專利名稱：車用控制器局域網智能網關裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及汽車自動化領域。
20世紀90年代以來，汽車上由電子控制單元(ECU)指揮的部件數量越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動懸架等等。隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應用，車上的ECU數量也越來越多。因此，一種新的概念——車上控制器局域網絡CAN(Controller Area Network)的概念也就應運而生了。CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現代汽車中ECU之間的數據交換而開發的一種數據通信協議，按照ISO有關標準，CAN的拓撲結構為總線式，因此也稱為CAN總線。
CAN協議中每一幀的數據量都不超過8個字節，以短幀多發的方式實現數據的高實時性；CAN總線的糾錯能力非常強，從而提高數據的準確性；同時CAN總線的速率可達到1M bit/s，是一個真正的高速網絡，將CAN總線應用在汽車中使用有很多優點1.用低成本的雙絞線電纜代替了車身內昂貴的導線，并大幅度減少了用線數量；2.具有確定的響應時間和高可靠性，并適合對實時性要求較高的應用如剎車裝置和氣囊；3.CAN芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價格。
在現代轎車的設計中，CAN已經成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。據報道，中國首輛CAN網絡系統混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功，并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但是總的來說，汽車總線技術在我國尚處于試驗和起步階段，絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線的設計，因而急需一批擁有自主知識產權的發明創新項目填補這方面的空白。陳舊的技術方法已不適應汽車工業發展的需要。
例如，眾所周知汽車的核心設備是發動機，發動機的運行參數，例如發動機轉速、機油壓力、冷卻劑溫度等等是和汽車駕駛是緊密相關的。傳統汽車儀表的設計方法是通過放置在汽車部件(如發動機)內部的傳感器，將機械信號轉換成電信號，如電壓、電流、脈沖信號，再經過D/A轉換或計數器等，將電信號轉換成可視的指針信號顯示在模擬儀表盤上。隨著汽車總線技術的發展，不少進口發動機已經不再直接向外提供傳感器信號，而改用CAN總線通信接口。由于缺乏相關的測試和維修設備，一旦發動機出現故障，我們的維修人員只能是在發動機上鉆孔，將傳感器直接放進發動機內部進行檢測，操作繁瑣、設備復雜，且不利于保護發動機的整體結構。
又如，現有的部分汽車儀表雖然使用了總線的通信方式，但是其總線是專用設計，由于硬件標準不統一，通信協議不兼容，為甲公司汽車生產的儀表完全不能在乙公司的汽車上使用，更不可能在帶有CAN接口的新式汽車系統中使用，通用性差。
再如，駕駛員的不合理操作或違反交通規則的操作與汽車的保養、行車的安全有密切的關聯，目前還缺乏一種將檔位與車速、發動機轉數等信息有機結合起來進行記錄并形成電子報告的機制，而這些將有利于汽車的保養和安全駕駛。例如在手動檔汽車中，駕駛員的換檔是依照經驗進行的，容易發生應該加高檔而沒加高檔的情況，即低檔高速行駛，既不利于降低油耗，又容易造成汽車的部件磨損。如果能實現自動換檔提示，則有利于保證車輛保持在經濟時速行駛。
圖2是控制器局域網智能網關裝置的結構圖。
智能網關通過CAN總線接口，從發動機、變速箱、剎車等車載系統中采集車輛運行數據；對采集的數據進行統計和分析處理；一部分數據通過格式轉換，將CAN通信協議數據轉換成RS422或RS485等專用總線數據，傳送給傳統汽車儀表和裝置；一部分數據送顯示屏幕和語音提示，供駕駛者參考，例如車速、檔位等基本車輛運行信息，以及換檔提示、超速警告等智能提示；一部分數據送數據備份模塊存檔，記錄行車情況，例如發動機運行狀態數據等，起到“黑匣子”的作用；一部分數據送以太網和無線網絡接口，便于與其它計算機系統交換數據。
