整車網(wǎng)絡(luò)管理介紹

隨著桀驁不馴的智駕域的加入，整車網(wǎng)絡(luò)管理難度也隨之加大，已經(jīng)開始挑戰(zhàn)各主機(jī)廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如何對(duì)包含智駕域的整車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，如何將有限的能量轉(zhuǎn)換為無(wú)限長(zhǎng)的放置時(shí)間，成為主機(jī)廠會(huì)議室中一個(gè)重要的議題，本文就對(duì)擔(dān)負(fù)著減少整車能量消耗的網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行介紹。1、喚醒休眠整車上的部分控制器會(huì)一直由小電瓶供電，這樣才能支持你隨心所欲地遠(yuǎn)程控車、遙控尋車等功能，但是車輛在長(zhǎng)時(shí)間靜置的時(shí)候，如果一直保持著功能就緒狀態(tài)的電量消耗，那么車輛上小電池的電量將會(huì)急劇減少，雖然現(xiàn)在電動(dòng)車都設(shè)計(jì)有大電池給小電池的補(bǔ)電策略，但這種消耗帶來(lái)的續(xù)航里程減少也是不可容忍的，為了規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，就需要對(duì)常電供電的控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。在整車網(wǎng)絡(luò)管理的眼中，控制器沒(méi)有了算力高低之分，沒(méi)有了高矮胖瘦之分，有的只是喚醒和休眠之分。車輛在需要控制器出苦力的時(shí)候（整車上電）將其喚醒，而在準(zhǔn)備吃香喝辣的時(shí)候（整車下電）又將其休眠，地主老爺不過(guò)如此。對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，喚醒的時(shí)候究竟是醒了什么，怎么醒的？休眠的時(shí)候究竟是眠了什么，怎么眠的？這是正式介紹網(wǎng)絡(luò)管理前必須要理清的概念。對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，常用的喚醒方式有硬線喚醒和網(wǎng)絡(luò)喚醒，與之相對(duì)應(yīng)的休眠方式也就有硬線休眠和網(wǎng)絡(luò)休眠。（1）硬線喚醒休眠硬線喚醒休眠是指通過(guò)電壓或電流方式喚醒休眠控制器，整車控制器常用的硬線喚醒休眠方式為KL15點(diǎn)火信號(hào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（燃油車）或整車上高壓（電動(dòng)車）時(shí)，KL15點(diǎn)火信號(hào)會(huì)由0V上升到12V。不同控制器基于實(shí)現(xiàn)的功能不同，硬線喚醒休眠的內(nèi)部邏輯也會(huì)有所區(qū)別，本節(jié)為了解釋硬線喚醒休眠的邏輯，以一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)為例，給出了一種使用KL15點(diǎn)火信號(hào)喚醒控制器的可能硬件架構(gòu)，如圖1所示。圖1一種支持硬線喚醒休眠的硬件架構(gòu)該系統(tǒng)由CPU，承擔(dān)電源管理功能的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SystemBasisChip，SBC），CAN收發(fā)器、外部存儲(chǔ)器、溫度傳感器、蓄電池等組成。圖1中紅色實(shí)線和虛線代表電源線、黑色實(shí)線代表信號(hào)線。在該系統(tǒng)中SBC直接接蓄電池，也就是由KL30供電，除非蓄電池發(fā)生故障或饋電，否則無(wú)論整車點(diǎn)火還是熄火，SBC都會(huì)有電。SBC的喚醒接口接KL15點(diǎn)火信號(hào)，在整車沒(méi)有點(diǎn)火或上高壓時(shí)，KL15端電壓為0，SBC判斷整車沒(méi)有喚醒需求，從而進(jìn)入到Sleep模式，且不對(duì)片內(nèi)其他模塊供電，其他模塊進(jìn)入到OFF或Shutdown模式，此時(shí)控制器整體對(duì)外表現(xiàn)出一種低功耗休眠模式，控制器的靜態(tài)電流也就是這種模式下的電流，傳統(tǒng)控制器的靜態(tài)電流常要求20mA以內(nèi)。當(dāng)整車點(diǎn)火或上高壓，KL15端電壓升高到12V，SBC檢測(cè)到整車有喚醒需求，由Sleep模式一步步跳轉(zhuǎn)到Normal模式，并打開對(duì)CPU、CAN收發(fā)器、外部存儲(chǔ)器、溫度傳感器等模塊的供電，整車控制器隨之開始正常工作。當(dāng)整車熄火或下高壓，SBC和CPU同時(shí)檢測(cè)到KL15端電壓下降，CPU進(jìn)行下電前的準(zhǔn)備工作，包括緩存寫入外部存儲(chǔ)器，并將是否準(zhǔn)備好下電的狀態(tài)通過(guò)SPI告知SBC，SBC收到CPU準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)后，按照設(shè)定好的順序依次切斷其他模塊的供電，自身隨后一步步跳轉(zhuǎn)到Sleep模式。（2）網(wǎng)絡(luò)喚醒休眠網(wǎng)絡(luò)喚醒休眠是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文喚醒休眠控制器，CAN網(wǎng)絡(luò)下一種網(wǎng)絡(luò)喚醒硬件架構(gòu)如圖2所示。圖2一種支持網(wǎng)絡(luò)喚醒休眠的硬件架構(gòu)CAN收發(fā)器通過(guò)一個(gè)DCDC和KL30直連，在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)喚醒需求的時(shí)候，CAN收發(fā)器進(jìn)入Sleep模式，一旦檢測(cè)到CAN總線上有網(wǎng)絡(luò)喚醒報(bào)文，CAN從Sleep模式恢復(fù)，INH引腳產(chǎn)生一個(gè)10ms的高電平信號(hào)，SBC的WAK引腳檢測(cè)到一個(gè)10ms的高電平信號(hào)，SBC被喚醒。