CN1417980A - 车用控制器局域网智能网关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用控制器局域网(CAN)智能网关装置，包括CAN总线接口、以太网接口、无线网络接口、数据备份模块、微控制器智能化总线、其它总线接口、汽车控制单元、语音和显示接口、实时数据分析模块；该装置通过微控制器智能化总线结构实现了模块化的CAN协议到以太网协议、无线网络协议和其它专用总线协议的转换；通过嵌入式实时多任务操作系统动态任务调度实现了WWW网页浏览、显示和语音提示等人机接口，具备行驶数据分析、记录、控制等车身计算机的功能；可广泛用于具备CAN接口的发动机、电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、电控门窗装置、主动悬架装置等车载系统的运行状态监控、运行数据记录和故障维修等领域。

Description

车用控制器局域网智能网关装置

技术领域

本发明涉及汽车自动化领域。

技术背景

在当今的中高档汽车中都采用了汽车总线技术。汽车总线为汽车内部各种复杂的电子设备、控制器、测量仪器等提供了统一数据交换通道。一些汽车专家认为，就像在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样，近10年来数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。

20世纪90年代以来，汽车上由电子控制单元(ECU)指挥的部件数量越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架等等。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，车上的ECU数量也越来越多。因此，一种新的概念——车上控制器局域网络CAN(Controller Area Network)的概念也就应运而生了。CAN最早是由德国BOSCH公司为解决现代汽车中ECU之间的数据交换而开发的一种数据通信协议，按照ISO有关标准，CAN的拓扑结构为总线式，因此也称为CAN总线。

CAN协议中每一帧的数据量都不超过8个字节，以短帧多发的方式实现数据的高实时性；CAN总线的纠错能力非常强，从而提高数据的准确性；同时CAN总线的速率可达到1M bit/s，是一个真正的高速网络，将CAN总线应用在汽车中使用有很多优点：

1.用低成本的双绞线电缆代替了车身内昂贵的导线，并大幅度减少了用线数量；

2.具有确定的响应时间和高可靠性，并适合对实时性要求较高的应用如刹车装置和气囊；

3.CAN芯片可以抗高温和高噪声，并且具有较低的价格。

在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道，中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功，并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但是总的来说，汽车总线技术在我国尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线的设计，因而急需一批拥有自主知识产权的发明创新项目填补这方面的空白。陈旧的技术方法已不适应汽车工业发展的需要。

例如，众所周知汽车的核心设备是发动机，发动机的运行参数，例如发动机转速、机油压力、冷却剂温度等等是和汽车驾驶是紧密相关的。传统汽车仪表的设计方法是：通过放置在汽车部件(如发动机)内部的传感器，将机械信号转换成电信号，如电压、电流、脉冲信号，再经过D/A转换或计数器等，将电信号转换成可视的指针信号显示在模拟仪表盘上。随着汽车总线技术的发展，不少进口发动机已经不再直接向外提供传感器信号，而改用CAN总线通信接口。由于缺乏相关的测试和维修设备，一旦发动机出现故障，我们的维修人员只能是在发动机上钻孔，将传感器直接放进发动机内部进行检测，操作繁琐、设备复杂，且不利于保护发动机的整体结构。

又如，现有的部分汽车仪表虽然使用了总线的通信方式，但是其总线是专用设计，由于硬件标准不统一，通信协议不兼容，为甲公司汽车生产的仪表完全不能在乙公司的汽车上使用，更不可能在带有CAN接口的新式汽车系统中使用，通用性差。

再如，驾驶员的不合理操作或违反交通规则的操作与汽车的保养、行车的安全有密切的关联，目前还缺乏一种将档位与车速、发动机转数等信息有机结合起来进行记录并形成电子报告的机制，而这些将有利于汽车的保养和安全驾驶。例如在手动档汽车中，驾驶员的换档是依照经验进行的，容易发生应该加高档而没加高档的情况，即低档高速行驶，既不利于降低油耗，又容易造成汽车的部件磨损。如果能实现自动换档提示，则有利于保证车辆保持在经济时速行驶。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种车用控制器局域网(CAN)智能网关装置10，包括CAN总线接口1、以太网接口2、无线网络接口3、数据备份模块4、微控制器智能化总线5、其它总线接口6、汽车控制单元7、语音和显示接口8、实时数据分析模块9，如图1所示；该装置通过微控制器智能化总线结构实现了模块化的CAN协议到以太网协议、无线网络协议和其它专用总线协议的转换；通过嵌入式实时多任务操作系统动态任务调度实现了WWW网页浏览、显示和语音提示等人机接口，具备行驶数据分析、记录、控制等车身计算机的功能；可广泛用于CAN接口发动机、电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、电控门窗装置、主动悬架装置等车载系统的运行状态监控、运行记录和故障维修等领域。

