的系统，被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。国际上众多知 名汽车公司积极致力于总线技术的研究与应用，经过二十多年的发展，目前在汽 车控制领域已存在有多种总线标准，其侧重的功能有所不同，如c a n 、l i n 、v a n 、 f l e x r a y 、t r p 、d 2 b 、m o s t 等标准和协议。 s a e 车辆网络委员会按照传输速率将汽车网络分为a 、b 、c 三类。 a 类总线为低速总线，目前的代表为l i n 协议，采用s c i 和u a r t 等通用硬 件接口，传输速度最高为2 0 k b p s 。 b 类总线传输速率在l o k 到1 2 5 k b p s 之间，当前主流协议为c a n ( i s o1 1 8 9 8 ) 、 s a e j l 8 5 0 等。欧洲市场采用的b 类网络协议是c a n 。c a n 分为低速和高速两部 分，高速c a n 属于c 类网络协议。 c 类总线传输速率在1 2 5 k b p s 到1 m b p s 之间，主要用于与汽车安全相关以及 对实时性要求很高的地方。如，s a e 一儿9 3 9 为2 5 0 k b p s ，轿车多为5 0 0 k b p s 。 c a n ，伞称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。c a n 被用在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息， 形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电 子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。c a n 总线的最大特点是，任一节点所发 送的数据信息不包括发送节点或接收节点的物理地址。信息的内容通过一个标识 符( i d ) 作上标记，在整个网络中，该标识符是唯一的。网络上的其他节点收到 信息后，每一节点都对这个标识符进行检测，以判断此信息是否与自己有关。若 是相关信息，则它将得到处理，否则被忽略。这一方式称为“多主”方式。采用 “多主”方式的优点是可使网络内的节点数在理论上不受限制( 实际上受限于电 器负载) ，也可以使不同的节点同时接收到相同的数据。c a n 经过2 0 年的发展， 目前在汽车动力总成中已占据8 5 的市场份额。 l i n ，全称为“l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ”，专为降低汽车成本而开发的一种 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 总线系统，它是现有汽车c a n 网络功能的补充。在现代汽车改革方面，l i n 也 是较为普遍使用的一种总线，它作为c a n 总线的补充，可有效地降低汽车制造 成本。主要用于汽车外围设备的网络连接，应用最多的是灯光照明、车窗座椅、 电动天窗等的控制传输【3 】。 f l e x r a y 是为高速率数据传输和高级控制应用而设计的故障容错协议【4 】。应用 在车载网络，f l e x r a y 的网络带宽可能是c a n 的2 0 倍之多。f l e x r a y 还能够提 供很多c a n 网络所不具有的可靠性特点。尤其是f l e x r a y 具备的冗余通信能力 可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。f l e x r a y 同时提供灵活的 配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。另外，f l e x r a y 可以进行同 步( 实时) 和异步的数据传输，来满足车辆中各种系统的需求。f l e x r a y 的重要 应用之一是线控操作( 如线控转向、线控刹车等) ，即利用容错的电气电子系统 取代机械液压部分。f l e x r a y 还可用于替代c a n 网络。现在，在数据速率要求 超过c a n 的应用中，均可同时使用两条或多条c a n 总线。由于f l e x r a y 传输速 率高，所以是替代这种多总线解决方案的理想技术。 1 1 3 汽车电子通信协议和标准 各大汽车厂商从上个世纪8 0 年代开始了汽车网络技术的研究，并取得了很 大的发展，形成了许多适合不同传输速率的网络标准和协议。c a n 总线具有良好 的性能以及独特的设计，是在车辆领域中应用最广泛的一种总线。