SBC收到喚醒信號(hào)后，由Sleep模式一步步跳轉(zhuǎn)到Normal模式，并打開對(duì)CPU、外部存儲(chǔ)器、溫度傳感器等模塊的供電，整車控制器隨之開始正常工作，休眠過(guò)程與之類似。知道了喚醒休眠的本質(zhì)，接下來(lái)就能介紹網(wǎng)絡(luò)管理了，目前整車上常用的網(wǎng)絡(luò)管理方式包括OSEK網(wǎng)絡(luò)管理和AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理，下文將逐一介紹。2、OSEK網(wǎng)絡(luò)管理為了解決汽車控制技術(shù)通信和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展多元化帶來(lái)的軟件移植和不同應(yīng)用程序的接口協(xié)調(diào)問(wèn)題，德國(guó)汽車工業(yè)界在1993年推出了OSEK（opensystemsandthecorrespondinginterfacesforautomotiveelectronics）體系，定義汽車開放式系統(tǒng)及接口。1994年法國(guó)標(biāo)致雷諾將汽車分布式運(yùn)行系統(tǒng)VDX（vehicledistributedexecutive）納入OSEK。在1995年召開的OSEK研討會(huì)上，眾多的廠商對(duì)OSEK和VDX的認(rèn)識(shí)達(dá)成了共識(shí)，產(chǎn)生了OSEK/VDX規(guī)范(1997年發(fā)布)。它主要由四部分組成：操作系統(tǒng)規(guī)范(OSEKOperatingSystem，OSEKOS)、通信規(guī)范(OSEKCommunication,OSEKCOM)、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范(OSEKNetManagement，OSEKNM)和OSEK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言(OSEKImplementationLanguage，OIL)。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理是一個(gè)三層的狀態(tài)機(jī)，最頂層有三個(gè)狀態(tài)：NMOff，NMOn和NMShutDown，如圖3所示。圖3OSEK網(wǎng)絡(luò)管理頂層狀態(tài)機(jī)（1）NMOff網(wǎng)絡(luò)管理關(guān)閉狀態(tài)，控制器上電后首先進(jìn)入的狀態(tài)，通過(guò)調(diào)用StartNM接口，控制器將離開此狀態(tài)并開始運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)管理，運(yùn)行中的網(wǎng)絡(luò)管理通過(guò)調(diào)用StopNM接口，控制器將跳轉(zhuǎn)到NMShutDown狀態(tài)，進(jìn)而回到此狀態(tài)并關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)管理。（2）NMOn進(jìn)入到NMOn狀態(tài)后，又會(huì)按照?qǐng)D4進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，圖4左右兩邊是兩組并行的狀態(tài)，互不影響。對(duì)于左邊來(lái)說(shuō)，首先進(jìn)入NMinit狀態(tài)并進(jìn)行硬件初始化，初始化完成后，如果有通信需求會(huì)跳轉(zhuǎn)到NMAwake狀態(tài)，如果沒(méi)有通信需求會(huì)跳轉(zhuǎn)到NMBusSleep。對(duì)于右邊來(lái)說(shuō)默認(rèn)進(jìn)入NMActive子狀態(tài)，表示參與邏輯環(huán)循環(huán)過(guò)程，若應(yīng)用層通過(guò)參數(shù)設(shè)置為不參與，則將跳轉(zhuǎn)到NMPassive狀態(tài)，控制器停止發(fā)送Ring消息及參與邏輯環(huán)的循環(huán)過(guò)程。圖4NMOn下子狀態(tài)機(jī)NMAwake狀態(tài)是控制器正常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)長(zhǎng)期保持的狀態(tài)，還可以繼續(xù)細(xì)分為三個(gè)子狀態(tài)NMReset、NMNormal和NMLimpHome，如圖5所示。圖5NMAwake下子狀態(tài)機(jī)（a）NMReset控制器喚醒后會(huì)一步步跳轉(zhuǎn)到NMReset狀態(tài)，并以廣播形式發(fā)出一幀特殊網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（第一字節(jié)是控制器自身ID，第二字節(jié)Bit0為1），用來(lái)喚醒其他控制器及建立邏輯環(huán)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有控制器都發(fā)完Alive報(bào)文之后，網(wǎng)絡(luò)中所有控制器根據(jù)收到的Alive報(bào)文ID由小到大的循序確認(rèn)自己的邏輯后繼節(jié)點(diǎn)，ID最大控制器的后繼節(jié)點(diǎn)為ID最小控制器（如21->22->23->24->25>26->21），由此組成一個(gè)邏輯環(huán)，并進(jìn)入NMNormal狀態(tài)。（b）NMNormal最初發(fā)送Alive報(bào)文的控制器（或者Alive報(bào)文標(biāo)識(shí)符優(yōu)先級(jí)高的控制器）成為邏輯環(huán)中的第一個(gè)Ring報(bào)文發(fā)送控制器，Ring報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)是下一個(gè)控制器的ID，第二字節(jié)的Bit1為1。