附图说明

图1是控制器局域网智能网关装置与各车载系统的连接图。

图2是控制器局域网智能网关装置的结构图。

具体实施方式

如图1，一方面，智能网关10通过CAN总线接口1和CAN总线11连接发动机、变速箱等车载系统，这些汽车核心系统的制造商正在越来越多地采用CAN总线技术，所以一个兼容CAN总线标准的接口是必不可少的。另一方面，智能网关10通过其它总线12连接各种传统如汽车仪表和装置，这些总线使用原有专用通信协议，这样就可以有效的保护现有设备，降低设计和制造的成本。除此之外，智能网关10还具备以太网接口2和无线网络接口3，可以方便的连接到局域网(LAN)或广域网(WAN)13，与车载PC、故障维修计算机系统、车辆年检计算机系统等交换数据。上述这些通信接口使用的接口电路和通信协议都是完全不同的，智能网关10起到异构系统互联和通信协议转换的关键作用。

智能网关通过CAN总线接口，从发动机、变速箱、刹车等车载系统中采集车辆运行数据；对采集的数据进行统计和分析处理；一部分数据通过格式转换，将CAN通信协议数据转换成RS422或RS485等专用总线数据，传送给传统汽车仪表和装置；一部分数据送显示屏幕和语音提示，供驾驶者参考，例如车速、档位等基本车辆运行信息，以及换档提示、超速警告等智能提示；一部分数据送数据备份模块存档，记录行车情况，例如发动机运行状态数据等，起到“黑匣子”的作用；一部分数据送以太网和无线网络接口，便于与其它计算机系统交换数据。

如图2，智能网关内部包含有由CAN控制器14和CAN处理器15组成的CAN子系统，由以太网控制器16和以太网处理器17组成的以太网子系统，由无线网络模块18和无线网处理器19组成的无线网子系统，由其它总线处理器20和其它总线控制器21组成的其它总线处理子系统，由实时数据分析处理器22和数据备份模块4组成的数据分析子系统，以及由辅助处理器23和显示模块接口25、语音模块接口24、汽车控制单元7构成的辅助功能子系统。这些子系统之间通过微控制器智能化总线5连接。由于采用了模块化的设计，这些子系统可以根据需要方便的增加或减少。

微控制器智能化总线

微控制器智能化总线是整个智能网关的核心，它连接着各个子系统，本发明中用RS485规范实现物理层传输。即在本发明中，A子系统与B子系统通信时，双方都将各自的通信协议重新封装成适合在RS485总线上传书的数据包，在微控制器智能化总线上传输。各子系统之间可以相互识别，因而可以实现模块化和可配置特性。RS485规范的优点在于抗干扰能力较强，协议开销小，因而实际数据吞吐率较高。各子系统处理器间的连接方式可采用增强型UART接口实现，在子系统模块之间的距离小于30CM时，也可以直接连接，而不用进行RS485电平转换。本发明中使用RS485仅为优选实施例，用于说明，使用其它总线方式实施得到的同样的效果并不脱离本发明的范围。

CAN总线接口

为了避免车内的电磁干扰，CAN总线的物理连线需要使用屏蔽双绞线。对于接口电路部分，首先需要一个CAN总线的物理层接口芯片，例如Philips公司的PCA82C250等。然后实现支持CAN2.0B的链路层协议可以有两种方式：一种是利用CPU外接CAN控制器，例如Philips公司的SJA1000和Intel公司的82527控制器等，另一种方式是直接利用某些CPU内置的CAN控制器，例如Infineon公司的XC161、XC164系列CPU，Philips公司的80C592系列CPU，Motorola公司的68376系列和MPC555系列CPU等。

