高安全可靠性車載余度異構總線網(wǎng)絡研究

陳曦 連小珉

（清華大學，北京 100084）

1 前言

隨著汽車電子化程度的不斷提高，出現(xiàn)了諸如線控轉(zhuǎn)向、線控制動、電子節(jié)氣門等電子線控系統(tǒng)[1]。然而，電子系統(tǒng)存在電信號傳輸可靠性差等安全可靠性問題。針對此問題，目前主要采用余度系統(tǒng)來提高電子系統(tǒng)的安全可靠性[2-4]。同時，車載網(wǎng)絡是汽車電子系統(tǒng)唯一的數(shù)據(jù)和控制命令傳輸通道。一旦通信網(wǎng)絡失效，將會帶來嚴重的行車安全隱患，尤其是對于涉及轉(zhuǎn)向、制動等功能的關鍵系統(tǒng)。因此，解決采用余度結構的汽車關鍵電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的安全可靠性問題具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外學者針對高安全可靠性車載網(wǎng)絡做了一些研究工作。在網(wǎng)絡架構設計方面，美國凱特林大學Dr.Juan R.Pimentel[5]提出了基于冗余CAN總線的用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件結構；法國高等航空與汽車制造學校的Khaled Chaaban[6]提出了冗余FlexRay總線構成的具有容錯特性的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；上海理工大學陳興隆[[77]]給出了將FlexRay總線作為具有容錯功能的線控制動系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的方案。雖然冗余CAN總線或者FlexRay總線提供了備份的硬件數(shù)據(jù)通道，但是由于雙通道均采用同一種總線，具有相同的工作機制，故存在共因故障導致車載網(wǎng)絡系統(tǒng)失效的問題。

在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸和仲裁方面，吉林大學的何磊[8]提出了針對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙余度FlexRay網(wǎng)絡；西北工業(yè)大學的吳建軍[9]提出了針對無人飛行器的二余度CAN網(wǎng)絡。他們都是利用主網(wǎng)絡和備用網(wǎng)絡切換進行故障容納，但是由于備用通道數(shù)據(jù)長時間不使用，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處于冷備份狀態(tài)，在需要進行總線通道切換時，存在切換失效的問題。

針對存在的這些問題，本文提出了一種高安全可靠性車載余度異構總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)了“故障-工作-安全-預警”的高安全可靠性。

2 高安全可靠性車載網(wǎng)絡架構

高安全可靠性車載網(wǎng)絡由兩路工作機制不相同的數(shù)據(jù)總線構成，即余度異構總線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡上掛接的是余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點。在正常工作情況下，兩路數(shù)據(jù)總線共同進行數(shù)據(jù)傳輸，互為數(shù)據(jù)傳輸熱備份，當一路數(shù)據(jù)總線發(fā)生故障時，另一路數(shù)據(jù)總線仍能正常進行數(shù)據(jù)傳輸，不對傳輸結果造成影響，可以保證通信的安全可靠。最簡余度異構總線網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1 最簡余度異構總線網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲結構

最簡余度異構總線網(wǎng)絡N可以表示為：

式中，N1和N2為余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點；NG為余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關節(jié)點；B1和B2為異構總線通道。

余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1由總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11和 C12構成；N2由總線網(wǎng)絡單節(jié)點C21和 C22構成，C11、C12、C21和C22具有完全相同的硬件結構。余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關節(jié)點NG對內(nèi)連接余度異構總線網(wǎng)絡，對外連接車輛CAN總線，是余度異構總線網(wǎng)絡與車輛CAN總線的信息交互接口。

2.1 余度異構總線網(wǎng)絡

時間觸發(fā)型的FlexRay總線是一種安全可靠性高、容錯性好的通訊總線，特別適用于X-by-Wire系統(tǒng)。FlexRay總線本身具有冗余的通道[[1100]]，可以用于數(shù)據(jù)備份傳輸，但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，雖然FlexRay控制模塊具有雙通道結構，但是由于模塊中的時間控制單元（TCU）以及序列控制（SEQ）等部分都是公用的，A、B兩個通道并不完全獨立，因此存在某一故障使得FlexRay雙通道均失效的可能，所以FlexRay雙通道并不適用于高安全可靠性車載網(wǎng)絡。CAN總線是汽車內(nèi)常用的事件觸發(fā)型的通信總線，其與FlexRay具有不同的工作機制，硬件也彼此獨立，因此本文提出的高安全可靠性車載網(wǎng)絡選擇了FlexRay和CAN總線構成的余度異構總線網(wǎng)絡。