如圖2，智能網關內部包含有由CAN控制器14和CAN處理器15組成的CAN子系統，由以太網控制器16和以太網處理器17組成的以太網子系統，由無線網絡模塊18和無線網處理器19組成的無線網子系統，由其它總線處理器20和其它總線控制器21組成的其它總線處理子系統，由實時數據分析處理器22和數據備份模塊4組成的數據分析子系統，以及由輔助處理器23和顯示模塊接口25、語音模塊接口24、汽車控制單元7構成的輔助功能子系統。這些子系統之間通過微控制器智能化總線5連接。由于采用了模塊化的設計，這些子系統可以根據需要方便的增加或減少。 微控制器智能化總線微控制器智能化總線是整個智能網關的核心，它連接著各個子系統，本發明中用RS485規范實現物理層傳輸。即在本發明中，A子系統與B子系統通信時，雙方都將各自的通信協議重新封裝成適合在RS485總線上傳書的數據包，在微控制器智能化總線上傳輸。各子系統之間可以相互識別，因而可以實現模塊化和可配置特性。RS485規范的優點在于抗干擾能力較強，協議開銷小，因而實際數據吞吐率較高。各子系統處理器間的連接方式可采用增強型UART接口實現，在子系統模塊之間的距離小于30CM時，也可以直接連接，而不用進行RS485電平轉換。本發明中使用RS485僅為優選實施例，用于說明，使用其它總線方式實施得到的同樣的效果并不脫離本發明的范圍。 CAN總線接口為了避免車內的電磁干擾，CAN總線的物理連線需要使用屏蔽雙絞線。對于接口電路部分，首先需要一個CAN總線的物理層接口芯片，例如Philips公司的PCA82C250等。然后實現支持CAN2.0B的鏈路層協議可以有兩種方式一種是利用CPU外接CAN控制器，例如Philips公司的SJA1000和Intel公司的82527控制器等，另一種方式是直接利用某些CPU內置的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。
電子控制單元(ECU)是CAN網絡節點的通信接口單元。智能網關裝置從ECU單元中獲取的發動機等車載系統的參數是可靠、準確的，代替了外加傳感器的方法，免去了大量的布線，降低了成本，提高了可靠性和穩定性，是新型汽車設計的趨勢。根據國際標準化組織定義的OSI模型，CAN協議定義的是物理層及數據鏈路層規范，這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應用層協議提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系統，還需要在CAN的基礎上選擇合適的應用層協議。在基于CAN協議的應用層協議中，J1939和CANopen就是幾種應用比較廣泛的應用層協議。
J1939協議是目前在大型汽車中應用最廣泛的應用層協議，但受早期處理器發展和總線技術發展歷史的影響，只能達到250Kbit/s的通訊速率。J1939協議由美國SAE(Society of Automotive Engineer)組織維護和推廣。J1939協議特點①以CAN2.0B協議為基礎，物理層標準與ISO11898規范兼容并采用符合該規范的CAN控制器及收發器。通訊速率最高可達到250Kbit/s。
②采用PDU(Protocol Data Unit協議數據單元)傳送信息，每個PDU相當于CAN協議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節數據，因此PDU的傳輸具有很高的實時性。
③利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標志符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優先級。
④J1939協議主要作為汽車中應用的通訊協議，對汽車中應用到的各類參數都進行了規定。參數的規定符合ISO11992標準。