網(wǎng)絡(luò)中其他控制器收到指向自身ID的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文后，也被稱為“令牌”，才能發(fā)出自身Ring報(bào)文，因此網(wǎng)絡(luò)中同一時(shí)間只有一個(gè)控制器能發(fā)出網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，每個(gè)控制器按照順序發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，這個(gè)順序就叫做邏輯環(huán)，一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯環(huán)原理如圖6所示。圖6邏輯環(huán)原理邏輯環(huán)建立完成之后，無(wú)論是有新控制器加入還是某個(gè)控制器掉線，都需要重新進(jìn)行建環(huán)以維持正常的網(wǎng)絡(luò)管理，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求比較高，整體策略比較復(fù)雜。當(dāng)控制器自身休眠條件滿足，就會(huì)發(fā)出睡眠指示位(Sleep.Ind，第二字節(jié)Bit4)為1的Ring報(bào)文，表示自身不再主動(dòng)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)管理，當(dāng)所有控制器都滿足休眠條件，最后一個(gè)休眠控制器的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就會(huì)依次發(fā)出睡眠應(yīng)答位(Sleep.Ack，，第二字節(jié)Bit5)為1的Ring報(bào)文，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上所有控制器都接收到其他所有控制器的睡眠應(yīng)答位為1的Ring報(bào)文后，等待一定時(shí)間后同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候，控制器會(huì)停止發(fā)送任何報(bào)文到總線，等待控制器的內(nèi)部任務(wù)完成后，就會(huì)進(jìn)入低功耗模式，靜態(tài)電流會(huì)變得很小。（3）NMLimpHome如果控制器或總線有故障導(dǎo)致邏輯環(huán)建立失敗，控制器將進(jìn)入NMLimpHome狀態(tài)，并按一定周期發(fā)送LimpHome網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（第一字節(jié)是自己的ID，第二字節(jié)Bit2為1）。3、AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理2003年汽車行業(yè)內(nèi)的幾大巨頭（BMW,Bosch,Continental,DaimlerChrysler,Volkswagen,SiemensVDO）聯(lián)合建立了AUTOSAR（AUTomotiveOpenSystemARchitecture）聯(lián)盟，一起開發(fā)并建立一套真正的開放的汽車電子電器架構(gòu)，也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)或者架構(gòu)。AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理的狀態(tài)機(jī)有三個(gè)模式：Bus-SleepMode、NetworkMode和PrepareBus-SleepMode，如圖7所示。圖7AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)（1）Bus-SleepMode控制器上電狀態(tài)，如果沒(méi)有本地喚醒或遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求時(shí)，控制器將進(jìn)入的一種休眠模式，此模式下控制器電流消耗將降低至最低水平。該模式下，網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文及應(yīng)用報(bào)文都被禁止發(fā)送，但可以接收網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文和應(yīng)用報(bào)文。當(dāng)收發(fā)器支持特定幀喚醒時(shí)，那么控制器只有在接收到事先定義好的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文才會(huì)喚醒；當(dāng)收發(fā)器不支持特定幀喚醒時(shí)，那么網(wǎng)絡(luò)上的任意報(bào)文都可以將控制器喚醒，喚醒之后再去判斷是否為有效網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，如果不是，又會(huì)再次按照休眠流程進(jìn)入到休眠模式。（2）NetworkModeNetworkMode模式又可細(xì)分為三個(gè)子狀態(tài)：RepeatMessageState、NormalOperationState和ReadySleepState，如圖2所示。圖8NetworkMode下子狀態(tài)機(jī)（a）RepeatMessageStateRepeatMessageState是一個(gè)短時(shí)間的重復(fù)消息狀態(tài)，當(dāng)控制器從Bus-SleepMode或者PrepareBus-SleepMode進(jìn)入到NetworkMode后，控制器會(huì)發(fā)出自身的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文通知其他控制器自己上線，就好比你早上到了辦公室之后，和身邊的同事打個(gè)招呼，告訴他們今日話搭子已上線，請(qǐng)做好嘮嗑準(zhǔn)備。