基于CANoe整車網(wǎng)絡(luò)負載率仿真與實車網(wǎng)絡(luò)周期一致性測試驗證研究

龔 暉，謝 甦，夏永強，趙能卿，劉 婷，涂將輝，胡鵬飛

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

整車CAN總線技術(shù)已經(jīng)提出有30多年，CAN總線技術(shù)因其具有可靠性、實時性、靈活性等諸多優(yōu)點應(yīng)用廣泛且日漸成熟，CAN是一種串行通信方式實現(xiàn)整車通信［1］。常用的高速CAN波特率為500 kb／s，一般具有通信速率高、實時性要求高以及安全等級高等特點，負載率的定義為實際數(shù)據(jù)傳輸速率和理論上能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率的比值［2］。實際上負載率的含義為在時間上資源被使用的情況。負載率過高，容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁堵、信號傳輸延遲、報文傳輸丟失等情況［3］。因此，負載率過高，嚴重影響了整車節(jié)點模塊之間的通信，會導(dǎo)致通信失敗的情況。本文對某車型開發(fā)的總線網(wǎng)絡(luò)的總線負載率進行仿真測試，基于CANoe在實車上測試網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。根據(jù)測試結(jié)果對問題逐個分析，并提出因負載率引起的問題解決方案。

1 整車網(wǎng)絡(luò)拓撲開發(fā)

某輕型商用汽車的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計，結(jié)合了整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能需求、速度需求、子系統(tǒng)劃分的原則。建立以獨立網(wǎng)關(guān)為核心的4網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計的汽車整體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓撲如圖1所示。這4路CAN分別為車身CAN、動力CAN、底盤CAN、TBOX CAN。基于功能和網(wǎng)絡(luò)要求設(shè)計整車網(wǎng)絡(luò)信號矩陣。根據(jù)已經(jīng)開發(fā)好的信號矩陣，利用信號矩陣工具生成DBC文件。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2 網(wǎng)絡(luò)負載率仿真分析與實車測試

使用網(wǎng)絡(luò)負載率仿真軟件CANoe創(chuàng)建仿真環(huán)境，將各個節(jié)點模塊的信號加載到仿真平臺中，分別建立各路網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負載率平臺，虛擬節(jié)點可以模擬發(fā)出對應(yīng)真實節(jié)點的報文。圖2為車身CAN的仿真環(huán)境，圖3為動力CAN的仿真環(huán)境，圖4為TBOX CAN的仿真環(huán)境，圖5為底盤 CAN的仿真環(huán)境。

圖2 車身CAN的仿真環(huán)境

圖3 動力CAN的仿真環(huán)境

分別仿真每個網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負載率，得到如表1的各個網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負載率，并利用CANoe采集實車的網(wǎng)絡(luò)信號數(shù)據(jù)，得到整車實際的負載率。

圖4 TBOX CAN的仿真環(huán)境

圖5 底盤 CAN的仿真環(huán)境

表1 整車負載率仿真統(tǒng)計與實車負載率統(tǒng)計

根據(jù)上述仿真分析得到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：①仿真結(jié)果和實車測試結(jié)果基本吻合，仿真的負載率略低于整車實際的負載率；②車身CAN、TBOX CAN、底盤CAN的總線負載率較低，滿足整車的通信要求；③設(shè)計的動力CAN負載率高于50%，根據(jù)經(jīng)驗，負載率較高，正常負載率應(yīng)控制在50%以內(nèi)，負載率高于50%存在報文傳輸延遲、丟幀等通信不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。因此，此網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要優(yōu)化。

3 整車網(wǎng)絡(luò)周期一致性測試

在整車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)階段，網(wǎng)絡(luò)測試是必不可少的一部分，其中動態(tài)網(wǎng)絡(luò)測試很容易測試出網(wǎng)絡(luò)的通信問題，為整車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)提供有效的測試驗證［4］。負載率過高容易導(dǎo)致報文傳輸延遲、丟幀等通信不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)，為了驗證當(dāng)前負載率對整車網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性的影響，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)測試可測試車輛行駛過程中勻速行駛過程、加速／制動過程、大功率負載動作過程、射頻裝置工作過程、高環(huán)路面、FCPA路面、高速、特殊路面、壞路、平路、起伏路等各種環(huán)境下的測試，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送周期與整車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)要求是否一致，同時也能檢驗出網(wǎng)絡(luò)通信是否穩(wěn)定。基于以上工況，分別進行各種工況為期2h的路試測試，并基于CANoe工具監(jiān)控4路網(wǎng)段的報文發(fā)送周期是否與整車設(shè)計網(wǎng)絡(luò)周期一致。