1995年由德國Bosch公司提出的CANopen協議已經不受到微處理器的制約，毫無疑問，在當前應用于汽車的各類應用層協議中，CANopen是最完善和最具發展潛力的一種。CANopen協議特點①CANopen協議為標準的CAN應用層協議，物理層及數據鏈路層完全遵循CAN2.0B規范。可達到1Mbit/s的通訊速率。
②CANopen是基于CAN串行總線的網絡系統，最早是從設計汽車工業的控制系統中發展出來的，比如操作處理系統。CANopen也可以應用于其它領域，比如說公共交通運輸系統，醫療設備，海運電子設備和建筑自動化系統中。
③CANopen協議集說明了標準的通信機制和設備的功能特性。這個協議集由CAN-in-Automation(CiA)組織建立和維護。
④CANopen呈現了一個標準的應用層和通信描述，而可選擇的可編程設備框架則指定了附加的通信功能特性。
智能網關在設計上帶有與CAN總線控制器，可適用于任何帶有CAN總線汽車當中，具備可重用性，同時除了接收、發送CAN數據包以外，還實現總線錯誤檢測，數據超載，節點管理等功能，并能支持CAN總線的應用層協議分析處理。 其它總線接口智能網關除了帶有CAN子系統外，還帶有其它總線處理子系統，可以連接各種其它專用總線。智能網關解析J1939協議和CANopen協議，并重新封裝成RS485等專用總線的數據格式，發送至專用總線。硬件上RS485總線接口需要使用到Maxim公司的MAX1487等接口電路芯片。通過這樣的轉換，可以保證原有的汽車儀表等能在最新的汽車系統中正常使用，而且大量節省了線束數量，提高了可靠性和準確性，特別是用于高檔美觀的數字式汽車儀表。
其它總線接口還包括通用串行總線(USB)接口，采用USB-ON-THE-GO技術，可以與被廣泛應用的USB設備連接，提升該系統的性能價格比，并使之更加靈活。例如，便攜式USB存儲裝置、MP3設備、USB圖像傳感器等。
其它總線接口還可以是第二個CAN接口(CAN2)，即低速CAN。低速CAN可以應用在電控門窗、車燈、車內照明、儀表等車身系統中。相對的，上述的連接發動機等動力系統的CAN總線11可稱為高速CAN，通過智能網關實現了高低速CAN網絡的隔離匯接。 以太網接口和無線網絡接口在網關中設置以太網接口可以方便的與各類計算機系統連接，使各種信息處理設備可與車身計算機構成完整的車用信息處理系統。
由以太網處理器和以太網控制器構成的以太網子系統，其核心是基于嵌入式Internet技術的，可以支持諸如TCP、UDP、IPv4等等多種標準網絡協議，以及IPv6協議，可以使得每輛汽車擁有獨立的IP地址。以太網子系統可作為Internet或Intranet的獨立節點接入，可直接通過網絡與網絡上的PC、服務器或其它網絡節點通信，實現CAN到以太網數據包的轉換，不需要任何驅動軟件。本發明中，以太網子系統還支持HTTP和FTP協議，可以作為WEB服務器和FTP服務器使用，稱之為嵌入式汽車服務器。這些嵌入式服務器可以被瀏覽器等標準網絡應用程序訪問。所謂FTP服務，即提供通過網絡上傳和下載文件的服務。
與以太網子系統類似，由無線網處理器和無線網絡模塊構成的無線網子系統，也支持網絡接入，并實現CAN數據到無線網的轉換。選擇不同的無線網絡模塊，無線網絡可以是藍牙、GPRS或CDMA等多種形式。
對于擁有多輛汽車的運輸公司來說，通過無線網絡能夠實現對汽車的調度管理、遠程監控。當汽車啟動后，會通過各個網絡發送汽車啟動、運行、停止、以及當前的運行狀況信息，監控人員從遠端就可對汽車進行實時監控，提早發現事故隱患，提醒駕駛員，以及防止汽車被盜。
在故障維修過程中，利用計算機系統檢查車輛的故障是常用的手段。通過網絡就可以獲取汽車總線的工作信息無疑是非常方便的，這免去了使用專用傳感器和連接器的麻煩。通過JAVA技術，智能網關可以提供WWW瀏覽方式下的故障分析等服務，即每一輛汽車都可以有自己的主頁。在汽車的主頁中帶有整個汽車的設計規格、外形特征、發動機編號等出廠配置，這些配置是不能隨意更改的，所以將這些信息存入網頁，這樣大大提高對汽車檢測效率，只要通過智能網關將汽車接入網絡，從PC終端就可以讀出整個汽車的配置信息。
