图解AUTOSAR_SWS_CANNetworkManagement

AUTOSAR CAN网络管理(CanNm)详解

AUTOSAR标准协议详解系列 - CAN网络管理模块规范

目录

• AUTOSAR CAN网络管理(CanNm)详解
  • 目录
  • 1. 概述
    • 1.1 CanNm模块的主要功能
  • 2. 架构设计
    • 2.1 模块层次结构
    • 2.2 主要组件交互
    • 2.3 接口函数
  • 3. 状态机
    • 3.1 主要状态
    • 3.2 网络模式子状态
    • 3.3 状态转换机制
    • 3.4 状态机特性
  • 4. PDU格式
    • 4.1 CAN NM PDU结构
    • 4.2 控制位向量详解
    • 4.3 PDU格式配置选项
    • 4.4 PDU传输特性
  • 5. 配置参数
    • 5.1 配置结构
    • 5.2 关键全局参数
    • 5.3 关键通道参数
    • 5.4 部分网络配置参数
    • 5.5 配置变体
  • 6. 通信流程
    • 6.1 网络唤醒流程
    • 6.2 网络维持活动状态
    • 6.3 网络关闭流程
    • 6.4 被动唤醒机制
    • 6.5 部分网络处理
  • 7. 总结
    • 7.1 CanNm的关键价值
    • 7.2 实施考虑因素
    • 7.3 未来发展趋势

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1. 概述

AUTOSAR CAN网络管理(CanNm)是AUTOSAR标准体系中的关键组件之一，用于管理基于CAN总线的网络通信。网络管理的主要目标是协调网络中各个ECU节点的唤醒和睡眠模式，确保网络资源的高效利用，同时降低车辆静态电流消耗。

1.1 CanNm模块的主要功能

CAN网络管理(CanNm)模块实现了以下关键功能：

• 网络协调：协调网络中各ECU的唤醒和睡眠状态
• 节点检测：识别当前活跃的网络节点
• 睡眠管理：通过协调机制确保所有节点可以安全进入睡眠状态
• 唤醒同步：确保所有相关节点同步唤醒
• 用户数据传输：支持通过NM PDU传输应用程序用户数据
• 部分网络：支持选择性唤醒特定ECU功能

CanNm作为适配层，连接通用网络管理接口(NmIf)和CAN接口(CanIf)，确保了不同总线技术间的无缝集成。

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2. 架构设计

2.1 模块层次结构

CanNm在AUTOSAR分层架构中位于关键位置，其具体位置和交互如下：

• 上层接口：与通用网络管理接口(NmIf)交互，接收网络控制请求
• 下层接口：与CAN接口(CanIf)交互，发送和接收NM PDU
• 横向接口：与PDU路由器(PduR)交互，用于接收用户数据

2.2 主要组件交互

1. 网络管理接口(NmIf)

   • 提供通用网络管理API给上层应用和系统服务
   • 屏蔽不同总线技术的网络管理实现差异
   • 通过回调机制通知应用程序网络状态变化

2. CAN网络管理(CanNm)

   • 实现CAN总线特定的网络管理功能
   • 处理网络PDU的发送和接收
   • 管理网络状态转换逻辑

3. CAN接口(CanIf)

   • 处理CAN数据帧的收发
   • 向上层提供抽象接口，隐藏CAN控制器细节
   • 实现PDU路由和多路复用

2.3 接口函数

CanNm模块提供的主要接口函数包括：

• 网络控制接口：

  • CanNm_NetworkRequest()：请求网络保持活动状态
  • CanNm_NetworkRelease()：释放网络请求

• 回调接口：

  • CanNm_RxIndication()：接收到NM PDU时被调用
  • CanNm_TxConfirmation()：NM PDU发送确认

• 初始化与周期接口：

  • CanNm_Init()：初始化CanNm模块
  • CanNm_MainFunction()：周期性处理CanNm功能

这种架构设计使得网络管理层能够与通信层解耦，同时保持高效的消息传递机制。

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3. 状态机

3.1 主要状态

CanNm状态机定义了网络管理模块的行为模式。主要包含以下关键状态：

1. 总线睡眠模式(Bus-Sleep Mode)

   • 通信控制器处于睡眠状态，最低功耗模式
   • 可通过物理唤醒线或总线信号唤醒
   • 在此状态下不发送也不处理NM PDU

2. 网络模式(Network Mode)

   • 网络处于完全活动状态
   • 包含三个子状态：重复报文状态、正常运行状态和就绪睡眠状态
   • 能够发送和接收网络管理报文

3. 准备睡眠模式(Prepare Bus-Sleep Mode)