世界上一些著 名的整车制造厂商， 比如奔驰( b e n z ) 、宝马( b m w ) 、保时捷( p o r s c h e ) 、劳斯 莱斯( r o l l s - - r o y c e ) 和美洲豹( j a g u a r ) 等，都采用了c a n 总线来实现汽车内 部控制系统与各检测和执行机构问的数据通信。因此，根据支持的总线类型的不 同，本文把各种汽车电子通信协议和标准分为基于c a n 的通信协议和规范与其 他通信协议和规范。 1 基于c a n 的通信协议和规范 如图1 1 所示，基于c a n 的协议和规范覆盖了多个层次【5 1 ，包括物理层、数 据链路层、应用层等。 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 1 基于c a n 的协议和规范 c a n 规范2 0 c a n 规范2 0 的目的是为了在任何两个c a n 仪器之间建立兼容性，内容包 括了c a n 的报文格式说明，标准格式和扩展格式的说明。 c a n 规范2 0 定义了两种通信格式：标准信息帧和扩展信息帧，它们都具有 7 个位域，二者的差别在于仲裁域，标准帧有1 1 位标识码，而扩展帧有2 9 位。 j 1 9 3 9 协议 s a e j l 9 3 9 通信协议是由美国汽车工程师协会卡车和公共汽车电气电子 委员会下的控制和通信网络分委员会制定的高层c a n 网络通信协议。它主要用 于为重型道路车辆上电子控制单元之间的通信提供标准的体系结构，是目前在大 型汽车中应用最广泛的应用层协议。j 1 9 3 9 是一个高速的通信网络，可达到 2 5 0 k b p s 的速率。j 1 9 3 9 协议以c a n 2 0 为网络核心，包括物理层、数据链路层、 网络层、应用层的协议。 j 1 9 3 9 使用的c a n 协议允许任何一个e c u 在总线空闲的时候向网络发送消 息，每一个消息包括了一个用来定义消息优先级、谁发送的消息以及消息中包含 了什么数据的标识符。标识符同时避免了冲突的产生，这允许在发生竞争的时候 5 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 高优先级的消息得到总线的访问权。 在j 1 9 3 9 中存在着三种最主要的通信方法：目的特定通信、广播通信和私有 通信，每一种通信方法都有特定的用途。 c a n o p e n 协议 在欧洲，c a n o p e n 协议被认为是在基于c a n 的工业系统中占领导地位的标 准。依靠c a n o p e n 协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。是 一种应用层协议。c a b o p e n 协议详细说明了标准的通信机制和设备功能。该协议 由c a ni na u t o m a t i o n ( c i a ) 维护【6 】。 c a n o p e n 网络系统最早是为了汽车工业控制系统而提出的，而实际上 c a n o p e n 网络已经广泛地应用于其它的应用领域，例如：工业铲车，救火车等专 业车辆；铁路，公路等公共运输行业；货船等海运设备；电子x 断层摄影仪，电 子医疗设备等等医疗设施；机器人等嵌入式机器控制领域。 c a n o p e n 对未来主导市场的环保汽车f 混合动力汽车、电动汽车和燃料电池 汽车) 、多功能汽车、工程机械及客车车身控制网络起着决定性的作用。 c a n o p e n 的核心概念是设备对象字典( o d ：o b j e c td i c t i o n a r y ) ，在其它现场 总线系统中也使用这种设备描述形式。在c a n o p e n 中存在着三种通信模式：生 产者消费者模式、客户服务器模式和主从模式。 2 其他通信协议和规范 尽管新开发出的总线通信速度越来越高，但是还没有一个通信网络可以完全 满足未来汽车的所有成本和性能要求。而且，随着汽车网络技术的发展进步，一 些特定用途或速度更快的新型总线还会被陆续研发出来。因此需要能够基于多种 总线和底层协议的通信协议和规范。 t c p h p 协议 t c p i p 协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底 层协议( 例如t 1 和x 2 5 、以太网以及r s 2 3 2 串行接口) 之上。确切地说，t c p i p 协议是一组包括t c p 协议和i p 协议，u d p 协议、i c m p 协议和其他一些协议的 协议组。