电子控制单元(ECU)是CAN网络节点的通信接口单元。智能网关装置从ECU单元中获取的发动机等车载系统的参数是可靠、准确的，代替了外加传感器的方法，免去了大量的布线，降低了成本，提高了可靠性和稳定性，是新型汽车设计的趋势。根据国际标准化组织定义的OSI模型，CAN协议定义的是物理层及数据链路层规范，这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系统，还需要在CAN的基础上选择合适的应用层协议。在基于CAN协议的应用层协议中，J1939和CANopen就是几种应用比较广泛的应用层协议。

J1939协议是目前在大型汽车中应用最广泛的应用层协议，但受早期处理器发展和总线技术发展历史的影响，只能达到250Kbit/s的通讯速率。J1939协议由美国SAE(Society of Automotive Engineer)组织维护和推广。J1939协议特点：

①以CAN2.0B协议为基础，物理层标准与ISO11898规范兼容并采用符合该规范的CAN控制器及收发器。通讯速率最高可达到250Kbit/s。

②采用PDU(Protocol Data Unit协议数据单元)传送信息，每个PDU相当于CAN协议中的一帧。由于每个CAN帧最多可传输8个字节数据，因此PDU的传输具有很高的实时性。

③利用CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及该PDU的优先级。

④J1939协议主要作为汽车中应用的通讯协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合ISO11992标准。

1995年由德国Bosch公司提出的CANopen协议已经不受到微处理器的制约，毫无疑问，在当前应用于汽车的各类应用层协议中，CANopen是最完善和最具发展潜力的一种。CANopen协议特点：

①CANopen协议为标准的CAN应用层协议，物理层及数据链路层完全遵循CAN2.0B规范。可达到1Mbit/s的通讯速率。

②CANopen是基于CAN串行总线的网络系统，最早是从设计汽车工业的控制系统中发展出来的，比如操作处理系统。CANopen也可以应用于其它领域，比如说公共交通运输系统，医疗设备，海运电子设备和建筑自动化系统中。

③CANopen协议集说明了标准的通信机制和设备的功能特性。这个协议集由CAN-in-Automation(CiA)组织建立和维护。

④CANopen呈现了一个标准的应用层和通信描述，而可选择的可编程设备框架则指定了附加的通信功能特性。

智能网关在设计上带有与CAN总线控制器，可适用于任何带有CAN总线汽车当中，具备可重用性，同时除了接收、发送CAN数据包以外，还实现总线错误检测，数据超载，节点管理等功能，并能支持CAN总线的应用层协议分析处理。其它总线接口

智能网关除了带有CAN子系统外，还带有其它总线处理子系统，可以连接各种其它专用总线。智能网关解析J1939协议和CANopen协议，并重新封装成RS485等专用总线的数据格式，发送至专用总线。硬件上RS485总线接口需要使用到Maxim公司的MAX1487等接口电路芯片。通过这样的转换，可以保证原有的汽车仪表等能在最新的汽车系统中正常使用，而且大量节省了线束数量，提高了可靠性和准确性，特别是用于高档美观的数字式汽车仪表。

其它总线接口还包括通用串行总线(USB)接口，采用USB-ON-THE-GO技术，可以与被广泛应用的USB设备连接，提升该系统的性能价格比，并使之更加灵活。例如，便携式USB存储装置、MP3设备、USB图像传感器等。

其它总线接口还可以是第二个CAN接口(CAN2)，即低速CAN。低速CAN可以应用在电控门窗、车灯、车内照明、仪表等车身系统中。相对的，上述的连接发动机等动力系统的CAN总线11可称为高速CAN，通过智能网关实现了高低速CAN网络的隔离汇接。以太网接口和无线网络接口

在网关中设置以太网接口可以方便的与各类计算机系统连接，使各种信息处理设备可与车身计算机构成完整的车用信息处理系统。

由以太网处理器和以太网控制器构成的以太网子系统，其核心是基于嵌入式Internet技术的，可以支持诸如TCP、UDP、IPv4等等多种标准网络协议，以及IPv6协议，可以使得每辆汽车拥有独立的IP地址。以太网子系统可作为Internet或Intranet的独立节点接入，可直接通过网络与网络上的PC、服务器或其它网络节点通信，实现CAN到以太网数据包的转换，不需要任何驱动软件。本发明中，以太网子系统还支持HTTP和FTP协议，可以作为WEB服务器和FTP服务器使用，称之为嵌入式汽车服务器。这些嵌入式服务器可以被浏览器等标准网络应用程序访问。所谓FTP服务，即提供通过网络上传和下载文件的服务。