   • 过渡状态，网络即将进入睡眠
   • 确保所有节点有足够时间停止网络活动
   • 等待CanNmWaitBusSleepTime时间后，进入总线睡眠模式

3.2 网络模式子状态

网络模式下的三个子状态具有不同的功能和行为：

1. 重复报文状态(Repeat Message State)

   • 频繁发送NM PDU使节点在网络中可见
   • 确保节点保持活动的最小时间周期
   • 有助于网络节点的快速检测

2. 正常运行状态(Normal Operation State)

   • 网络正常工作状态
   • 以配置的周期(CanNmMsgCycleTime)发送NM PDU
   • 持续监听网络上的其他节点活动

3. 就绪睡眠状态(Ready Sleep State)

   • 节点已准备好进入睡眠模式
   • 停止发送NM PDU，但继续监听网络
   • 如检测到其他NM PDU，会推迟睡眠过程

3.3 状态转换机制

状态机转换由以下关键事件和条件触发：

• 网络请求/释放：通过CanNm_NetworkRequest()和CanNm_NetworkRelease()触发
• 超时事件：如NM超时定时器、重复报文定时器到期
• 报文接收：接收到其他节点的NM PDU
• 睡眠确认：所有节点同意进入睡眠状态

状态转换时，CanNm会通过Nm接口的回调函数通知上层应用状态变化，如Nm_NetworkMode()、Nm_PrepareBusSleepMode()和Nm_BusSleepMode()。

3.4 状态机特性

• 两个平行状态：网络可以同时处于"请求(requested)"或"释放(released)"状态
• 被动启动：即使未主动请求网络，接收到NM PDU也会激活网络
• 协调睡眠：通过监控所有节点的就绪状态，确保协调一致的睡眠

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4. PDU格式

4.1 CAN NM PDU结构

CAN网络管理PDU是一种专用的CAN帧，用于在网络节点间交换网络管理信息。标准的CAN NM PDU具有以下结构：

1. 源节点标识符(Source Node Identifier)

   • 默认位于Byte 0
   • 唯一标识发送该NM PDU的节点
   • 位置可通过配置参数调整或禁用

2. 控制位向量(Control Bit Vector)

   • 默认位于Byte 1
   • 包含多个控制标志位，用于协调网络状态
   • 位置可通过配置参数调整

3. 用户数据(User Data)

   • 位于剩余的字节(通常为Byte 2-7)
   • 可包含应用程序特定数据
   • 可用于传输诊断信息或部分网络唤醒条件

4.2 控制位向量详解

控制位向量包含8个单独的位，每个位具有特定功能：

• 位0 - 部分网络信息位(Partial Network Information Bit)

  • 指示PDU包含部分网络信息
  • 用于选择性唤醒功能

• 位1 - 重复报文请求位(Repeat Message Request Bit)

  • 请求网络中的所有节点进入重复报文状态
  • 用于快速节点检测

• 位2 - 协调就绪睡眠位(Coordinator Ready Sleep Bit)

  • 指示节点已准备好进入睡眠状态
  • 协调网络关闭过程

• 位3~5 - 保留位(Reserved)

  • 保留供将来使用
  • 通常设置为0

• 位6 - 活动唤醒位(Active Wakeup Bit)

  • 指示PDU是由主动唤醒触发的
  • 支持汽车唤醒功能

• 位7 - 请求同步关闭位(Request Sync Shutdown Bit)

  • 请求网络同步关闭
  • 协调多个网关的关闭过程

4.3 PDU格式配置选项

CanNm模块提供多种PDU格式配置选项：

• 节点标识符位置：可通过CanNmPduNidPosition配置
• 控制位向量位置：可通过CanNmPduCbvPosition配置
• 用户数据支持：可通过CanNmUserDataEnabled启用/禁用
• 用户数据长度：可通过CanNmUserDataLength配置

这种灵活的配置机制允许适应不同项目的具体需求，同时保持标准化接口。

4.4 PDU传输特性

NM PDU传输具有以下特性：

• 周期性传输：在正常运行状态下按照CanNmMsgCycleTime周期发送
• 立即传输：在网络请求时可以立即发送(由CanNmImmediateNmTransmission控制)
• 总线负载减少：可通过CanNmBusLoadReductionActive配置减少传输频率
• 可靠传输：可以配置为需要传输确认