如图1 2 所示，t c p i p 协议包括应用层、传输层、互联网络层和网络接 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 口层四层的协议，每一层可以使用下层提供的功能。 应用层 ( f t p 、t e l n e t 、s m t p 等) 传输层 ( t c p 、u d p ) 互连网络层 ( i p ) 网络接口层 图1 2t c p i p 层次模型图 o s e k c o m 标准 o s e kc o m 为汽车控制单元应用软件提供了一个统一的通信环境，为内部通 信和外部通信定义了公共的软件通信接口和行为，增强应用软件模块的可移植 性。是在网络层之上、应用层之下的交互层的标准，如图1 3 所示。 o s e kc o m 层次模型 应用层 交互层 i s o o s i 模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 3o s e k c o m 层次模型 a u t o s a rc o m 标准 是从o s e kc o m 的基础上发展而来的，基于a u t o s a r 的体系架构，是 a u t o s a r 标准的一部分，是网络层之上、应用层之下的标准。 1 1 4a u t o s a r 标准 当前的汽车电子软件开发大多采用私有的解决方案，很少能在两个制造商之 7 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 问交换应用程序。很显然，随着功能指数级的扩充，私有解决方案的未来增长会 消耗越来越多的资源，变得很难控制。因此，在整个汽车控制系统开发过程中越 来越需要分享软件成分，对软件标准化的需要越来越迫切。通过标准化，可以使 先前开发的软件在新产品中使用，以及在来自不同制造商的微型计算机和微处理 器中使用。将来它可以使电子系统越来越多地应用在汽车中。 a u t o s a r 是由汽车、电子和软件业界的几家主要厂商建立的团体，主要成 员有i b m ，b m w , v o l k s w a g e n ，d a i m l e r c h r y s l e r , b o s c h , s i e m e n s 以及c o n t i n e n t a l t e v i s 等知名公司【7 1 。a u t o s a r 旨在为汽车电子建立一个开放的标准和架构，改 进汽车平台、制造商应用程序和供应商解决方案之间不同组件的可交换性、可复 用性，改进集成电子体系的复杂度管理，使得汽车工业能够集中精力在用户需求 上【8 】【9 】【l o 】。参照a u t o s a r ，不同的开发者能在标准上合作，在实现上竞掣1 1 1 。 a u t o s a r 的目标是： 解决汽车功能的可用性和安全性需求； 保持汽车电子系统一定的冗余； 可以移植到不同汽车的不同平台上； 实现标准的基本系统功能作为汽车供应商的标准软件模块； 通过网络共享软件功能； 集成多个开发商提供的软件模块； 在产品生命期内更好的进行软件维护； 更充分的利用硬件平台的处理能力； 进行汽车电子软件的更新和升级【1 2 】。 目前，浙江大学e s e 实验室已经在a u t o s a r 标准化工作方面取得了一些 成果，包括： 参照a u t o s a r 标准的汽车电子板级支撑平台s m a r t b s p 已完成。s m a r t b s p 采用层次模块化的结构设计方法，针对汽车电子的应用特 点对底层硬件进行抽象，包含一个功能丰富、可配置的底层驱动库和一套统一的 硬件抽象接口，向上屏蔽具体的硬件细节，通过提供统一的接口，实现上层软件 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 可移植，并根据需要调用驱动库中程序实现对硬件的直接操作。 s m a r t b s p 以c 代码的形式提供。用户开发软件系统时，将需要的模块包含 进工程当中，通过直接调用a p i 实现硬件操作功能。 参照a u t o s a r 标准的总线通信协议栈 在研项目。总线通信协议栈采用层次化结构，分为通信驱动层、通信接口层 和传输协议层。通信驱动层实现对各种总线控制器硬件单元的访问，并为上层模 块提供与硬件独立的应用编程接口；通信接口层抽象了微控制器的位置和电控单 元的硬件布局，提供了一种平等的总线访问机制，并向上层提供平台无关的接口， 方便系统移植；传输协议层主要实现大数据帧的收发，数据拆分、数据组装和流 量控制等。参照a u t o s a r 标准的总线通信协议栈运行在本文所述的通信系统底 层，在测试和应用阶段将会使用到。 参照a u t o s a r 标准的运行时环境中间件一- - s m a r t r t e 在研项目。