商用車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)探討

吳成東

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

輕卡部分出口項(xiàng)目配置要求持續(xù)提升，已經(jīng)配置自動(dòng)擋和AEB，并逐步增加L2自動(dòng)駕駛部件。目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單延續(xù)老產(chǎn)品的方案——單網(wǎng)段，所有CAN節(jié)點(diǎn)均在一個(gè)網(wǎng)段上，主要存在的問(wèn)題是通信負(fù)載率較高，達(dá)到70%以上。由于CAN通信采用仲裁機(jī)制，當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)往總線上發(fā)送報(bào)文時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)丟幀的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)車(chē)測(cè)試出現(xiàn)故障。

J1939協(xié)議將ECU之間的通信標(biāo)準(zhǔn)化，為不同的供應(yīng)商提供了一種通用的語(yǔ)言。根據(jù)常見(jiàn)的功能，定義相關(guān)信號(hào)，信號(hào)的長(zhǎng)度、精度、偏移量、數(shù)值范圍、初始值等均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。對(duì)報(bào)文類(lèi)型、周期、ID等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的定義，對(duì)信號(hào)在報(bào)文中的位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，而乘用車(chē)都是使用OEM自定義的應(yīng)用層。J1939的比特率通常為250kb/s，擁有18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，共29位標(biāo)識(shí)符。

2 商用車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概述

通信負(fù)載率的定義：1s內(nèi)總線傳輸數(shù)據(jù)所占帶寬的百分比。

通信負(fù)載率=總線上單位時(shí)間（1s）內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)總量/總線傳輸速率（單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）=ΣL×（1000/T）/（t×1000）×N。

式中：L——報(bào)文總長(zhǎng)度（bit），不考慮位填充，標(biāo)準(zhǔn)幀111bit，擴(kuò)展幀139bit；T——第i個(gè)報(bào)文周期，ms；N——周期為T(mén)的報(bào)文的數(shù)量；t——網(wǎng)段的通信速率，kb/s。

例如：報(bào)文周期10ms，J1939擴(kuò)展報(bào)文的長(zhǎng)度140bit，總線速率250kb/s。一個(gè)10ms的報(bào)文所占的負(fù)載率為：140×（1000ms/10ms）（b/s）/（250×1000）（b/s）=5.6%。

所有報(bào)文所占總線的負(fù)載率總和就是總線的通信負(fù)載率。其中，立即幀不納入計(jì)算，變周期的報(bào)文按照非觸發(fā)狀態(tài)的周期計(jì)算。

通信負(fù)載率一般沒(méi)有明確要求，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)超過(guò)60%會(huì)存在通信故障。根據(jù)通信負(fù)載率的定義和計(jì)算公式，降低通信負(fù)載率主要可以從增大報(bào)文傳輸周期、提升網(wǎng)段通信速率、減少報(bào)文數(shù)量、合理劃分網(wǎng)段等幾個(gè)方面出發(fā)，有以下具體實(shí)現(xiàn)方案。

2.2 設(shè)計(jì)思路

1）降低報(bào)文的傳輸頻率，即增大報(bào)文傳輸周期，少用10ms、20ms的短周期報(bào)文。報(bào)文傳輸?shù)念l率過(guò)快，存在總線資源上的浪費(fèi)，每個(gè)報(bào)文需要從功能的需求以及控制器、傳感器、執(zhí)行器的更新速度限制條件出發(fā)確定最小更新周期。針對(duì)使用頻率不高的報(bào)文，在不使用時(shí)按照約定的機(jī)制自動(dòng)停發(fā)，如立即幀，需要使用時(shí)發(fā)送控制器主動(dòng)發(fā)送報(bào)文主動(dòng)解除停發(fā)，可以解決周期短的報(bào)文造成總線負(fù)載率高的問(wèn)題，還可以采用變周期的報(bào)文機(jī)制，目前輕卡上已有大量報(bào)文采用該策略。J1939已經(jīng)對(duì)報(bào)文類(lèi)型、周期、ID進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，無(wú)法修改。

