一种开放式可扩展的车载电脑公共平台系统

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摘 要：该文提出了一种开放式可扩展的车载电脑公共平台系统：车载电子处理单元（EPU）系统，该平台系统采用CAN网络和EtherCAT网络并通过公共网络通讯协议，把各扩展功能模块连接成一个完整的系统，从而实现不同厂家、不同品牌、不同功能的扩展功能模块的互连和数据共享、资源共用，通过对不同的扩展功能模块的增减或替换，可提升车载电子处理单元系统的性能、实现各种不同的功能。

关键词：车载电子处理单元（EPU） CAN网络 EtherCAT网络 扩展功能模块

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0154-04

随着汽车工业与电子工业的不断发展，各种车载电子产品越来越多地进入到汽车里，从而提高了汽车的智能化程度和乘车的舒适性。然而由于没有统一的平台接口，使得这些车载电子产品没有通用性和兼容性，也无法方便实现对产品的维修升级。为此，我们首次提出了车载电子处理单元（EPU，Electronic Processing Unit）的概念，EPU实际就是一台开放式可扩展的车载电脑公共平台，但它有别于普通的车载电脑，EPU只集成了基本硬件功能和系统操作平台，其他电子产品（如倒车摄像头等）作为扩展功能模块挂接在EPU扩展的CAN网络或EtherCAT网络上，并通过开放式的通信协议，将这些扩展功能模块与EPU组成一个完整的车载电子处理单元系统，从而实现数据互用、资源共享。车载电子处理单元公共平台的开放性和可扩展性体现在各扩展功能模块以及各种软件的自由添加更换，它允许第三方，包括汽车扩展功能模块制造商在其上开发软件或硬件产品，以提供更加丰富，更为强大，更加实时的功能和特性。

1 车载电子处理单元系统总体结构

车载电子处理单元系统主要是由车载电子处理单元（EPU）、CAN网络和EtherCAT网络组成，其系统总体结构如图1所示。其他可扩展、可增减的扩展功能模块通过CAN网络或EtherCAT网络与车载电子处理单元（EPU）连接，组成一个完整的车载电子处理单元系统。

1.1 车载电子处理单元（EPU）

车载电子处理单元（也称为基本系统）是车载电子处理单元系统中的核心部件。车载电子处理单元（EPU）包括主控制板、电源、触摸液晶显示器和扬声器几部分。主控制板以中央处理器（CPU）为核心，集成了基本的硬件功能模块，包括DDR3存储器、FLASH存储器、固态硬盘、扩展了USB接口、OTG接口、SD卡、标准RJ45接口，并内置了WIFI模块、蓝牙模块、麦克风、AM/FM收音模块、GPS模块和蜂鸣器，同时还扩展了OBD-II接口以及以太网接口和CAN总线接口。主控制板通过OBD-II接口与电子控制单元（ECU）连接，以获取汽车运行和故障数据。因此，车载电子处理单元（EPU）已在汽车上实现了基本的车载电脑功能，通过在其上安装相应的公共软件系统，可实现如：GPS导航、影音播放、AM/FM收音以及车载办公等功能。

车载电子处理单元主控制板采用了CortexTM-A9架构的飞思卡尔i.MX6Q四核处理器芯片作为主处理器。i.MX6Q是飞思卡尔新推出的一款汽车级的处理器芯片，专用于车载娱乐系统。它基于ARM CortexTM-A9架构，40nm工艺制程，最高运行频率可达1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。处理器内部为64/32位总线结构，32/32KB一级缓存，1M二级缓存，可以实现12000DMIPS（每秒运算12亿条指令集）的高性能运算能力，并自带3D图形加速引擎，88M的图像多边形生成率，像素填充率为1.066G 像素/秒，2D图形加速，最大支持4096x4096 pixels分辨率。视频编码支持MPEG-4/H.263/H.264，达到1080p@30fps，解码MPEG2/VC1/Xvid等视频达到1080p@30fps，支持高清HDMI TV输出。

1.2 车载电子处理单元系统的CAN网络

对于数据通讯量较小、成本要求较低、实时性要求较高的扩展功能模块（如超声波倒车雷达、中控锁模块、胎压监测模块、防盗防劫持报警模块、遥控接收等功能模块），车载电子处理单元（EPU）通过CAN总线接口c它们相连接，组成CAN网络；CAN网络的数据传输速率在1Mbps以下。

⑴CAN网络的特点

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN bus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

CAN总线的特点：

多主机方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活；

网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；

采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；

可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据；

直接通信距离长；

抗干扰能力强；

采用总线结构组网，可挂接多个节点，接口简单；

采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个；

每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低；

通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；

节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

⑵车载电子处理单元的CAN总线接口

如图2所示是车载电子处理单元（EPU）的CAN总线接口，该接口采用ISO1050芯片，它是一款隔离型的CAN总线驱动器，可提高CAN网络抗干扰能力。

⑶扩展功能模块的CAN总线接口

如图3所示是扩展功能模块的CAN总线接口，CAN总线接口电路是由CAN总线收发器MCP2515芯片和CAN总线驱动器ISO1050芯片来实现。图中功能电路是指实现某个具体功能的电路，CPU控制功能电路的运行，获取功能电路的实时数据，并通过CAN网络实现与其他模块的通讯。