除了可以在檢測汽車時使用，網頁中同時存儲汽車使用過程的歷史記錄，包括各種運行參數的記錄，這樣就可根據一段時間的參數分析，為汽車保養、維修提供重要的信息。同時還可以將保養、維修的信息存入網頁中。目前的汽車檢測，駕駛員必須帶有必要的證件。保養、維修時，駕駛員和維修師溝通不夠，給尋找問題帶來不便，增加了維修的時間增長。有了汽車網頁功能，實現人機對話，減少了各種汽車服務的諸多環節。
通過HTTP方式，PC可以隨時以WWW網頁瀏覽的方式自動下載汽車網頁，而不必預裝任何環境監控軟件。實現了零客戶端軟件安裝，網絡上的任何PC都可以成為維修PC。由于JAVA APPLET的跨平臺特性，與汽車相連的計算機系統使用的操作系統也不受限制，Windows和Linux等操作系統環境下，都可以正常運行，并且程序界面保持一致。由于JAVA APPLET是在PC本地運行，即客戶端編程，所以可以充分利用PC資源，以圖形、聲音等多媒體化的手段表現汽車數據，人機界面良好，同時程序的修改也簡單易行，我們稱之為“嵌入式汽車服務器”功能。 實時數據分析模塊和數據備份模塊智能網關的實時數據分析模塊采用嵌入式實時多任務操作系統(RTOS)和嵌入式軟件中間件，在不同時間和工作狀態下實施任務調度，動態優先級調度機制，從而充分發揮系統硬件的處理能力。
按照預先的設定進行數據處理流程就可以實現數據分析功能，是實時進行的。例如設定某卡車的啟步檔位為二檔，高于或低于此檔位的起步動作都將被警告和記錄。
智能網關提供本地數據備份、故障記錄和運行參數記錄功能。本部分是具有一定存儲能力的嵌入式系統。存儲器是掉電非易失的半導體存儲介質，如FLASHROM，EEPROM，NVRAM等。存儲器中的數據可以通過網絡，用FTP方式方便的進行讀寫，不需要驅動軟件。存儲器中的數據是通過文件的形式存在；也就是說，嵌入式儲存器具備文件管理的能力，可以支持文件的建立、刪除、讀取、寫入等操作。在發生交通事故，汽車年檢或汽車維修過程中，數據備份模塊可以起到“黑匣子”的作用。在必要的時候可以采用雙備份的方式進一步保證數據的安全。 語音提示在硬件上，用語音合成芯片可以固化和定制各種語言或方言庫，通過RS485接口與智能網關連接，也可用支持MP3技術的錄音裝置通過微控制器智能總線與智能網關連接，所述的錄音裝置具備Internet下載功能。
駕駛員與汽車溝通主要是使用手、腳、眼睛。駕駛員必須通過眼睛獲取汽車的運行狀況，由于駕駛員同時還要注意車外環境，就會造成駕駛員的精力分散。據統計很多的交通事故原因都是駕駛員疲勞駕駛，駕駛員處于疲勞狀態時對于汽車和路況的觀察能力開始下降，對于突發事件不能及時反應，最終造成交通事故。為了增強駕駛員對信息的獲取能力，多功能分析儀表可以將汽車狀況及時地通過語音傳送給駕駛員，這樣駕駛員不用再死盯儀表盤，減輕了駕駛的負擔。智能網關還可分析運行參數，發出報警信息。例如，汽車已經超出安全駕駛速度，就會語音警告駕駛員降低車速。
例如，對于手動檔位的汽車，駕駛員必須憑經驗，以及汽車的行駛速度來控制檔位，由于車輛性能的不同，以及駕駛員駕駛技術的高低不同，就出現該換檔時未及時換檔，汽車行駛在低檔高速造成汽車油耗的增加。智能網關通過語音模塊接口輸出給駕駛員，這樣駕駛員可按照相應提示更換檔位。再如，冬季開車需要預熱發動機，智能網關也可以起到提示作用。 顯示模塊接口顯示模塊接口是智能化的多功能儀表界面。
顯示模塊包含兩類驅動接口，一類是串行接口，例如UART接口，雙向兩線串行總線I2C接口，這一類顯示終端內部帶有CPU。數據傳輸是輔助功能處理器與液晶控制器的CPU通信，需要額外的通信協議，但降低單CPU的工作量。另一類是并行接口，數據傳輸是輔助功能處理器直接操作液晶控制器。在并行接口方式中，液晶控制器與輔助功能處理器的連接方式又分為兩種，一種是直接方式，另一種是間接方式。直接方式是將液晶控制器作為CPU外部擴展RAM，CPU按地址寫入數據，這種方式設計簡單，穩定性強。間接方式是使用CPU的I/O模擬RAM的讀寫時序，這種方式軟件設計復雜，穩定性差。本發明中的顯示終端使用的是并行接口的直接連接方式，液晶控制器芯片是東芝公司的T6963C，片上帶有字符發生器CGROM，共有128個字符。可管理64K顯示緩沖區及字符發生器CGRAM。并允許CPU隨時訪問顯示緩沖區。