2）優(yōu)化報(bào)文數(shù)量，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)場(chǎng)由8個(gè)字節(jié)組成，但是加上仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)等標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)度至少111位。減少報(bào)文數(shù)量會(huì)減少大量“無(wú)用”的仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)場(chǎng)方面，在滿(mǎn)足需求功能的前提下，為了減少控制器所需的報(bào)文，需要合理評(píng)估信號(hào)所需的精度和允許的范圍，在滿(mǎn)足需求的前提下精度盡量粗，范圍盡量小，減少信號(hào)所占用的位數(shù)。但另一方面，每個(gè)報(bào)文也不能夠完全被占用完，為后期做一些預(yù)留，一般空2～3個(gè)字節(jié)。目前行業(yè)正在應(yīng)用CAN-FD（CAN with Flexible DataRate）通信，數(shù)據(jù)場(chǎng)具備64個(gè)字節(jié)，可承載的信號(hào)更多，從而減少報(bào)文數(shù)量。但是J1939協(xié)議的報(bào)文和內(nèi)部的信號(hào)都是標(biāo)準(zhǔn)化的，無(wú)法重新打包。

3）提高通信速率，提高通信速率后單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)膱?bào)文更多。乘用車(chē)的通信速率有125kb/s、250kb/s、500kb/s，目前動(dòng)力、底盤(pán)和車(chē)身均使用500kb/s的通信速率。J1939協(xié)議有250kb/s和500kb/s，通信速率升級(jí)需要以網(wǎng)段為單位整體升級(jí)，短期內(nèi)實(shí)施難度較大。

4）合理劃分網(wǎng)段。CAN通信是以廣播的形式在總線上傳播，節(jié)點(diǎn)只接收和識(shí)別與自身有通信需求的報(bào)文，所以總線上會(huì)存在大量與自身功能無(wú)關(guān)的報(bào)文。通過(guò)劃分網(wǎng)段將有功能強(qiáng)相關(guān)性的節(jié)點(diǎn)劃分在同一個(gè)網(wǎng)段，如按照功能域劃分為動(dòng)力、車(chē)身、底盤(pán)網(wǎng)段等，不同網(wǎng)段間的少量信號(hào)需求通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行報(bào)文或信號(hào)路由。另外，網(wǎng)關(guān)還可以隔離不同速率的網(wǎng)段，如動(dòng)力CAN采用高速總線通信、車(chē)身CAN采用低速通信，而不通過(guò)網(wǎng)關(guān)的單一網(wǎng)段所有節(jié)點(diǎn)通信速率必須保持一致。網(wǎng)關(guān)可以采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)也可以是一個(gè)或多個(gè)控制器的集成網(wǎng)關(guān)，如燃油車(chē)BCM集成網(wǎng)關(guān)接動(dòng)力底盤(pán)CAN和車(chē)身CAN，純電動(dòng)車(chē)VCU接動(dòng)力底盤(pán)CAN和車(chē)身CAN；混合動(dòng)力車(chē)儀表和VCU作為兩個(gè)集成網(wǎng)關(guān)，儀表接底盤(pán)CAN和車(chē)身CAN，VCU 接混動(dòng)CAN、底盤(pán)CAN 和電池CAN。當(dāng)前乘用車(chē)獨(dú)立網(wǎng)關(guān)與集成網(wǎng)關(guān)均是成熟方案?？紤]到J1939協(xié)議已經(jīng)對(duì)報(bào)文及信號(hào)做標(biāo)準(zhǔn)化定義，網(wǎng)關(guān)只能采用報(bào)文路由，否則新增ID或改變周期后接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法識(shí)別。

5）控制器帶多路CAN接口或子CAN/LIN。減少單一的主干通信，通過(guò)子網(wǎng)分擔(dān)主干的通信負(fù)載，但需要控制器硬件平臺(tái)具備相應(yīng)的接口。48V混動(dòng)系統(tǒng)采用EMS子CAN內(nèi)部通信，EMS兼做HVCU功能。BSD的主雷達(dá)與從雷達(dá)之間通過(guò)子CAN通信。傳感器、開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器一般通過(guò)LIN與主節(jié)點(diǎn)通信，采用主從通信方式由主節(jié)點(diǎn)對(duì)其調(diào)度，如雨量傳感器、方向盤(pán)開(kāi)關(guān)、天窗電機(jī)等。

當(dāng)前由于通信協(xié)議無(wú)法整體升級(jí)，控制器軟件、硬件也無(wú)法變動(dòng)，通過(guò)劃分網(wǎng)段來(lái)解決通信負(fù)載率問(wèn)題較直接和有效。

2.3 設(shè)計(jì)方案

當(dāng)前方案的評(píng)估：只有一個(gè)網(wǎng)段，詳細(xì)的CAN節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 單網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

單網(wǎng)段總線架構(gòu)在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足商用車(chē)的配置需要，系統(tǒng)成本控制較好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。各節(jié)點(diǎn)的診斷可以延續(xù)K線。單網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 單網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算

