陳姿霖， 王遠(yuǎn)波， 陳 佩

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

近年來汽車向舒適化、 智能化方向迅猛發(fā)展， 汽車電子控制系統(tǒng)的數(shù)量大幅增多， 部分ECU需要長時間工作，提高了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度與電源分配的難度以及車輛對網(wǎng)絡(luò)的依賴性， 為了解決ECU數(shù)量增多帶來蓄電池饋電、 長期靜置后無法啟動等問題， 需要對車輛ECU進(jìn)行休眠喚醒的管理，使車輛在長期靜置后能夠再次啟動。

使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制， 能使網(wǎng)絡(luò)上的控制器穩(wěn)定、 有序運(yùn)行， 提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率， 實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上控制器的運(yùn)行情況、 降低鑰匙拔出后車輛的電能消耗， 使車輛一直具有足夠的能量再次啟動。 本文在OSEK國際通用網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的基礎(chǔ)上， 從設(shè)計方案和測試兩方面著手， 定義一種適合重型汽車使用的網(wǎng)絡(luò)管理和測試方法， 解決車輛電源分配和饋電問題。

1 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理概述

OSEK是一種直接網(wǎng)絡(luò)管理方法， 通過專用的報文來報告網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)、 與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它控制器 （簡稱ECU）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、 休眠請求、 休眠命令的傳遞， 互相協(xié)商以達(dá)到共同休眠的目標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)上每個有網(wǎng)絡(luò)管理功能的ECU都有專用的網(wǎng)絡(luò)管理報文 （簡稱NM報文）， 網(wǎng)絡(luò)上的所有ECU沒有主從之分， 任何ECU都可以喚醒網(wǎng)絡(luò)、 申請休眠、發(fā)送休眠指令。

2 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計包含ECU類型、 NM報文定義、 時間參數(shù)要求、 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、 休眠和喚醒等方面。

2.1 ECU類型

根據(jù)車輛所有ECU的功能情況可將控制器分為兩大類。①Ⅰ類： 只在點(diǎn)火鑰匙打開 （簡稱IGN ON） 時工作； ②Ⅱ類： 在IGN ON時全程工作、 在點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉 （簡稱IGN OFF） 下按需工作。 網(wǎng)絡(luò)管理的各項設(shè)計要求主要用于管理Ⅱ類ECU的休眠和喚醒行為。

2.2 NM報文定義與格式

2.2.1 NM報文定義

NM報文的ID格式使用標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀都可以， 根據(jù)車型平臺進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

NM報文共有3類： 聲明報文 （簡稱Alive報文）、 邏輯環(huán)報文 （簡稱Ring報文）、 跛行回家報文 （簡稱LimpHome報文）。 通過NM控制域的標(biāo)志位來進(jìn)行區(qū)分， ECU使用NM報文向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它ECU聲明自身的當(dāng)前狀態(tài)。

2.2.2 NM報文格式

1） 目標(biāo)地址

目標(biāo)地址位于報文數(shù)據(jù)場中的第1個字節(jié)， 根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況而定， 如果網(wǎng)絡(luò)中只有一個Ⅱ類節(jié)點(diǎn)， 那么目標(biāo)地址一直為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址； 如果網(wǎng)絡(luò)中存在大于一個Ⅱ類節(jié)點(diǎn)， 除了第1幀的alive聲明報文的目標(biāo)地址為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址， 剩余發(fā)送的NM報文中的目標(biāo)地址為邏輯后繼節(jié)點(diǎn)的地址。

2） NM控制域

控制域位于報文數(shù)據(jù)場中的第2個字節(jié)， 其各個位的含義， 見圖1。

圖1 NM報文的控制域

3） NM數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)場的第3字節(jié)到第7字節(jié)， 使用者可根據(jù)車型平臺功能定義進(jìn)行自定義應(yīng)用。

