CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r優(yōu)化研究*

杜峰 蔡一杰 關(guān)志偉,3 唐風(fēng)敏 吳迪

（1.天津市智能交通技術(shù)工程中心，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；3.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350；4.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；5.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

主題詞CAN總線 傳輸速率 延時 偏移量補償 標識符優(yōu)化

1 前言

車載CAN總線系統(tǒng)擁有高性能、高可靠性、高實時性與設(shè)計較為靈活等優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于當前汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。但是汽車電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，為滿足用戶的需要，總線系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點越來越多，設(shè)計越來越復(fù)雜。系統(tǒng)高負載工作時，大量節(jié)點會同時爭搶帶寬資源，有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延時現(xiàn)象，不僅限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

國內(nèi)外針對CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信延時的測算與優(yōu)化進行了大量的研究。對通信延時的測算主要包括對最差情況響應(yīng)時間及非最差情況下的總線消息響應(yīng)時間建模分析，并在此基礎(chǔ)上建立了考慮錯誤和干擾的理論體系。此外，有學(xué)者還提出了運用數(shù)學(xué)和概率工具計算響應(yīng)時間的方法，該方法能夠更好地測算響應(yīng)時間的概率分布情況。網(wǎng)絡(luò)通信延時優(yōu)化方面的研究主要包括報文標識符編碼研究、調(diào)度算法優(yōu)化、負載率算法研究等。這些措施都可有效改善總線系統(tǒng)的通信質(zhì)量，但實際應(yīng)用中仍會出現(xiàn)高負載率下穩(wěn)定性變差等不利情況，且這些優(yōu)化方法均難以對總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體與局部進行兼顧，無法達到最好的優(yōu)化效果。

本文基于CAN 通信協(xié)議對總線數(shù)據(jù)傳輸進行分析，在負載率固定的情況下對總線延時和網(wǎng)絡(luò)可擴展性進行優(yōu)化，分析總線數(shù)據(jù)傳輸時的延時特性，提出一種報文偏移量補償及標識符優(yōu)化的混合優(yōu)化方案，并采用該方案對動力CAN（PTCAN）和車身CAN（BDCAN）總線進行分析優(yōu)化。

2 延時建模分析

2.1 延時原因分析

CAN 總線上每一個節(jié)點工作的時鐘都不相同，并且具有獨立發(fā)送請求的權(quán)利。對某一報文而言，從系統(tǒng)下達報文發(fā)送的命令到報文接收完成的時間稱為CAN總線的通信延時。任意報文的通信延時τ可分為通信過程延時R和通信錯誤恢復(fù)時間E：

通信過程延時為在沒有任何通信錯誤的前提下，報文從開始發(fā)送到接收完成所需的執(zhí)行時間和等待時間。因為通信錯誤所導(dǎo)致的報文發(fā)送失敗而進行恢復(fù)所花費的時間稱為通信錯誤恢復(fù)時間。

2.1.1 通信過程延時

通信過程延時由幀延時、軟件與CAN 控制器延時、媒體訪問延時組成，可近似表示為：

幀延時主要受報文的幀長度和位時間影響。幀延時的表達式為：

式中，為數(shù)據(jù)位的長度，即數(shù)據(jù)場中實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)；為開銷位的長度，由該幀為標準幀或擴展幀決定；為填充位的長度，其大小需根據(jù)位流的實際情況而定。

軟件延時與CAN 控制器延時主要由CAN 控制器本身、接口芯片、具體傳遞的報文信息量等因素決定。

媒體訪問延時是不同優(yōu)先級的報文在搶奪總線帶寬資源時所額外耗費的時間，這也是當前國內(nèi)外汽車電子方面研究的熱點。CAN 總線通過非破壞性總線仲裁機制對報文進行傳輸，這樣的運行機制極易導(dǎo)致高優(yōu)先級報文不斷地被發(fā)送，中低優(yōu)先級報文不斷地被重復(fù)仲裁的情況出現(xiàn)，會對優(yōu)先級不占優(yōu)勢的報文產(chǎn)生極大影響，從而出現(xiàn)較大的媒體訪問延時。