s m a r t r t e 软件套装由三个部分组成：1 ) 软件组件和系统描述文件 模板；2 ) s m a r t r t e 运行g l n ；3 ) s m a r t r t e 代码生成器。s m a r t r t e 运行在本文所 述的通信系统的上层。 1 2 主要内容和贡献 本文在调研了汽车电子各种通信协议和标准的基础上，提出了参照 a u t o s a r 标准的汽车电子通信系统s m a r t c o m 的整体设计方案，并详细说 明了通信系统的c o m 子层和p d ur o u t e r 子层的具体设计和实现。其中c o m 层 介绍了配置和启动、信号和信号组的收发、信号处理和可靠性保障等功能的设计 和实现；p d ur o u t e r 层介绍了p d u 的收发路由、网关路由、状态管理等功能的 设计和实现。然后，本文还介绍了通信系统在汽车电子通信过程中的应用。 本论文的主要贡献： 参照a u t o s a r 标准设计了一种层次化、模块化、易于扩展的通信系统 整体架构，该通信系统支持多总线网络。 具体实现了该通信系统，功能覆盖汽车电子领域中常用的操作，包括配 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 置、信号收发、网关操作、路由等。 把通信系统设计和在汽车电子中的应用结合起来，提出了通信系统的其 他应用方案。 1 3 本文结构 第一章( 绪论) 介绍了论文的背景，主要内容和贡献。 第二章( 技术基础) 介绍了通信系统的技术基础，包括o s e k v d x 标准和 a u t o s a r 标准。 第三章( 总体设计) 设计了通信系统的架构和层次，包括总体架构、c o m 子层的结构和功能、p d ur o u t e r 子层的结构和功能。 第四章( 具体实现) 介绍了通信系统c o m 层的具体设计和实现。 第五章( 具体实现) 介绍了通信系统p d ur o u t e r 层的具体设计和实现。 第六章( 测试和应用) 介绍了通信系统的测试，描述了测试方案和测试环境， 并设计了测试案例；将系统应用到汽车电子通信过程中，设计了应用场景，并分 析效果。 第七章( 总结与展望) 总结了本文的工作，展望了通信系统的未来发展。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题背景，包括汽车网络技术，现场总线技术，汽车电子通 信协议和标准。简要介绍了a u t o s a r 标准和实验室在a u t o s a r 标准化工作方 面的进展。然后介绍了本文的主要内容和贡献。最后，介绍了本文的结构。 l o 浙江大学硕士学位论文第2 章通信系统技术基础 第2 章通信系统技术基础 本文设计的通信系统主要参考了o s e kc o m 通信技术和a u t o s a r 相关技 术，包括a u t o s a r 体系架构、配置方法和通信协议栈的设计。 2 1o s e kc o m 通信技术 o s e kc o m 标准是欧洲汽车电子工业标准o s e k v d x 标准的一个重要组成 部分，目的是要在汽车通信的接口和协议上达成一致。o s e kc o m 的通信基于消 息对象和i - p d u 。如图2 1 所示，o s e k c o m 包含了交互层以及交互层与网络层、 数据链路层的接口。 图2 1o s e k c o m 分层模型图 l l 浙江大学硕士学位论文 第2 章通信系统技术基础 交互层【1 3 】 交互层提供了o s e kc o m 收发消息服务的a p i 。外部通信需要使用下层提 供的服务，而内部通信完全由交互层处理。 网络层 网络层处理消息分割、重组和应答，提供流控制机制，允许具有不同性能的 通信对等体交互。 数据链路层 网络层使用数据链路层提供的服务。 o s e kc o m 标准并没有详细说明网络层和数据链路层，仅仅为网络层和数据 链路层定义了支持交互层的最小需求。 o s e kc o m 规范定义了两种通信类型：内部通信和外部通信。两种通信类型 的简化模型如图2 2 所示。 图2 2o s e k c o m 通信模型 1 2 照明程序 突踅烂 筑联 浙江大学硕士学位论文第2 章通信系统技术基础 内部通信不需要经过下层总线而只是在e c u 内部进行；也不需进行数据打 包、字节序转化、数据解包等：外部通信需通过下层网络在e c u 之间进行；提 供最后期限控制，规定消息发送和接收都必须在给定的时间内完成。 o s e k c o m 支持： 不同长度消息： 支持零长消息、静态长度消息和动态长度消息。