汽车控制器CAN网络管理解析及测试方法（OSEK）

yuanyou

一、网络管理功能的目的

->解决蓄电池电量有限，如果整车控制器同时工作会造成电池亏电的问题。通过网络管理功能，当用户需要请求相关功能时，参与该功能的相关ECU节点才需要启动起来。

->协调各 ECU 同时进入网络睡眠模式；车载控制器网络管理功能就是通过在各个ECU的网络上，发送一些命令制定一套规则，来实现整车各个ECU的协同睡眠和唤醒。按照唤醒方式，我们可以将ECU网络节点类型划分为本地唤醒与远程唤醒。本地唤醒：唤醒源来源于自身模块，比如KL15硬线唤醒；远程唤醒：唤醒源来源于自身ECU节点所在的网络报文，该节点可以处于完全休眠状态；

二、结合硬件电路说说网络管理功能

->为了支持睡眠和唤醒，ECU的芯片必须支持低功耗模式和正常工作模式的切换。低功耗模式（ECU睡眠）指一个ECU断电或者处于极少数的外围器件工作的模式；唤醒指的是ECU处于全工作模式。

休眠机制：控制器在一段时间接收不到CAN网络管理帧，控制器的主芯片MCU通过GPIO口控制TJA1043 CAN芯片管脚STB_N为低电平和管脚EN为高电平，经过最小保持时间后芯片进入休眠模式，CAN芯片INH管脚置低。TLE8366电源芯片使能管脚EN置低（INH连接至电源管理芯片EN脚），停止输出主5V电源，主芯片不工作，整个控制器断电不再工作。TJA1043进入低功耗状态，仅由汽车电池对管脚VBAT提供基础工作电源。

唤醒机制：控制器收到CAN网络管理帧，TJA1043短时唤醒，INH管脚置高。电源芯片使能管脚EN置高（INH连接至电源管理芯片EN脚）开始输出主5V电源，主芯片开始工作，MCU进入工作状态后立即控制CAN TJA1043芯片管脚STB_N为高电平和EN为高电平，使TJA1043从休眠模式进入待机模式后开始正常工作。

三、网络管理功能的工作原理



      ->所有参与直接网络管理的ECU，建立逻辑环的通信机制：是由若干个节点组成的环状结构，每个节点都有一个逻辑上的后继节点，而最后一个节点的后继节点又是第一个节点，这样就组成了一个环状的结构。NM 报文以这种令牌环机制依次发送形成逻辑环；网络管理报文ID从小到大发送，然后从最大节点到最小节点依次建成逻辑环。

唤醒后建立逻辑环过程：申请和传递的路径。

1) 控制器唤醒后想参与网络的节点会先发Alive报文申请加入逻辑环。

2)逻辑环建成后，各节点按顺序发Ring报文向后续节点传递“令牌”。

每个参与网络管理报文包括ID和目标地址、操作码、用户数据部分组成。ECU 都有一个特定的网络管理地址；网络管理报文类型分为 Alive 报文、Ring 报文和 LimpHome 报文，通过操作码的组合形式实现；

当建立逻辑环，ECU 发送Ring 报文，接收到Ring 报文的其它 ECU 监控目标地址，判断是否被跳过，若被跳过则发送Alive 报文，提示其它 ECU 更新逻辑后继，重新建立逻辑环；

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  逻辑环稳定时，ECU不需要 CAN通信时，该 ECU 将发送的 Ring 报文中设置SleepInd，以通知网络中其它 ECU。当逻辑环中所有的 ECU 都发送了设置 Sleep.Ind 的 Ring 报文，总线上所有 ECU 都满足睡眠条件的 ECU 会发送Sleep.Ack的 Ring 报文，网络中所有的 ECU 接收到设置 Sleep.Ack 的 Ring 报文后同步进入等待睡眠状态；如果在进入等待睡眠状态后 tWaitBusSleep 时间内，网络中所有 ECU 没有检测到中断事件，将同步进入睡眠状态。如果ECU 监测到中断事件，则 ECU 重新发送 Alive 报文，重新建立逻辑环；如果应用程序需要 CAN 通信，睡眠指示位将被复位，此时 ECU 睡眠条件不满足，即 Sleep.Ind=0；当应用程序不再需要 CAN 通信，此时 ECU 睡眠条件满足，在下次发送 NM 报文时会将其睡眠指示位置位，即Sleep.Ind=1。
  