与以太网子系统类似，由无线网处理器和无线网络模块构成的无线网子系统，也支持网络接入，并实现CAN数据到无线网的转换。选择不同的无线网络模块，无线网络可以是蓝牙、GPRS或CDMA等多种形式。

对于拥有多辆汽车的运输公司来说，通过无线网络能够实现对汽车的调度管理、远程监控。当汽车启动后，会通过各个网络发送汽车启动、运行、停止、以及当前的运行状况信息，监控人员从远端就可对汽车进行实时监控，提早发现事故隐患，提醒驾驶员，以及防止汽车被盗。

在故障维修过程中，利用计算机系统检查车辆的故障是常用的手段。通过网络就可以获取汽车总线的工作信息无疑是非常方便的，这免去了使用专用传感器和连接器的麻烦。通过JAVA技术，智能网关可以提供WWW浏览方式下的故障分析等服务，即每一辆汽车都可以有自己的主页。在汽车的主页中带有整个汽车的设计规格、外形特征、发动机编号等出厂配置，这些配置是不能随意更改的，所以将这些信息存入网页，这样大大提高对汽车检测效率，只要通过智能网关将汽车接入网络，从PC终端就可以读出整个汽车的配置信息。

除了可以在检测汽车时使用，网页中同时存储汽车使用过程的历史记录，包括各种运行参数的记录，这样就可根据一段时间的参数分析，为汽车保养、维修提供重要的信息。同时还可以将保养、维修的信息存入网页中。目前的汽车检测，驾驶员必须带有必要的证件。保养、维修时，驾驶员和维修师沟通不够，给寻找问题带来不便，增加了维修的时间增长。有了汽车网页功能，实现人机对话，减少了各种汽车服务的诸多环节。

通过HTTP方式，PC可以随时以WWW网页浏览的方式自动下载汽车网页，而不必预装任何环境监控软件。实现了零客户端软件安装，网络上的任何PC都可以成为维修PC。由于JAVA APPLET的跨平台特性，与汽车相连的计算机系统使用的操作系统也不受限制，Windows和Linux等操作系统环境下，都可以正常运行，并且程序界面保持一致。由于JAVA APPLET是在PC本地运行，即客户端编程，所以可以充分利用PC资源，以图形、声音等多媒体化的手段表现汽车数据，人机界面良好，同时程序的修改也简单易行，我们称之为“嵌入式汽车服务器”功能。实时数据分析模块和数据备份模块

智能网关的实时数据分析模块采用嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)和嵌入式软件中间件，在不同时间和工作状态下实施任务调度，动态优先级调度机制，从而充分发挥系统硬件的处理能力。

按照预先的设定进行数据处理流程就可以实现数据分析功能，是实时进行的。例如设定某卡车的启步档位为二档，高于或低于此档位的起步动作都将被警告和记录。

智能网关提供本地数据备份、故障记录和运行参数记录功能。本部分是具有一定存储能力的嵌入式系统。存储器是掉电非易失的半导体存储介质，如FLASHROM，EEPROM，NVRAM等。存储器中的数据可以通过网络，用FTP方式方便的进行读写，不需要驱动软件。存储器中的数据是通过文件的形式存在；也就是说，嵌入式储存器具备文件管理的能力，可以支持文件的建立、删除、读取、写入等操作。在发生交通事故，汽车年检或汽车维修过程中，数据备份模块可以起到“黑匣子”的作用。在必要的时候可以采用双备份的方式进一步保证数据的安全。

语音提示

在硬件上，用语音合成芯片可以固化和定制各种语言或方言库，通过RS485接口与智能网关连接，也可用支持MP3技术的录音装置通过微控制器智能总线与智能网关连接，所述的录音装置具备Internet下载功能。

驾驶员与汽车沟通主要是使用手、脚、眼睛。驾驶员必须通过眼睛获取汽车的运行状况，由于驾驶员同时还要注意车外环境，就会造成驾驶员的精力分散。据统计很多的交通事故原因都是驾驶员疲劳驾驶，驾驶员处于疲劳状态时对于汽车和路况的观察能力开始下降，对于突发事件不能及时反应，最终造成交通事故。为了增强驾驶员对信息的获取能力，多功能分析仪表可以将汽车状况及时地通过语音传送给驾驶员，这样驾驶员不用再死盯仪表盘，减轻了驾驶的负担。智能网关还可分析运行参数，发出报警信息。例如，汽车已经超出安全驾驶速度，就会语音警告驾驶员降低车速。