顯示模塊接口可連接圖形化液晶顯示器，通過儲存多國文字必要的字庫，可用多國文字顯示汽車的運行狀態參數，例如汽車行駛速度、發動機轉速、水溫等，同時也將不定期的進行換檔提示、水溫報警等。顯示終端帶有多級菜單功能，駕駛員可通過操作獲取其它相關信息，例如當前時間、歷史備份數據。對顯示功能的配置，如選擇語言種類，可以通過嵌入式汽車服務器功能在網頁上完成。數字化將為汽車儀表帶來使用壽命長，信息量大，抗干擾能力強，指示精度高，體積小，功耗低等優點。 汽車控制單元汽車控制單元實際上是經光電隔離和繼電器隔離的多個雙向I/O口。許多汽車控制系統可以通過I/O口控制，例如防盜器的開關探測器，電動門鎖系統，緊急報警開關量輸入輸出控制等。例如結合指紋鎖系統，可以實現“啟動防劫持”功能，即在汽車被非法侵入后，每行駛幾公里不定期要求指紋識別。再如當車速低于某一個標定值時，智能網關可以通過汽車控制單元向汽車電磁緩速器發出控制信號，加強對汽車的控制。
權利要求
1.一種車用控制器局域網智能網關裝置，簡稱CAN網關裝置，包括CAN總線接口、以太網接口、無線網絡接口、數據備份模塊、微控制器智能化總線、其它總線接口、汽車控制單元、語音和顯示接口、實時數據分析模塊；其特征在于通過微控制器智能化總線結構實現了CAN協議到以太網協議、無線網絡協議和其它專用總線協議的轉換。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的微控制器智能化總線是模塊化的和可配置的。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的CAN總線接口在鏈路層兼容CAN2.0B協議，在應用層兼容J1939、CANopen等協議。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的無線網絡接口包括藍牙、GPRS、CDMA等網絡接口，支持TCP、IPv4、IPv6協議。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的其它專用總線接口包括增強型UART、RS485、USB、第二個CAN總線接口等。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于還具備WWW網頁瀏覽、顯示和語音提示等人機接口，具備汽車行駛數據分析、記錄、控制等嵌入式車身計算機的功能特征。
7.根據權利要求1和6所述的裝置，其特征在于在數據備份模塊中保存有汽車主頁和運行數據文件，可用瀏覽器訪問，亦可通過Internet訪問。
8.根據權利要求1和6所述的裝置，其特征在于所述的數據備份模塊采用掉電非易失性半導體存儲介質存儲數據。
9.根據權利要求1和6所述的裝置，其特征在于所述的顯示接口是圖形化的，支持多國文字顯示。
10.根據權利要求1和6所述的裝置，其特征在于所述的語音接口，可用定制的語音處理芯片實現，亦可用MP3編解碼技術實現，通過Internet下載實現支持多國語言或方言。
全文摘要
本發明提供了一種車用控制器局域網(CAN)智能網關裝置，包括CAN總線接口、以太網接口、無線網絡接口、數據備份模塊、微控制器智能化總線、其它總線接口、汽車控制單元、語音和顯示接口、實時數據分析模塊；該裝置通過微控制器智能化總線結構實現了模塊化的CAN協議到以太網協議、無線網絡協議和其它專用總線協議的轉換；通過嵌入式實時多任務操作系統動態任務調度實現了WWW網頁瀏覽、顯示和語音提示等人機接口，具備行駛數據分析、記錄、控制等車身計算機的功能；可廣泛用于具備CAN接口的發動機、電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置、電控門窗裝置、主動懸架裝置等車載系統的運行狀態監控、運行數據記錄和故障維修等領域。
文檔編號H04L12/28GK1417980SQ02149318
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月7日 優先權日2002年11月7日
發明者呂京建 申請人:呂京建