RepeatMessageState下還有兩個(gè)子狀態(tài)：NMImmediateTransmitState和NMNormalTransmitState，兩個(gè)狀態(tài)的主要區(qū)別就是網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送周期的不同，前面子狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文可以按照配置參數(shù)高頻發(fā)送一定周期，目的是快速喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，后面子狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文恢復(fù)到正常周期。進(jìn)入到NetworkMode后，應(yīng)用報(bào)文需要在第一幀網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文發(fā)送之后再發(fā)送，同時(shí)開啟一個(gè)計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)器超時(shí)之前會(huì)一直保持該狀態(tài)，否則會(huì)離開該狀態(tài)，（b）NormalOperationState當(dāng)控制器自身存在網(wǎng)絡(luò)通信的需求，且整車網(wǎng)絡(luò)和控制器均正常，那么控制器將跳轉(zhuǎn)并一直保持在NormalOperationState狀態(tài)，進(jìn)入該狀態(tài)后，控制器將周期性發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，同時(shí)正常收發(fā)應(yīng)用報(bào)文。（c）ReadySleepState當(dāng)控制器不再需要網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)處于的就緒休眠狀態(tài)，該狀態(tài)下控制器將停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，但可以正常發(fā)送自身的應(yīng)用報(bào)文，同時(shí)正常收發(fā)應(yīng)用層報(bào)文。進(jìn)入該狀態(tài)后將同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次成功接收到其他控制器發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，計(jì)時(shí)器將重置，一旦計(jì)時(shí)器超時(shí)，控制器將跳轉(zhuǎn)到PrepareBus-Sleep狀態(tài)。整車網(wǎng)絡(luò)和控制器均正常，控制器將維持在NormalOperationState和ReadySleepState狀態(tài)，差別就是自身是否有網(wǎng)絡(luò)通信需求。（3）PrepareBus-SleepMode此模式為控制器準(zhǔn)備進(jìn)入睡眠模式的一個(gè)過(guò)渡，不會(huì)長(zhǎng)期處于此模式。該模式下網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文停止發(fā)送，可以接收網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，已經(jīng)存在緩存器的應(yīng)用報(bào)文可以繼續(xù)發(fā)送，同時(shí)不再接收應(yīng)用層報(bào)文。進(jìn)入該模式后，同樣啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，一旦計(jì)時(shí)時(shí)間到，就將跳轉(zhuǎn)到Bus-SleepMode。4、比較（1）相同點(diǎn)（a）均屬于直接網(wǎng)絡(luò)管理。（b）均需要特定的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，且每個(gè)控制器的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文ID均不同。（c）喚醒方式相同，網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)喚醒的控制器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文喚醒其他控制器。（d）目的相同，都是協(xié)調(diào)多個(gè)控制器同步喚醒及休眠，并最終達(dá)到低功耗的目的。（2）不同點(diǎn)：（a）喚醒幀類型不同，OSEK網(wǎng)絡(luò)管理要求控制器喚醒后的第一幀網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文必須為Alive類型，而AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理要求只要是網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文即可。（b）休眠邏輯不同，OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的休眠是一個(gè)請(qǐng)求和確認(rèn)的過(guò)程，所有控制器都發(fā)送Ring請(qǐng)求休眠幀，且收到其它控制器的Ring確認(rèn)休眠幀之后才可以準(zhǔn)備進(jìn)入休眠，而AUTOSA網(wǎng)絡(luò)管理直接停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理的報(bào)文且一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到網(wǎng)絡(luò)上其他的網(wǎng)絡(luò)管理幀