2.2 余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點結構

以余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1中總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11為例，其硬件結構如圖2所示。

圖2 總線網(wǎng)絡單節(jié)點硬件結構

總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11可以表示為：

式中，M11表示為通信控制器；T/R1為FlexRay總線收發(fā)器，連接到余度異構總線網(wǎng)絡FlexRay通道BP和BM上；T/R2為CAN總線收發(fā)器，連接到余度異構總線網(wǎng)絡CAN通道CANH和CANL上。

余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點由硬件結構相同的2個總線網(wǎng)絡單節(jié)點構成。

3 余度異構總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與仲裁

余度異構總線網(wǎng)絡不僅在硬件架構上采用了余度異構的高安全可靠性總線結構，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與仲裁方面也采用了高安全可靠性的熱備份數(shù)據(jù)傳輸和交叉匹配仲裁方法。

3.1 余度異構總線網(wǎng)絡雙通道熱備份數(shù)據(jù)傳輸

根據(jù)余度異構總線網(wǎng)絡的特點，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸分為2類：余度異構總線網(wǎng)絡內(nèi)部單節(jié)點之間的通信，即點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳；余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點之間的通信，即點間數(shù)據(jù)外傳。

3.1.1 點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳

以余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1中總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11向C12傳遞數(shù)據(jù)S1(x)為例，點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳示意圖如圖3所示。

點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳采用基于冗余數(shù)據(jù)的雙通道熱備份方式來進行數(shù)據(jù)傳輸，具體步驟為：總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11將數(shù)據(jù)S1(x)在FlexRay通道F和CAN通道C上分別傳輸2次，F(xiàn)lexRay通道F上的數(shù)據(jù)為SF1(x)和SF2(x)，CAN通道C上的數(shù)據(jù)為SC1(x)和SC2(x)，總線網(wǎng)絡單節(jié)點C12共接收到4個數(shù)據(jù)。

圖3 點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳示意

3.1.2 點間數(shù)據(jù)外傳

以余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1向節(jié)點N2傳遞數(shù)據(jù)S1(x)為例，點間數(shù)據(jù)外傳如圖4所示。

圖4 點間數(shù)據(jù)外傳示意

點間數(shù)據(jù)外傳采用基于數(shù)據(jù)先驗確認的雙通道熱備份傳輸方法，具體步驟為：余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1的內(nèi)部總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11和C12利用點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳進行數(shù)據(jù)確認；握手成功后，C11和C12分別將確認之后的數(shù)據(jù)S1(x)在FlexRay通道F和CAN通道C上傳輸1次，F(xiàn)lexRay通道F上的數(shù)據(jù)為SF1(x)和SF2(x)，CAN通道C上的數(shù)據(jù)為SC1(x)和SC2(x)，余度異構總線網(wǎng)絡單節(jié)點C21和C22分別接收到4個數(shù)據(jù)。

3.2 余度異構總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交叉匹配仲裁

余度異構總線網(wǎng)絡點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳和點間數(shù)據(jù)外傳采用相同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交叉匹配仲裁方法。接收節(jié)點數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

接收節(jié)點在收到輸入數(shù)據(jù)后，要對接收的4個數(shù)據(jù)進行接收管理。首先根據(jù)數(shù)據(jù)的幀ID以及幀數(shù)據(jù)狀態(tài)指示位判斷需要的4個數(shù)據(jù)是否已有效接收，根據(jù)接收到的有效數(shù)據(jù)采用不同的仲裁方法。由于余度異構總線網(wǎng)絡采用異構總線通道，因此FlexRay通道和CAN通道的數(shù)據(jù)同時失效為小概率事件，接收到的數(shù)據(jù)一般不少于2個。

a. 當接收到4個有效數(shù)據(jù)時，采用4選1仲裁方法。

基于數(shù)據(jù)交叉匹配的原則，首先取異構FlexRay通道和CAN通道各1幀數(shù)據(jù)SF1(x)和SC1(x)，對這2幀數(shù)據(jù)中8個字節(jié)的數(shù)據(jù)依次進行比較得到S1：