對于未定義的預(yù)留位全部用 “0/1” 進(jìn)行填充。

4） NM報文類型和休眠標(biāo)記

根據(jù)NM 報文中控制域的定義， 本章節(jié)介紹Alive 報文、 Ring報文、 LimpHome報文、 Sleep.Ind和Sleep.Ack標(biāo)志的含義和用途。 ①Alive報文： 網(wǎng)絡(luò)中每個ECU 初始化完成后或者在令牌環(huán)傳遞的過程中發(fā)現(xiàn)自身被跳過時， 都會發(fā)送Alive報文， 用于聲明自己地址或聲明自己被跳過，向其它ECU聲明需要加入到網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯環(huán)中。 Alive報文的目標(biāo)地址等于發(fā)送Alive報文節(jié)點(diǎn)自身的地址。 在該階段， 網(wǎng)絡(luò)上的II類ECU需要根據(jù)其它ECU發(fā)送的Alive報文不斷的動態(tài)調(diào)整配置表， 進(jìn)而確定自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)。 ②Ring報文： ECU在確定了自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)后， 需要與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它ECU 建立令牌環(huán)，ECU在接收到其前繼節(jié)點(diǎn)的Ring報文后， 向其后繼者發(fā)送自己的Ring 報文， 這個傳遞的順序和機(jī)制稱為令牌環(huán)。Ring報文的目標(biāo)地址為其后繼節(jié)點(diǎn)地址。 ③LimpHome 報文： 處 于 故 障 狀 態(tài) （NMRxcount、 NMTxcount 數(shù) 值 超 過 閾值） 的ECU以TError周期發(fā)送LimpHome報文。 與Alive報文相同， LimpHome報文目標(biāo)地址為發(fā)送LimpHome報文節(jié)點(diǎn)自身的地址。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只有一個II類ECU 時， ECU 發(fā)送4組Alive報 文、 Ring報 文， 再 發(fā) 送 一 幀Alive 報 文 后， 發(fā) 送LimpHome報文。 ④Sleep.Ind標(biāo)志： Sleep.Ind為休眠請求標(biāo)志位， 當(dāng)ECU檢測到自身的休眠條件不滿足時， 發(fā)出的NM報文中該位為0， 聲明自身不滿足休眠條件； 當(dāng)ECU檢測到自身的休眠條件滿足時， 發(fā)出的NM報文中該位為1，聲 明 自 身 滿 足 休 眠 條 件。 ⑤Sleep.Ack 標(biāo) 志： Sleep.Ack 為休眠應(yīng)答標(biāo)志位， 令牌環(huán)中第1個檢測到所有ECU的休眠請求標(biāo)志位為1的ECU發(fā)出的NM報文中該位為1。 發(fā)出NM報文中該位為1的ECU和接受到該指令的ECU需立即停發(fā)所有報文。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)

網(wǎng)絡(luò)管理的狀態(tài)總共有3種狀態(tài)： 未激活、 啟動、 激活。 NM狀態(tài)如圖2所示。

圖2 NM狀態(tài)

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)未激活

在該狀態(tài)下， ECU不會收發(fā)任何報文， 當(dāng)檢測到電源使能信號有效、 本地喚醒事件有效、 遠(yuǎn)程事件 （接收到任意總線報文）， 應(yīng)請求啟動網(wǎng)絡(luò)， 從未激活向啟動狀態(tài)遷移， 該遷移過程需要在一定的時間內(nèi)完成。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)啟動狀態(tài)

該狀態(tài)包含3個子狀態(tài)： 網(wǎng)絡(luò)初始化、 網(wǎng)絡(luò)激活、 網(wǎng)絡(luò)休眠。

1） 網(wǎng)絡(luò)初始化狀態(tài)： ECU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)啟動狀態(tài)后先進(jìn)行通信程序、 寄存器等網(wǎng)絡(luò)初始化行為， 初始化應(yīng)在一定的時間內(nèi)完成， 初始化完成后ECU會發(fā)出NM報文和應(yīng)用報文， 先發(fā)NM報文后發(fā)應(yīng)用報文。