按照擴(kuò)展報(bào)文長(zhǎng)度140bit計(jì)算，考慮實(shí)車(chē)狀態(tài)和技術(shù)文件，負(fù)載率達(dá)到74%。

2.3.1 方案1：雙網(wǎng)段

劃分為兩個(gè)網(wǎng)段，動(dòng)力底盤(pán)CAN和車(chē)身信息CAN。其中動(dòng)力CAN是將實(shí)時(shí)性要求高、信息共享關(guān)聯(lián)大的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)在一起，車(chē)身CAN由車(chē)身部件和其他實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)關(guān)可以是實(shí)物節(jié)點(diǎn)也可以是虛擬節(jié)點(diǎn)集成在某控制單元中，如BCM、ICM、VCU等供應(yīng)商體系完善、自主的軟件開(kāi)發(fā)能夠掌控可以采用集成網(wǎng)關(guān)。如果沒(méi)有節(jié)點(diǎn)具備集成網(wǎng)關(guān)的平臺(tái)或供應(yīng)商沒(méi)有開(kāi)發(fā)集成網(wǎng)關(guān)的能力，可以引入獨(dú)立網(wǎng)關(guān)GW，只做信號(hào)或報(bào)文路由功能。各節(jié)點(diǎn)的軟件均不變動(dòng)，跨網(wǎng)段的信號(hào)需求均通過(guò)網(wǎng)關(guān)路由。網(wǎng)關(guān)不需要獨(dú)立的診斷CAN，PCAN和BCAN均接到OBD口，設(shè)備直接診斷，網(wǎng)關(guān)本身在BCAN上診斷。雙網(wǎng)段拓?fù)鋱D詳見(jiàn)圖2。雙網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 雙網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算

圖2 雙網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

2.3.2 方案2：多網(wǎng)段

考慮到新增L2 輔助駕駛、純電動(dòng)或混合動(dòng)力等配置，對(duì)動(dòng)力底盤(pán)CAN做進(jìn)一步劃分，形成動(dòng)力CAN、底盤(pán)CAN和車(chē)身信息CAN共3個(gè)網(wǎng)段。采用獨(dú)立網(wǎng)關(guān)GW，只做信號(hào)或報(bào)文路由功能。各節(jié)點(diǎn)的軟件均不變動(dòng)，跨網(wǎng)段的信號(hào)需求均通過(guò)網(wǎng)關(guān)路由。網(wǎng)關(guān)新增獨(dú)立的診斷CAN，PCAN和DCAN均接到OBD口，設(shè)備直接診斷PCAN，CCAN和BCAN通過(guò)DCAN網(wǎng)關(guān)路由診斷。以燃油車(chē)為例，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖3。多網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 多網(wǎng)段通信負(fù)載率計(jì)算

圖3 多網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

該方案的擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件成本相對(duì)于方案一增加不多，考慮到后期的ADAS擴(kuò)展。另外，對(duì)于商用車(chē)會(huì)有大量后裝的終端和改裝，可以考慮從網(wǎng)關(guān)單獨(dú)引出一路用于后裝，避免后裝件品質(zhì)參差不齊影響到整車(chē)的網(wǎng)絡(luò)，確保車(chē)輛安全性。還可以以網(wǎng)段為單位進(jìn)行“提速”，將動(dòng)力CAN通信速率提升到500kb/s。

2.3.3 方案3：集成網(wǎng)關(guān)+多網(wǎng)段

集成網(wǎng)關(guān)一般只具備兩個(gè)CAN接口，實(shí)現(xiàn)3路CAN的方案可以采用兩個(gè)集成網(wǎng)關(guān)，主要考慮變動(dòng)情況和集成網(wǎng)關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)能力。集成網(wǎng)關(guān)多網(wǎng)段總線拓?fù)湟?jiàn)圖4。

圖4 集成網(wǎng)關(guān)多網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

3 結(jié)論

方案1可以滿(mǎn)足當(dāng)前的燃油車(chē)開(kāi)發(fā)需求。如果同步考慮純電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)和網(wǎng)關(guān)軟件的通用化，建議采用方案2。

本文考慮到商用車(chē)ECU通信軟件不能變動(dòng)，網(wǎng)關(guān)均采用報(bào)文路由，對(duì)網(wǎng)關(guān)軟件開(kāi)發(fā)要求降低。如果控制器軟件可以重新開(kāi)發(fā)，采用信號(hào)路由將會(huì)進(jìn)一步降低通信負(fù)載率。