如果S1=0，則數(shù)據(jù)比較結束；如果S1≠0，則取FlexRay通道2幀數(shù)據(jù)SF1(x)和SF2(x)繼續(xù)進行比較：

如果S2=0，則數(shù)據(jù)比較結束，否則利用式（5）、式（6）繼續(xù)依次進行比較，至S3=0或S4=0時結束：

根據(jù)比較的結果得到最終的數(shù)據(jù)：

在比較結束后，如果Si(i=1,2,3,4)均不為0，則認為發(fā)生了極小概率的異常故障事件，通知車輛系統(tǒng)采取安全措施（Safe），例如降低車速等。

b. 當接收到3個有效數(shù)據(jù)時，采用3選1仲裁方法。

假定SC1(x)未有效接收，對不同幀數(shù)據(jù)中8個字節(jié)的數(shù)據(jù)依次進行比較，按照如式（8）~式（10）所示的步驟依次進行比較，得到S5，S6，S7：

在比較過程中，如果Si=0（i=5,6,7），則數(shù)據(jù)比較結束。根據(jù)比較的結果得到最終的數(shù)據(jù)：

c. 當接收到2個有效數(shù)據(jù)時，采用2選1仲裁方法，這時認為某一數(shù)據(jù)通道發(fā)生了故障。

假定SC1(x)和SC2(x)均未有效接收，取FlexRay通道數(shù)據(jù)SF1(x)和SF2(x)，對不同幀數(shù)據(jù)中8個字節(jié)的數(shù)據(jù)依次進行比較，得到S8：

根據(jù)比較的結果得到最終的數(shù)據(jù)：

采用上述的交叉匹配仲裁法，即使數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了一次故障，仍然能夠仲裁出正確的數(shù)據(jù)。因此，余度異構總線網(wǎng)絡采用的熱備份數(shù)據(jù)傳輸和交叉匹配仲裁方法能夠保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸。

4 余度異構總線網(wǎng)絡監(jiān)控

高安全可靠性車載余度異構總線網(wǎng)絡利用余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，采用基于多點監(jiān)控的故障診斷與預警方法對網(wǎng)絡的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，對失效數(shù)據(jù)通道進行隔離，并向車輛CAN總線發(fā)出網(wǎng)絡降階預警。

4.1 余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關硬件結構

余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關是余度異構總線雙余度網(wǎng)絡與車輛CAN總線單余度網(wǎng)絡之間的接口，起著單雙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、協(xié)議翻譯、總線速率適應等作用，其硬件結構如圖6所示。

圖6 余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關硬件結構

余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關節(jié)點NG可以表示為：

式中，CG為余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關控制器（MCU）；T/R3為FlexRay總線收發(fā)器，連接到余度異構總線網(wǎng)絡FlexRay通道BP和BM上；T/R4為CAN總線收發(fā)器，連接到余度異構總線網(wǎng)絡CAN通道CANH和CANL上；T/R5為CAN總線收發(fā)器，連接到車輛CAN總線CANH和CANL上。

4.2 余度異構總線網(wǎng)絡多點監(jiān)控故障診斷與預警

余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1和N2采用定時機制向余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關傳遞總線通道狀態(tài)數(shù)據(jù)MFn(x)、MCn(x)，數(shù)據(jù)傳輸如圖7所示。

圖7 總線通道狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸示意

余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1和N2的內(nèi)部總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11、C12、C21和C22分別將記錄的本節(jié)點及其余內(nèi)部總線網(wǎng)絡單節(jié)點的雙通道狀態(tài)MFn(x)（n=1,…,4）在FlexRay通道F上傳輸1次，將MCn(x)（n=1,…,4）在CAN通道C上傳輸1次。余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關NG利用接收到的多個網(wǎng)絡節(jié)點傳來的總線通道的狀態(tài)碼，對整個車載余度異構總線網(wǎng)絡進行故障診斷。