2.1.2 通信錯誤恢復(fù)時間

CAN 總線采用自身獨特的通信錯誤處理機制來處理通信錯誤情況，該機制分為錯誤檢測、錯誤界定和錯誤處理3個階段。

由于實際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的情況多種多樣，復(fù)雜多變，難以確認通信錯誤恢復(fù)時間的全部影響因素，因此本文僅對一般情況下的錯誤恢復(fù)時間進行分析。

錯誤恢復(fù)時間E可表示為：

式中，為在通信傳輸錯誤出現(xiàn)之前，報文已傳輸?shù)臅r長；為通信錯誤持續(xù)的時長；為通信錯誤期間報文的傳輸時長之和。

綜上，CAN總線報文的通信延時可由式（5）得到：

2.2 延時評價指標選取

對總線突發(fā)傳輸（Burst）情況、一般情況相對延時及最差情況相對延時進行建模研究，可清晰地發(fā)現(xiàn)總線的擁堵情況及具體的各情況延時時長。

2.2.1 總線突發(fā)傳輸情況

在總線上完成了一次地址傳輸后，對該地址連續(xù)進行多次數(shù)據(jù)傳輸稱為總線的突發(fā)傳輸。在一次突發(fā)傳輸中，起始地址傳輸完成后，后續(xù)傳輸?shù)拇螖?shù)稱為突發(fā)傳輸長度。在內(nèi)存讀寫的實際應(yīng)用中，只要對起始地址與突發(fā)傳輸長度進行定義，就可方便有效地進行連續(xù)傳輸，但在CAN總線系統(tǒng)中，連續(xù)發(fā)送極容易對通信情況造成影響。連續(xù)發(fā)送時長較長的控制器勢必會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵問題，從而導(dǎo)致延時時長的增加，因此研究Burst情況可以快速發(fā)現(xiàn)延時情況較為嚴重的控制器，以便有針對性地解決問題，提高優(yōu)化效率。

2.2.2 一般情況相對延時

在進行報文的網(wǎng)絡(luò)傳輸時，即使是完全相同的報文也難以保證同時到達。每個報文實際到達時間與預(yù)定到達時間的差距無法做到一致，這種現(xiàn)象稱為抖動。由于不同報文的發(fā)送周期不同，導(dǎo)致延時時長這一指標無法真實反映報文的延時情況，為解決這一問題，采用一般情況相對延時近似顯示報文發(fā)送的延時情況：

式中，為抖動的時長；為報文的設(shè)計周期。

2.2.3 最差情況相對延時

要對報文的延時特性進行分析，就必須對報文的實時性進行研究，即對報文的最差情況響應(yīng)時間（Worst Case Response Time，WCRT）進行分析。WCRT 分析即研究總線系統(tǒng)調(diào)度的可行性，其內(nèi)容為測算報文可能出現(xiàn)的最長通信延時，以判斷在給定時間內(nèi)能否成功完成傳輸，從而避免出現(xiàn)丟幀等嚴重問題，保證CAN報文傳輸?shù)陌踩浴?/p>

最差情況響應(yīng)時間W主要由3個部分組成：

式中，Q為排隊等候的時長。

J主要由發(fā)送節(jié)點的軟件程序決定，Q通過迭代計算：

上述分析方法是基于理想情況，將WCRT分析拓展到具有通信錯誤的情況，最差情況響應(yīng)時間W為：

同樣地，將最差情況響應(yīng)時間與設(shè)計周期之比稱為最差情況相對延時：

3 延時改進方案設(shè)計

3.1 報文偏移量補償

報文偏移量補償（OFFSET）是一種對CAN 總線報文傳輸序列進行精確分析并通過對其偏移量進行補償來提升通信精確度的方法。該方法通過監(jiān)測總線活動形成報文傳輸序列，并對這些報文傳輸序列進行分析來了解傳輸延時的大致情況，從而獲得報文偏移的準確值。該方法的流程如下：