例如，对于手动档位的汽车，驾驶员必须凭经验，以及汽车的行驶速度来控制档位，由于车辆性能的不同，以及驾驶员驾驶技术的高低不同，就出现该换档时未及时换档，汽车行驶在低档高速造成汽车油耗的增加。智能网关通过语音模块接口输出给驾驶员，这样驾驶员可按照相应提示更换档位。再如，冬季开车需要预热发动机，智能网关也可以起到提示作用。

显示模块接口

显示模块接口是智能化的多功能仪表界面。

显示模块包含两类驱动接口，一类是串行接口，例如UART接口，双向两线串行总线I2C接口，这一类显示终端内部带有CPU。数据传输是辅助功能处理器与液晶控制器的CPU通信，需要额外的通信协议，但降低单CPU的工作量。另一类是并行接口，数据传输是辅助功能处理器直接操作液晶控制器。在并行接口方式中，液晶控制器与辅助功能处理器的连接方式又分为两种，一种是直接方式，另一种是间接方式。直接方式是将液晶控制器作为CPU外部扩展RAM，CPU按地址写入数据，这种方式设计简单，稳定性强。间接方式是使用CPU的I/O模拟RAM的读写时序，这种方式软件设计复杂，稳定性差。本发明中的显示终端使用的是并行接口的直接连接方式，液晶控制器芯片是东芝公司的T6963C，片上带有字符发生器CGROM，共有128个字符。可管理64K显示缓冲区及字符发生器CGRAM。并允许CPU随时访问显示缓冲区。

显示模块接口可连接图形化液晶显示器，通过储存多国文字必要的字库，可用多国文字显示汽车的运行状态参数，例如汽车行驶速度、发动机转速、水温等，同时也将不定期的进行换档提示、水温报警等。显示终端带有多级菜单功能，驾驶员可通过操作获取其它相关信息，例如当前时间、历史备份数据。对显示功能的配置，如选择语言种类，可以通过嵌入式汽车服务器功能在网页上完成。数字化将为汽车仪表带来使用寿命长，信息量大，抗干扰能力强，指示精度高，体积小，功耗低等优点。

汽车控制单元

汽车控制单元实际上是经光电隔离和继电器隔离的多个双向I/O口。许多汽车控制系统可以通过I/O口控制，例如防盗器的开关探测器，电动门锁系统，紧急报警开关量输入输出控制等。例如结合指纹锁系统，可以实现“启动防劫持”功能，即在汽车被非法侵入后，每行驶几公里不定期要求指纹识别。再如当车速低于某一个标定值时，智能网关可以通过汽车控制单元向汽车电磁缓速器发出控制信号，加强对汽车的控制。

Claims (10)

1.一种车用控制器局域网智能网关装置，简称CAN网关装置，包括CAN总线接口、以太网接口、无线网络接口、数据备份模块、微控制器智能化总线、其它总线接口、汽车控制单元、语音和显示接口、实时数据分析模块；其特征在于：通过微控制器智能化总线结构实现了CAN协议到以太网协议、无线网络协议和其它专用总线协议的转换。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的微控制器智能化总线是模块化的和可配置的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的CAN总线接口在链路层兼容CAN2.0B协议，在应用层兼容J1939、CANopen等协议。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的无线网络接口包括蓝牙、GPRS、CDMA等网络接口，支持TCP、IPv4、IPv6协议。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的其它专用总线接口包括增强型UART、RS485、USB、第二个CAN总线接口等。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还具备WWW网页浏览、显示和语音提示等人机接口，具备汽车行驶数据分析、记录、控制等嵌入式车身计算机的功能特征。

7.根据权利要求1和6所述的装置，其特征在于：在数据备份模块中保存有汽车主页和运行数据文件，可用浏览器访问，亦可通过Internet访问。

8.根据权利要求1和6所述的装置，其特征在于：所述的数据备份模块采用掉电非易失性半导体存储介质存储数据。

9.根据权利要求1和6所述的装置，其特征在于：所述的显示接口是图形化的，支持多国文字显示。

10.根据权利要求1和6所述的装置，其特征在于：所述的语音接口，可用定制的语音处理芯片实现，亦可用MP3编解码技术实现，通过Internet下载实现支持多国语言或方言。