余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點記錄的本節(jié)點及其余內(nèi)部總線網(wǎng)絡單節(jié)點的雙通道狀態(tài)為：

fin和cin記錄通道狀態(tài)，定義為：

如圖7所示，余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關節(jié)點NG接收到的網(wǎng)絡通道狀態(tài)數(shù)據(jù)MFn(x)（n=1,…,4）、MCn(x)（n=1,…,4）可以表示為總線通道狀態(tài)矩陣A：

矩陣B為FlexRay通道F上傳輸?shù)母鞴?jié)點FlexRay總線通道狀態(tài)矩陣，其中f11~f51依次為C11記錄的C11、C12、C21、C22和CG節(jié)點的FlexRay總線通道狀態(tài)。以此類推，f12~f52、f13~f53、f14~f54依次為C12、C21、C22記錄的本節(jié)點及其余各節(jié)點的FlexRay總線通道狀態(tài)。

矩陣C為FlexRay通道F上傳輸?shù)母鞴?jié)點CAN總線通道狀態(tài)矩陣，其中f61~f101、f62~f102、f63~f103、f64~f104依次為C11、C12、C21、C22記錄的本節(jié)點及其余各節(jié)點的CAN總線通道狀態(tài)。

矩陣D為CAN通道C上傳輸?shù)母鞴?jié)點FlexRay總線通道狀態(tài)矩陣，其中c11~c51、c12~c52、c13~c53、c14~c54依次為C11、C12、C21、C22記錄的本節(jié)點及其余各節(jié)點的 FlexRay總線通道狀態(tài)。

矩陣E為CAN通道C上傳輸?shù)母鞴?jié)點CAN總線通道狀態(tài)矩陣，其中c61~c101、c62~c102、c63~c103、c64~c104依次為C11、C12、C21、C22記錄的本節(jié)點及其余各節(jié)點的CAN總線通道狀態(tài)。

余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關利用獲取的總線通道狀態(tài)矩陣A診斷出余度異構總線網(wǎng)絡N的工作狀態(tài)Np，其取值為：

Np的數(shù)值定義及故障判斷條件如表1所示。

余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關將得到的整個余度異構總線網(wǎng)絡的工作狀態(tài)Np通過汽車CAN總線上傳給車輛系統(tǒng)，并在余度異構總線網(wǎng)絡發(fā)生故障時向車輛CAN總線發(fā)出網(wǎng)絡降階預警。

5 余度異構總線網(wǎng)絡試驗驗證

基于以上對于余度異構總線網(wǎng)絡的分析，進行了余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點以及余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關原理樣機制作，并且通過試驗驗證了余度異構總線網(wǎng)絡的高安全可靠性。

5.1 余度異構總線網(wǎng)絡試驗系統(tǒng)設計實現(xiàn)

余度異構總線網(wǎng)絡試驗系統(tǒng)如圖8所示。

表1 Np的數(shù)值定義及故障判斷條件

圖8 余度異構總線網(wǎng)絡試驗系統(tǒng)

圖8中，余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1包括總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11和C12，余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N2包括總線網(wǎng)絡單節(jié)點C21和C22，F(xiàn)lexRay和CAN代表余度異構總線網(wǎng)絡傳輸線，CG為余度異構總線網(wǎng)絡余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，CANoe是汽車總線分析儀，用來模擬車輛CAN總線。

5.2 余度異構總線網(wǎng)絡故障注入測試

基于搭建的余度異構總線網(wǎng)絡試驗系統(tǒng)，利用故障注入的方式對其進行實際測試，測試其在不同數(shù)據(jù)傳輸模式下發(fā)生單個硬件失效故障或者數(shù)據(jù)幀失效故障發(fā)生時整個余度異構總線網(wǎng)絡試驗系統(tǒng)的響應，故障測試類型如表2所示。