其中，静态长度消息又可以 分为队列消息和非队列消息。 外部消息两种发送属性： 触发发送属性：指定i - p d u 中的消息被更新必须要做出i - p d u 的发送请求。 未决发送属性：i - p d u 中的消息被更新，但不需要做出i - p d u 的发送请求。 三种传输模式： 直接传输模式：当发送消息时同时发送触发属性消息，则传输开始。 周期传输模式：在预先设定好的周期里，i - p d u 被反复传输。 混合传输模式：i - p d u 的传输使用直接传输模式和周期传输模式。 四种通知机制： c a l l b a c k 程序：i l 层调用一个c a l l b a c k 程序，这个程序由应用层提供。 标记：交互层设置一个标记。 事件：交互层为应用层设置一个事件。 2 2a u t o s a r 相关技术 本节介绍了通信系统设计时参考的a u t o s a r 相关技术，包括a u t o s a r 体 系架构、配置过程，和a u t o s a rc a n 通信栈的设计。 2 2 1 体系架构 如图2 3 所示，a u t o s a r 采用分层的体系架构，从上至下依次为应用层、 r t e 层、系统服务层、e c u 抽象层和微控制器抽象层，还有一个复杂驱动模块 【1 4 l 【1 5 】。一般情况下，每一层只能使用下一层的接口，并向上一层提供接口。 浙江大学硕士学位论文第2 章通信系统技术基础 图23 a u t o s a r 体系架构图 应用层 a u t o s a r 软件组件，包括应用软件组件、传感器和执行器软件组件，都位 于应用层。该层的软件组件通过r t e 进行内部通讯和访问e c u 资源。应用层的 软件实现独立于微控制器、e c u 和硬件。 r t e 层 r t e 层的目的就是使得应用层的软件实现与具体硬件无关，它为应用层提供 通讯服务。r t e 层的实现与e c u 和具体应用相关，必须为每个e c u 分别实现。 a u t o s a r 软件组件之间通信需要通过r t e 。 服务层 服务层包含通讯、服务、操作系统等模块。它为应用和基础软件模块提供基 本服务，包括：操作系统服务、汽车网络通讯和管理服务、存储服务、诊断服务 和e c u 状态管理。服务层的实现部分与微控制器、e c u 硬件和具体应用相关。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章通信系统技术基础 e c u 抽象层 e c u 抽象层为上层抽象e c u 布局。它包含外部设备的驱动。e c u 抽象层的 实现与e c u 硬件相关，与微控制器无关。 微控制器抽象层 微控制器抽象层为上层抽象微控制器，使得上层模块独立于微控制器。它位 于基础软件的最底层。包含驱动程序，能直接访问微控制器内部设备和主存映射 的外部设备。 复杂驱动 复杂驱动与其他各层不同，它无法被归入某一层中，因此被单独列出。它为 处理复杂传感器和执行器实现特殊的功能和定时需求。 2 2 2 配置过程 a u t o s a r 的配置过程如图2 4 所示【1 6 1 。 i a u t ( ) s a r8 s ￥v o n f ；g u f a 弛nt o o l 图2 4a u t o s a r 配置过程 a u t o s a r 配置包括编译前配置、链接时配置和构建后配置【1 7 1 。 浙江大学硕士学位论文第2 章通信系统技术基础 编译前配置：源代码方式提交，配置参数不能在编译后修改。 链接时配置：目标代码方式提交，配置参数不能在链接后修改。 构建后配置：配置参数存储在一个已知的存储位置，可以以源代码或目标代 码方式提交。分为构建后可装载配置和构建后可选择配置。 2 2 3c a n 通信栈 c a n 通信栈的结构如图2 5 所示，从上到下分别是通信服务层、通信硬件 抽象层、通信驱动和通信硬件。通过把c a n 相关的模块替换成l i n 或f l e x r a y 模块，c a n 通信栈可以被转换成l i n 或者f l e x r a y 通信栈。 通信服务层 图2 5a u t o s a rc a n 通信栈 1 6 浙江大学硕士学位论文第2 章通信系统技术基础 c a n 通信服务是用于汽车网络c a n 通信的一组模块，对c a n 网络提供了 一个统一接口，对应用层隐藏了协议和消息属性。c a nt r a n s p o r tp r o t o c o l ( 传输 协议模块) 用来传输分段数据。p d ur o u t e r 允许从一条总线到另一条总线直接路 由协议数据单元。a u t o s a rc o m 和d c m