1.3 车载电子处理单元系统的EtherCAT网络

对于数据通讯量较大、处理能力较强、实时性要求较高的扩展功能模块（如倒车摄像头、行车摄像头、车内摄像头、数字功放、数字电视、GSM模块、3G模块、4G模块、CD/DVD播放器、汽车黑匣子等功能模块），车载电子处理单元（EPU）系统通过EtherCAT实时以太网接口与它们相连接，组成EtherCAT网络。EtherCAT网络的数据传输速率可达到100Mbps，且实时性高。车载电子处理单元用作EtherCAT的主站，而各扩展功能模块作为从站挂接在EtherCAT网络上。

⑴EtherCAT网络的特点

EtherCAT是一种实时工业以太网技术，它充分利用了以太网的全双工特性。使用主从模式介质访问（MAC），主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧中。主站使用标准的以太网物理层器件，从站使用专用EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。

EtherCAT的主要特点：

通信方式灵活，可实现主/从、从/从通讯；

通信周期短，实时性高；

通讯实时性采用分布时钟机制实现，同步时间快；

可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等多种传送方式接收数据；

直接通信距离长；

通信速率为100Mb/s；

可挂接节点数量多；

兼容TCP/IP。

从以太网的角度来看，一个EtherCAT网段就是一个以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC8802.3以太网数据帧。但是，这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及相应的微处理器，它可由多个EtherCAT从站组成，如图4所示是一个非冗余的EtherCAT网络。这些从站可以直接处理接收的报文，并从报文中提取或插入相关的用户数，然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文，并由第一个从站作为响应报文将其发送给主站。

⑵车载电子处理单元（主站）的EtherCAT网络接口

EtherCAT主站使用标准的以太网控制器，如图5所示。通信控制器完成以太网数据链路的介质访问控制（MAC，Media Access Control）功能，物理层芯片PHY是实现数据编码、译码和收发，它们之间通过一个MII（Media Independent Ineterface）接互数据。MII是标准的以太网物理层接口，定义了与传输介质无关的标准电气和机械接口，使用这个接口将以太网数据链路层和物理层完全隔离开，提高通信的可靠性。因此，车载电子处理单元作为EtherCAT网络的主站，i.MX6Q CPU已集成了以太网通信控制器芯片和MII接口，可以与PHY直接连接。

⑶扩展功能模块（从站）的EtherCAT网络接口

扩展功能模块作为EtherCAT从站设备，需要实现EtherCAT通信和应用控制两部分电路，如图6所示，其硬件结构主要由物理层器件、从站控制器ESC 、CPU和相应功能电路四部分组成。其中，从站物理层包括PHY芯片和光纤接口电路；从站通信控制器芯片ESC负责处理EtherCAT网络通讯，并使用双端口实现与EtherCAT主站或其他从站的数据通信，从站CPU可直接从ESC读取控制指令或读写数据，因此，EtherCAT网络与从站CPU响应时间无关，从站CPU性能选择取决于功能模块的控制任务需求，可以使用8位、16位的单片机及32位的高性能CPU，功能电路是指扩展功能模块的具体实现电路，它与从站CPU相连并直接由CPU负责控制操作。

2 车载电子处理单元系统通讯协议

由EtherCAT数据帧结构可知，EtherCAT子报文数据域长度为32～1486 字节，此长度作为车载电子处理单元系统应用层协议定义的范围，如图7所示是EtherCAT网络应用层协议的基本格式，格式先定义了11位数据长度、并预留了1位保留位、4位数据类型，这三部分共计16位，占用2个字节，接着是8位功能码，剩余为数据域，其最大可使用字节长度为1486-3=1483字节。

在CAN 2.0B总线协议规范中， 定义了一种具有29位标识符ID的扩展帧格式。电子处理单元系统的CAN网络使用这种扩展格式数据帧，并对CAN报文的29位标识符ID和8字节数据域做出了具体定义。其中，标识符ID 定义为ID28为1位保留位，ID27-ID20为8位目的地址，ID19-ID12为8位源地址， ID11-ID8为4位数据类型，ID7-ID0为8位功能码，数据域第一字节分为三部分：先定义2位的段标识，接着是3位保留位，再是3位数据长度，第2字节为8位分段编号/数据，根据段标识的不同，该字节可作为段编号或数据使用，后48位（共6字节）为数据，这样每帧最多可传送7字节的数据。由于分段编号占用8位，最多可分256段，而分段数据每帧最多可传送6字节，这样CAN报文数据长度最多为6*256=1536字节，大于EtherCAT网络单帧传送数据最大值1483字节，从而解决了EtherCAT网络与CAN网络数据互传的问题。

3 车载电子处理单元系统软件设计

车载电子处理单元系统软件设计分为车载电子处理单元、EtherCAT网络和CAN网络扩展功能模块三种类型。其中，车载电子处理单元操作系统使用Linux3.0.35+QT4.8.5，并首先移植了IGH开源源码ethercat-1.5.2主站协议栈，再按车载电子处理单元系统通讯协议要求设计通讯程序、系统界面和应用程序。各扩展功能模块根据实际功能需求选取相应性能CPU芯片，并按车载电子处理单元系统通讯协议要求设计通讯程序和相应功能设计应用程序。

4 结语

该文提出了一种开放式可扩展的车载电脑公共平台系统：车载电子处理单元（EPU）系统，它规范了车载电子产品的连接接口和通讯协议，结束车载电子产品五花八门，杂乱无章的局面，并为汽车电子工业提供了全新的商机和更加广阔的发展空间，对未来汽车的发展和汽车电子工业的发展具有积极的推动作用，车载电子处理单元（EPU）系统项目在实际实施中取得了良好的效果。

参考文献

[1] 郇极，刘艳强.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007，29（11）：79-82.

[2] 罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3] 铙运涛，王进宏.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.