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5. 配置参数

5.1 配置结构

CanNm模块的配置参数按照层次结构组织，主要分为全局配置和通道特定配置：

1. 全局配置(CanNm)

   • 影响整个CanNm模块的行为
   • 包含模块级别的功能开关和通用特性

2. 通道配置(CanNmChannelConfig)

   • 每个CAN通道独立配置
   • 定义特定通道的PDU格式、定时参数和行为特性

3. 专用配置

   • 部分网络配置(CanNmPnInfo)
   • PDU引用配置(CanNmTxPdu/CanNmRxPdu)

5.2 关键全局参数

CanNm全局配置包含以下重要参数：

• CanNmDevErrorDetect：启用/禁用开发错误检测
• CanNmVersionInfoApi：启用/禁用版本信息API
• CanNmPassiveModeEnabled：启用/禁用被动模式(仅接收不发送)
• CanNmComControlEnabled：启用/禁用通信控制功能
• CanNmGlobalPnSupport：启用/禁用全局部分网络支持
• CanNmBusSynchronizationEnabled：启用/禁用总线同步功能
• CanNmCoordinatorSyncSupport：启用/禁用协调器同步支持

5.3 关键通道参数

每个CanNm通道可以独立配置以下关键参数：

• 定时参数：

  • CanNmMsgCycleTime：NM PDU发送周期(毫秒)
  • CanNmTimeoutTime：网络超时时间(毫秒)
  • CanNmWaitBusSleepTime：等待睡眠时间(毫秒)
  • CanNmRepeatMessageTime：重复报文时间(毫秒)
  • CanNmRemoteSleepIndTime：远程睡眠指示超时时间(毫秒)

• 行为参数：

  • CanNmNodeDetectionEnabled：启用/禁用节点检测
  • CanNmNodeIdEnabled：启用/禁用节点ID
  • CanNmBusLoadReductionActive：启用/禁用总线负载降低
  • CanNmImmediateRestartEnabled：启用/禁用立即重启功能
  • CanNmImmediateTxConfEnabled：启用/禁用立即传输确认

• 标识参数：

  • CanNmNodeId：当前节点的网络标识符
  • CanNmPduNidPosition：节点ID在PDU中的位置
  • CanNmPduCbvPosition：控制位向量在PDU中的位置

5.4 部分网络配置参数

部分网络功能的配置参数包括：

• CanNmPnEnabled：启用/禁用部分网络功能
• CanNmPnEiraCalcEnabled：启用/禁用扩展ID请求数组计算
• CanNmPnEraCalcEnabled：启用/禁用ID请求数组计算
• CanNmAllNmPduRxIndicationEnabled：启用/禁用所有NM PDU的接收指示

5.5 配置变体

AUTOSAR CanNm支持三种配置变体，以满足不同的应用场景：

1. 前置链接配置(Pre-compile)

   • 配置在编译时确定
   • 最优的运行时性能和最小的内存占用
   • 适用于固定配置的ECU

2. 链接时配置(Link-time)

   • 配置在链接时确定
   • 平衡了灵活性和性能
   • 可适应不同ECU型号的细微变化

3. 后置构建配置(Post-build)

   • 配置在运行时加载
   • 最大的灵活性，但有性能开销
   • 适用于支持多种配置的通用ECU

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6. 通信流程

6.1 网络唤醒流程

网络唤醒是CanNm的关键流程，主要分为以下步骤：

1. 应用请求网络

   • 应用程序通过调用Nm_NetworkRequest()请求网络
   • NmIf将请求转发给CanNm模块

2. 激活网络

   • CanNm从总线睡眠模式切换到网络模式
   • 首先进入重复报文状态，确保快速可见性

3. 发送第一个NM PDU

   • CanNm准备带有节点标识和控制位的NM PDU
   • 调用CanIf_Transmit()发送NM PDU
   • 如果配置了立即传输，立即发送；否则等待下一个周期

4. 传输确认

   • CAN控制器成功发送后触发CanNm_TxConfirmation()
   • CanNm更新内部状态并可能触发后续行为

5. 通知上层

   • CanNm调用Nm_NetworkMode()通知应用程序
   • 网络状态转换完成，网络激活

6.2 网络维持活动状态

在网络活动期间，CanNm执行以下操作：

1. 周期性PDU传输

   • CanNm_MainFunction()定期被调用(由RTE/OS触发)
   • 在正常运行状态下，按照CanNmMsgCycleTime周期发送NM PDU