2） 網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)包含網(wǎng)絡(luò)重置、 網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行、 網(wǎng)絡(luò)跛行3種子狀態(tài)。 ECU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)后首先進(jìn)入的是網(wǎng)絡(luò)重置狀態(tài)， 發(fā)送Alive報文聲明自身的存在， 然后立刻進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)； 在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控其它處于激活的節(jié)點(diǎn)， 記錄所有ECU的源地址， 動態(tài)適配自身的前繼節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)， 并以一定的周期向自身后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ring報文， 建立邏輯環(huán)； 當(dāng)錯誤計數(shù)器到達(dá)閥值后ECU會進(jìn)入跛行狀態(tài)， 并以一定的周期發(fā)送狀態(tài)為跛行的NM報文， 當(dāng)ECU從Busoff狀態(tài)下恢復(fù)后發(fā)出的第1幀NM報文應(yīng)該為跛行報文。

3） 網(wǎng)絡(luò)休眠狀態(tài)包含休眠等待和徹底休眠兩種狀態(tài)。ECU進(jìn)入休眠狀態(tài)首先進(jìn)入的是休眠等待狀態(tài)， 該狀態(tài)需要定義合理的時間用于ECU休眠之前的信息存儲， 在該狀態(tài)下ECU不能發(fā)送任意報文， 但是可以被喚醒源喚醒， 時間到后應(yīng)該遷移到徹底休眠狀態(tài)； 徹底休眠狀態(tài)為ECU的低功耗狀態(tài)。

2.4 休眠和喚醒

當(dāng)車輛靜止， 鑰匙從on擋切換到off擋時， Ⅰ類ECU就停止工作； 當(dāng)車輛靜止拔出鑰匙， 為了保證蓄電池的使用時長和防止?jié)㈦姡?網(wǎng)絡(luò)上的Ⅱ類ECU在該情況下檢查自身運(yùn)行的功能對網(wǎng)絡(luò)的需求， 如果需要使用網(wǎng)絡(luò)， 發(fā)送的NM報文中不帶休眠請求信息； 如果不需要使用網(wǎng)絡(luò)， 發(fā)送的NM報文中帶休眠請求信息； 在環(huán)運(yùn)行的過程中， 每個控制器都監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的休眠請求信息， 第1個檢測到所有ECU都發(fā)送了休眠請求的ECU發(fā)送休眠命令報文， 所有ECU停發(fā)報文， 進(jìn)入低功耗模式。 這樣在網(wǎng)絡(luò)上通過請求休眠和休眠命令這樣的信息使整個網(wǎng)絡(luò)的所有ECU達(dá)到同步休眠。

Ⅱ類ECU休眠條件由其功能的使用情況而決定。

鑰匙處于off擋時， 如果外部有功能需求會將整車喚醒；喚醒一般針對的是Ⅱ類ECU， 整車的喚醒條件或ECU的喚醒條件主要由車輛的實(shí)際應(yīng)用而定。

3 測試

根據(jù)OSEK網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計規(guī)范中定義的初始化時間、 報文周期、 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的切換入手， 從正向、 逆向、 邊界、 冗余等方面制定全方面的測試用例。

3.1 測試用例設(shè)計

因為在正常-休眠-喚醒狀態(tài)的切換過程中， 需要在特定的時間發(fā)送特殊報文， 在測試過程中需按照測試用例開發(fā)測試腳本來完成測試。

以整車網(wǎng)絡(luò)從鑰匙o(hù)ff擋—on擋—off擋—休眠這個過程為例， 設(shè)計的測試用例需要覆蓋單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)的初始化時間、 報文類型、 狀態(tài)遷移、 喚醒休眠順序等方面進(jìn)行正向、 逆向、 臨界、 冗余測試， 以保證測試覆蓋率， 盡可能地發(fā)現(xiàn)問題， 進(jìn)行完善。

3.2 測試數(shù)據(jù)解析

測試數(shù)據(jù)解析分為喚醒數(shù)據(jù)和休眠數(shù)據(jù)兩類， 如圖3、圖4所示。

圖3 喚醒數(shù)據(jù)

圖4 休眠數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文從設(shè)計和測試兩方面來介紹OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的設(shè)計和驗證方法。 全面的設(shè)計內(nèi)容需要大量實(shí)車應(yīng)用測試， 總結(jié)所遇到的問題， 對規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充， 以達(dá)到穩(wěn)定、 節(jié)能的目的。