a.獲取CAN 總線一段時間范圍內(nèi)傳輸?shù)娜繄笪膬?nèi)容，并確認每一個報文傳輸結(jié)束的時間信息，隨后將所有接收到的信息存放起來，并按照接收的順序予以排列，從而得到報文傳輸序列。

b.對報文傳輸序列加以分析。首先，在報文記錄中定義“基準報文”，然后選定2個不存在排隊延時的報文為“基準報文實例”，其選取原則為：

各報文的最差情況相對延時須小于100%，否則會出現(xiàn)丟幀等問題，需對其進行具體分析；各報文一般情況相對延時須小于40%，如果有個別超過40%的情況，可能出現(xiàn)丟幀等問題，需具體分析；需存在2 個以上不存在排隊延時的報文以進行基準報文的選取。

設(shè)這2個基準報文實例完成接收的時間點分別為t和t，其中為完成接收的時刻，和為報文實例的序號，且<。

c.通過前文選定的基準報文實例構(gòu)建整個時間段內(nèi)各報文應(yīng)接收完成的時間點，如圖1 所示。圖中“B”為基準報文實例，ΔM為一個基準報文實例相對前一個基準報文實例的時間增量，參考線表示由2 個“基準報文實例”所構(gòu)建的各報文應(yīng)接收完成的時間點，這些時間點的信息可由式（11）、式（12）得到：

圖1 各報文應(yīng)接收完成的時間點

d.最后，采用上述方法對每個報文重新計算，得到正確到達時間，即可對優(yōu)化后的報文進行發(fā)送。

綜上，報文偏移量補償法可以在確定基準報文實例的情況下對報文進行精確的延時分析，但如果不滿足構(gòu)成基準報文實例的條件，就無法應(yīng)用此方法。因此這里需要采用報文標識符優(yōu)化的整體優(yōu)化方案先對總線進行整體優(yōu)化，從而提升報文傳輸質(zhì)量，滿足確定基準報文實例的條件。

3.2 報文標識符優(yōu)化

在CAN 總線系統(tǒng)中，進行信息交換的最基礎(chǔ)單元為報文，每一個報文都有自己獨特的標識符（ID），標識符最主要的功能為區(qū)分報文的優(yōu)先級。但是CAN總線的機制決定了系統(tǒng)會優(yōu)先保證高優(yōu)先級報文的傳輸，而優(yōu)先級低的報文不但無法及時發(fā)送，且沒有一個確定的發(fā)送時間，這樣勢必會對通信質(zhì)量造成影響。為此，本文提出一種通用的標識符編碼優(yōu)化設(shè)計方法。

使用兼容CAN2.0A 與CAN2.0B 規(guī)范的11 位標識符，并將其ID域劃分為3段，如圖2所示。

圖2 11位標識符分段結(jié)構(gòu)

高4位為標識符的信息段，是一段信息編碼，用來對設(shè)備節(jié)點提交的數(shù)據(jù)進行分類，取值范圍為0～15。其中由于CAN 規(guī)范規(guī)定7個最高位不能全部為1，所以取值為15的編碼無法使用。第4～6位為設(shè)備段，是一個系統(tǒng)或分系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備編碼，取值范圍為0～7，因此最多支持8 個設(shè)備。低4 位為系統(tǒng)段，在對整個系統(tǒng)或分系統(tǒng)進行編碼時使用，取值范圍為0～15，即最多可承載16個分系統(tǒng)。由于設(shè)備段和系統(tǒng)段并沒有明顯的區(qū)分，因此若將2個段聯(lián)用，可承載127個節(jié)點設(shè)備同時聯(lián)網(wǎng)。

3.3 “OFFSET+ID”方案優(yōu)化流程

“OFFSET+ID”方案優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 “OFFSET+ID”方案的優(yōu)化流程