利用CANoe軟件建立工程進行自動監(jiān)控報文并實時跟蹤報文周期，建立的工程自動識別信號矩陣中的模塊信號。CANoe軟件監(jiān)控總線發(fā)送報文周期是否超出10%，超出這個范圍則記錄下來，網(wǎng)絡(luò)報文周期一致性測試模型如圖6所示，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到表2中的問題。

圖6 網(wǎng)絡(luò)報文周期一致性測試模型

表2 報文周期一致性測試問題統(tǒng)計

從目前測試結(jié)果分析：有很多報文周期延時的情況，如動力CAN上的0x142、0x281等報文出現(xiàn)延時，延時超過10%以上；另外網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的0x111、0x213、0x321、0x270、0x325等報文有時間延遲出現(xiàn)。經(jīng)確認，介于動力CAN總線負載率平均值在50%以上，導(dǎo)致報文周期延時，比如以0x325為例，PEPS發(fā)送的325報文，EMS需要接收PEPS發(fā)送的0x325報文，會影響到EMS節(jié)點的RC校驗，因為EMS采集的當(dāng)前值有可能是上個周期的值，這樣就會造成循環(huán)對比錯誤。

4 網(wǎng)絡(luò)總線負載率優(yōu)化

4.1 網(wǎng)絡(luò)總線優(yōu)化方案

基于動力CAN負載率過高導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信延時的問題，目前唯一的解決辦法就是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)負載率盡可能低。目前優(yōu)化負載率的方法有很多，如降低報文占用時間、報文周期調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)類型調(diào)整等方式［5］。后面兩種方式均能有效降低總線負載，但是從工程角度來說，考慮到這兩種方式成本較高，主要采用降低報文占用時間、調(diào)整周期這兩種方法。具體實施方法有如下幾種。

1）考慮到很多報文通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，其所占的時間累加較多，但一整幀報文轉(zhuǎn)發(fā)并非所有的信號都需要，因此將多幀轉(zhuǎn)發(fā)報文合并成一幀報文，另外還有兩幀報文存在設(shè)計冗余，可以取消報文轉(zhuǎn)發(fā)。這樣大大降低報文轉(zhuǎn)發(fā)。

2）對逐個信號進行分析，調(diào)整過多占用位數(shù)的精度信號，盡量將信號排布在一幀報文中，避免出現(xiàn)空余位未填充的情況。

3）對逐個報文周期進行分析，調(diào)整信號發(fā)送周期，適當(dāng)將周期時間延長。

4）對優(yōu)先級比較重要的信號重點關(guān)注，功能等級要求低的信號偶爾出現(xiàn)延遲不影響功能使用信號適當(dāng)調(diào)低報文優(yōu)先級。

4.2 網(wǎng)絡(luò)總線優(yōu)化負載率后對比

基于上述的幾種方法，降低動力CAN的負載率，優(yōu)化之前實車測試負載率數(shù)據(jù)為56.95%，當(dāng)前實車測試的負載率有47.04%左右。同時路試跟蹤整車網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，之前出現(xiàn)的問題基本解決，未出現(xiàn)上一節(jié)中描述的問題。說明負載率過高導(dǎo)致的報文周期一致性問題得到有效改善，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案效果明顯。如圖7所示。

5 結(jié)論

圖7 動力CAN總線負載率實車測試

隨著整車功能的豐富、主被動安全技術(shù)的應(yīng)用、排放升級等整車功能需求增加，整車的電子電器模塊節(jié)點也越來越多，所以對整車網(wǎng)絡(luò)負載率的研究愈發(fā)重要?；陂_發(fā)的網(wǎng)絡(luò)分別進行網(wǎng)絡(luò)負載率仿真，實車測試每一路CAN的負載率。同時，通過整車路試測試進行網(wǎng)絡(luò)通信報文周期一致性分析，結(jié)果表明：負載率過高，容易產(chǎn)生實際報文周期與設(shè)計周期相比有延遲的情況。根據(jù)實際工程需求，采取行之有效的措施降低動力CAN的總線負載率，對比優(yōu)化前后的網(wǎng)絡(luò)負載率以及網(wǎng)絡(luò)通信情況，負載率降低能增加網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性。