四、网络管理报文格式



OSEK网络管理报文规则：

ID：4xx，其中4代表此帧报文为网络管理报文，xx代表当前节点的基地址。在OSEK网络管理中会给每个节点分配一个基地址（00~FF）。

Byte0:   网络管理报文发送的目标地址。表明网络管理报文是发送给哪个控制器节点。

Byte1：代表发送的网络管理报文的类型即是ring报文还是Alive报文或者LimpHome报文；01：代表 Alive报文，在总线上声明自己的存在，请求其他节点与自己建环。02：代表Ring报文；12：代表当前节点已无通讯请求（睡眠标志位置位SleepInd=1），即告知其他节点我已满足睡眠条件；32：睡眠应答请求（SleepAck =1），当检测到其他节点都在发送12的ring报文后，最后节点发送此应答报文，此时进入睡眠等待状态。04：代表跛行报文，如果网络管理报文接收计数器和发送计数器超限后，发送跛行报文即无其他节点与此节点建环，只有一个节点存在。

Byte2-Byte7：用户定义的数据。

五、网络管理功能测试方法

测试工具主要包括CANoe工具、CANStress工具、VN1640工具及其上位机软件。





测试项目主要包括：逻辑环测试、睡眠状态测试、Limphome状态测试、逻辑环中新节点加入测试、本地唤醒请求测试、远程唤醒请求测试、结束唤醒测试、网络管理报文格式测试、TType/TMax/Terror/TWaitBusSleep等时间参数测试、网络管理错误处理测试。

逻辑环测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，通过CANOE模拟总线其它节点，与该节点进行建立逻辑环。

睡眠状态测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，通过CANOE模拟总线其它节点，并设置睡眠标志位为真，检测睡眠标志位为真，经过t时间后，总线进入睡眠模式。

Limphome状态测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，被测节点进入Limphome模式。

逻辑环中新节点加入测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，通过CANOE模拟总线其它节点，与该节点进行建立逻辑环，通过CANOE再模拟一个新的节点加入到逻辑环中。

逻辑环中某节点退出测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，通过CANOE模拟总线其它节点，与该节点进行建立逻辑环，通过CANOE停止模拟其中一个节点退出逻辑环。

本地唤醒请求测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，检查是否发出Alive及Ring报文

远程唤醒请求测试

CANOE工具模拟其它节点，通过CANOE模拟总线其它网络节点报文，检查是否有Alive报文发出。

结束唤醒测试

CANOE工具模拟其它节点，通过CANOE模拟总线其它网络节点报文，Alive报文发出后，进入Limphome模式，并发送SleepInd标志位。

网络管理报文格式测试

CANOE工具模拟其它节点，通过KL15唤醒网络，检查是报文格式及ID。包含Alive、Ring、Limphome、SleepInd、SleepAck、Dest等报文组合形式。

TType/TMax/Terror/TWaitBusSleep等时间参数测试

测试的Alive报文与Ring报文之间的时间参数TTyp、测试的Ring和下一帧Alive报文之间的时间参数TMax、测量时间参数TError是否满足协议要求的网络管理时间参数，NMNormal状态下TWaitBusSleep时间参数测试。

网络管理错误处理测试

使用CANOE模拟节点网络管理报文，让总线进入睡眠模式，通过本地唤醒，使用CANstress干扰DUT发送报文RTRbit位，确保进入busoff状态，通过canoe trace窗口检查Tbusoff的时间。