4 仿真分析

運用CANoe 軟件采集實車動力控制總線（PT?CAN）、車身控制總線（BDCAN）的報文發(fā)送記錄，并使用Symtavision 軟件對采集到的發(fā)送記錄（trace）文件進行網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量分析。

4.1 總線網(wǎng)絡(luò)建模

采用Symtavision 軟件，依據(jù)設(shè)計文件搭建BDCAN與PTCAN 總線上的實車網(wǎng)絡(luò)模型，建立的部分網(wǎng)絡(luò)模型元素如圖4所示。

圖4 BDCAN與PTCAN總線網(wǎng)絡(luò)的部分模型元素

4.2 方法判定

采用報文偏移量補償方法進行優(yōu)化需要對能否選定基準報文實例進行判別，基于此對選定條件進行測試。

首先對CAN 總線上的報文發(fā)送情況進行分析，表1 所示為BDCAN 與PTCAN 總線上的延時指標分析數(shù)據(jù)。

表1 延時指標仿真情況

由表1 可知，BDCAN 各報文延時在可接受范圍內(nèi)，但PTCAN 總線上Engine4、SAS1 報文的延時不符合標準。

綜上分析，BDCAN 總線網(wǎng)絡(luò)情況符合選定基準報文實例的標準，可以直接采用報文偏移量補償?shù)姆椒?，而PTCAN 總線無法滿足要求，需要采用“OFFSET+ID”的混合優(yōu)化方案。

4.3 優(yōu)化方案設(shè)計

本次優(yōu)化具體方案如下：

ID 方面，在對PTCAN 總線使用標識符重新分配方法后，報文SAS1 仍不滿足實施偏移量補償方案的條件，經(jīng)分析后對其報文名進行優(yōu)化，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 ID優(yōu)化參數(shù)

通過實施偏移量補償方案，計算得出OFFSET方案具體優(yōu)化參數(shù)，如表3所示。

表3 OFFEST優(yōu)化參數(shù)

4.4 結(jié)果對比

根據(jù)前文所述，對BDCAN 總線采用報文偏移量補償方法，對PTCAN 采用“OFFSET+ID”優(yōu)化方案進行優(yōu)化，根據(jù)前文得到的計算模型對BDCAN與PTCAN的一般情況相對延時與最差情況相對延時進行計算，優(yōu)化前后對比如圖5、圖6所示。

圖5 優(yōu)化前、后BDCAN報文一般情況及最差情況相對延時

圖6 優(yōu)化前、后PTCAN報文一般情況及最差情況相對延時

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，優(yōu)化后PTCAN、BDCAN總線一般情況相對延時數(shù)據(jù)對比如圖7所示，最差情況相對延時數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

圖7 PTCAN和BDCAN一般情況相對延時對比

圖8 PTCAN和BDCAN最差情況相對延時對比

據(jù)圖7、圖8 可知：優(yōu)化后PTCAN 各報文的一般情況相對延時均在30%以下，同時高延時百分比的報文數(shù)量大幅度減少；BDCAN 各報文的一般情況相對延時均在20%以下，同時最差情況延時均小于60%。將相對延時低于10%的報文定義為低延時報文，通過采用這一方案，2條總線的平均一般情況低延時報文占比由優(yōu)化前的67.5%提升至82.25%，最差情況低延時報文占比由優(yōu)化前的44.65%提升至48.75%，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)通訊延時情況，增加了后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

5 結(jié)束語

本文以CAN 總線系統(tǒng)實時性為對象，研究了總線通信系統(tǒng)的延時特性，針對報文延時的各項指標，提出“OFFSET+ID”的優(yōu)化方案，并在2條CAN總線上進行仿真驗證，得出如下結(jié)論：

a.從通信延時模型中分析得到的報文突發(fā)傳輸情況、一般情況相對延時和最差情況相對延時的模型可用于評價CAN總線的實時性。

b.“OFFSET+ID”方案在負載率一定的條件下大幅減少了高度延時和中度延時報文的數(shù)量，大幅提高了CAN總線的實時性。