表2 余度異構總線網(wǎng)絡故障測試類型

以余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1中總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11向C12傳遞余弦信號為例進行點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳故障注入測試，結果如圖9所示。圖9中，C1、C2分別為C11發(fā)出的CAN通道第1幀和第2幀數(shù)據(jù)，F(xiàn)1、F2分別為C11發(fā)出的FlexRay通道第1幀和第2幀數(shù)據(jù)，R為C12經(jīng)仲裁最終接收到的數(shù)據(jù)，Alarm為余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關發(fā)出的預警信號。

從圖9a可以看出，余度異構總線網(wǎng)絡單節(jié)點C11向C12傳遞余弦信號過程中，C1受干擾失效，但是接收方C12在接收到有效幀數(shù)據(jù)C2、F1和F2之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)交叉匹配仲裁，最終仲裁得到的數(shù)據(jù)R并沒有出現(xiàn)錯誤，同時余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關立刻發(fā)出預警信號Alarm。

從圖9b、圖9c可以看出，C11向C12傳遞余弦信號過程中，在C1和C2先后受干擾和CAN通道硬件通道失效的情況下，最終仲裁得到的數(shù)據(jù)R均沒有出現(xiàn)錯誤，同時余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關立刻發(fā)出預警信號Alarm。

以余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N1向N2傳遞余弦信號為例進行點間數(shù)據(jù)外傳故障注入測試，對點間數(shù)據(jù)外傳只進行了某一節(jié)點故障測試，這種測試對點間數(shù)據(jù)外傳來說是一種極其嚴重的故障情況，其已經(jīng)囊括了數(shù)據(jù)幀失效、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通道失效、硬件通道失效故障所造成的影響，點間數(shù)據(jù)外傳某一節(jié)點故障測試結果如圖10所示。

圖9 點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳故障測試

圖10 點間數(shù)據(jù)外傳某一節(jié)點故障測試

從圖10可以看出，余度異構總線網(wǎng)絡通信節(jié)點N2中總線網(wǎng)絡單節(jié)點C21接收節(jié)點N1傳來的余弦信號過程中，N1中總線網(wǎng)絡單節(jié)點C12失效，接收方C21在接收到有效幀數(shù)據(jù)C1和F1之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)交叉匹配仲裁，最終仲裁得到的數(shù)據(jù)R并沒有出現(xiàn)錯誤，同時余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關立刻發(fā)出預警信號Alarm。

對余度異構總線網(wǎng)絡點內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)傳以及點間數(shù)據(jù)外傳兩類數(shù)據(jù)傳輸模式均進行了軟、硬件單故障注入測試，同一故障類型進行了約50次獨立試驗，測試結果表明，總線通信網(wǎng)絡故障測試一致性較好，余度異構總線網(wǎng)絡在發(fā)生硬件通道失效、數(shù)據(jù)幀受干擾失效以及節(jié)點故障失效等單故障情況下依然能夠正常進行數(shù)據(jù)的傳輸，余度轉(zhuǎn)換網(wǎng)關能夠及時準確地對余度異構總線網(wǎng)絡進行故障診斷及預警。

6 結論

通過對高安全可靠性車載余度異構總線網(wǎng)絡的硬件網(wǎng)絡架構、數(shù)據(jù)傳輸仲裁以及網(wǎng)絡監(jiān)控進行研究，并且利用軟、硬件故障注入的方法進行了試驗驗證，得到以下結論：

a.余度異構總線網(wǎng)絡架構從設計原理上解決了同構冗余總線的共因故障失效問題，可以用于采用余度結構的汽車關鍵電子系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。

b.熱備份數(shù)據(jù)傳輸和交叉匹配仲裁方法使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生一次故障時，接收方仍然能通過仲裁獲得正確的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

c.多點監(jiān)控故障診斷與預警方法能夠?qū)W(wǎng)絡的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，對失效數(shù)據(jù)通道進行故障隔離，并向車輛系統(tǒng)發(fā)出網(wǎng)絡降階預警，使得高安全可靠性車載網(wǎng)絡達到“故障-工作-安全-預警”的高安全可靠性。

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