2. PDU接收处理

   • 接收到其他节点的NM PDU时，CanIf调用CanNm_RxIndication()
   • CanNm重置超时定时器，表明网络仍然活动
   • 解析NM PDU中的控制位和用户数据

3. 节点监控

   • 跟踪活跃节点的状态
   • 如启用了节点检测功能，维护网络映射表
   • 处理重复报文请求和协调睡眠信息

4. 用户数据交换

   • 如果配置了用户数据支持，处理PDU中的用户数据
   • 可通过CanNm_GetUserData()或PduR直接提供给应用程序

6.3 网络关闭流程

网络关闭是一个协调过程，确保所有节点同步进入睡眠：

1. 应用释放网络

   • 应用程序通过调用Nm_NetworkRelease()释放网络
   • NmIf将请求转发给CanNm模块

2. 切换到就绪睡眠状态

   • CanNm将内部状态从正常运行更改为就绪睡眠
   • 停止发送NM PDU，但继续监听网络

3. 等待网络安静

   • 持续监听其他节点的活动
   • 如果接收到任何NM PDU，重置超时定时器

4. 超时处理

   • 如果在CanNmTimeoutTime内未接收到任何NM PDU
   • CanNm进入准备睡眠模式
   • 调用Nm_PrepareBusSleepMode()通知上层

5. 最终睡眠转换

   • 在准备睡眠模式等待CanNmWaitBusSleepTime
   • 然后切换到总线睡眠模式
   • 调用Nm_BusSleepMode()通知上层
   • 可能请求通信控制器进入睡眠状态

6.4 被动唤醒机制

CanNm支持被动唤醒，即使应用程序未请求网络：

1. 接收NM PDU

   • 当节点处于总线睡眠或准备睡眠模式时接收到NM PDU
   • 触发网络被动唤醒

2. 状态切换

   • CanNm立即切换到网络模式
   • 首先进入重复报文状态

3. 上层通知

   • 调用Nm_NetworkStartIndication()通知上层
   • 应用程序可以决定是否主动请求网络

6.5 部分网络处理

如果启用了部分网络功能，还有额外的流程：

1. 部分网络过滤

   • 仅处理符合配置的唤醒模式的NM PDU
   • 基于PDU的用户数据部分进行过滤

2. 选择性唤醒

   • 仅在满足特定条件时唤醒网络
   • 减少不必要的唤醒，降低能耗

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7. 总结

7.1 CanNm的关键价值

AUTOSAR CAN网络管理模块是车载网络中高效能源管理的基石，提供三个核心价值：

1. 降低功耗

   • 协调ECU睡眠，减少车辆静态电流消耗
   • 使网络组件在不需通信时进入低功耗模式
   • 通过部分网络功能实现选择性唤醒

2. 提高可靠性

   • 确保所有节点同步进入和离开睡眠状态
   • 防止节点通信状态不一致导致的通信故障
   • 标准化报文格式和处理流程增强系统稳定性

3. 优化网络资源

   • 减少不必要的网络流量
   • 通过总线负载降低机制优化带宽使用
   • 在NM PDU中传输用户数据提高传输效率

7.2 实施考虑因素

在项目中集成CanNm时，应考虑以下关键因素：

1. 定时参数调优

   • 根据网络规模调整消息周期和超时时间
   • 平衡网络响应性和总线负载
   • 确保协调睡眠的时间参数合理设置

2. 网络拓扑规划

   • 考虑节点数量和网络复杂度
   • 在网关ECU上正确配置协调功能
   • 规划节点ID分配方案

3. 功能配置选择

   • 根据需求选择适当功能子集
   • 决定是否启用高级功能如节点检测、部分网络
   • 选择最适合的配置变体

4. 诊断和测试策略

   • 实施全面的网络唤醒和睡眠测试
   • 验证不同工作模式下的网络行为
   • 建立网络管理相关的诊断机制

7.3 未来发展趋势

随着汽车电子架构演进，CAN网络管理持续发展：

1. 更高能效

   • 更精细的部分网络唤醒机制
   • 与高级能源管理系统深度集成
   • 支持更多电源状态的精细控制

2. 支持新型网络架构

   • 与区域控制器和域控制器架构集成
   • 支持混合总线技术的协调
   • 适应分布式和集中式架构

3. 安全增强

   • 网络管理与安全机制结合
   • 防止恶意唤醒和睡眠攻击
   • 支持安全启动和关闭序列

CanNm通过灵活配置、标准化接口和验证的状态机设计，为现代汽车电子系统提供高效可靠的网络管理解决方案，是实现车辆能效和通信可靠性目标的关键组件。