CAN總線時(shí)間同步協(xié)議測(cè)試的研究與分析

李志濤，耿偉峰

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線，已經(jīng)在汽車上應(yīng)用多年[1]。CAN總線因其實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今最成功的車載總線之一，被廣泛應(yīng)用在車載通信中。隨著汽車電子技術(shù)與車輛智能化的發(fā)展，對(duì)汽車上電器控制單元（ECU）的通信實(shí)時(shí)性要求日趨嚴(yán)格，特別是在某些高速或安全駕駛場(chǎng)景下，微小時(shí)間的偏差可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。各個(gè)控制單元間要有一個(gè)一致的時(shí)鐘來(lái)提供相對(duì)準(zhǔn)確、精度足夠的絕對(duì)時(shí)間值，并且將此時(shí)間同步到各個(gè)ECU，實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠的時(shí)鐘同步，來(lái)滿足車輛功能實(shí)時(shí)性需求。因此，一種基于CAN總線的時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 CAN總線時(shí)間同步概述

時(shí)間同步是分布式系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，其目的是維護(hù)一個(gè)全局一致的物理或邏輯時(shí)鐘，以使系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)基于一個(gè)全局一致的時(shí)間進(jìn)行信息交互。時(shí)間同步技術(shù)在以太網(wǎng)、CAN、Flexray總線上都有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，用于各節(jié)點(diǎn)精確獲取采樣時(shí)間。CAN系統(tǒng)時(shí)間同步可分為兩類，物理層時(shí)鐘同步和應(yīng)用層時(shí)鐘同步。物理層時(shí)鐘同步包含硬同步和重同步兩種同步方式，節(jié)點(diǎn)根據(jù)總線上檢測(cè)到的信號(hào)沿與自身位定時(shí)相比較，通過(guò)硬同步或重同步適當(dāng)調(diào)整位定時(shí)，保證數(shù)據(jù)幀的正確收發(fā)；應(yīng)用層時(shí)鐘同步通過(guò)軟件、硬件或者軟硬件相結(jié)合調(diào)整各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，使得各節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)全局一致的邏輯時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作以及節(jié)點(diǎn)間消息的實(shí)時(shí)調(diào)度。只有物理層硬同步和重同步準(zhǔn)確無(wú)誤，應(yīng)用層時(shí)鐘同步才能被正確執(zhí)行。

AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定了CAN總線時(shí)鐘同步機(jī)制與相關(guān)需求。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，ECU分為時(shí)間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（TG）、主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TM）與從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TS），映射到網(wǎng)絡(luò)中的真實(shí)ECU時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)ECU可以是主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，甚至是全局主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的其它ECU需為從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)ECU在總線網(wǎng)絡(luò)中或子網(wǎng)中，組建成時(shí)間域和相應(yīng)的時(shí)間子域，見圖1。

圖1 時(shí)間域示例

主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)是一個(gè)實(shí)體，它是某一時(shí)間基的參考源，并將該時(shí)間基傳播到網(wǎng)絡(luò)中的從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，作為從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基源。如果主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)也是全局時(shí)間基的所有者，網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基都從該節(jié)點(diǎn)派生，那么該主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)為全局時(shí)間主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。通常車載網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為全局時(shí)基的所有者，由一個(gè)時(shí)間主端口組成，該端口連接到一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘從端口，從而構(gòu)建成一個(gè)或多個(gè)時(shí)間子域。

CAN總線時(shí)間同步，采用主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送特定的同步報(bào)文，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)作為同步報(bào)文接收節(jié)點(diǎn)，對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得更加精準(zhǔn)的時(shí)間信息，從而實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的同步，以解決因各ECU節(jié)點(diǎn)的硬件時(shí)鐘信號(hào)偏差、CAN總線傳輸延時(shí)（如協(xié)議仲裁）以及各ECU節(jié)點(diǎn)內(nèi)的軟件處理等原因?qū)е碌臅r(shí)間延遲。

2 CAN時(shí)間同步機(jī)制

基于CAN總線的時(shí)間同步機(jī)制，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TM）以廣播的形式將時(shí)間信息傳輸?shù)礁鲝臅r(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TS），還可通過(guò)時(shí)間網(wǎng)關(guān)（TW）將時(shí)間同步到其它子網(wǎng)，同步通信機(jī)制主要分為兩步。第1步，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TM）發(fā)送SYNC報(bào)文；第2步，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TM）發(fā)送FUP報(bào)文。CAN時(shí)間同步機(jī)制，見圖2。

圖2 CAN時(shí)間同步機(jī)制

TM節(jié)點(diǎn)在t0r時(shí)刻開始發(fā)送SYNC報(bào)文，t1r時(shí)刻發(fā)出SYNC報(bào)文，SYNC報(bào)文中攜帶的時(shí)間為SYNC開始發(fā)送的時(shí)刻t0r，并且為秒時(shí)間s（t0r）；TS節(jié)點(diǎn)接收SYNC報(bào)文，并通過(guò)接收確認(rèn)機(jī)制獲取完成SYNC報(bào)文接收的時(shí)間戳（t2r）；TM節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完SYNC報(bào)文后，再次發(fā)送FUP報(bào)文，該報(bào)文中攜帶時(shí)間信息t4r，t4r為上一個(gè)SYNC報(bào)文開始發(fā)送與實(shí)際確認(rèn)發(fā)送完成之間的時(shí)間。TS節(jié)點(diǎn)在接收到FUP報(bào)文后，根據(jù)接收SYNC報(bào)文后獲取的t2r時(shí)間信息，計(jì)算t3r時(shí)刻的本地的時(shí)間同步值，即本地的相對(duì)時(shí)間為t3r-t2r+s（t0r）+t4r=t3rt2r+t1r。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)分配同步時(shí)基，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)接收同步時(shí)基，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。

在AUTOSAR軟件協(xié)議棧中[3]，實(shí)現(xiàn)CAN時(shí)間同步，需配置的模塊主要涉及3個(gè)，分別為StbM、CanIf、CanTSyn。其中StbM用于同步各軟件模塊，獲取和設(shè)置當(dāng)前時(shí)間值，提供絕對(duì)時(shí)間值，涉及到Timebase、時(shí)鐘源等配置信息；對(duì)于CanTSyn模塊而言，需配置Time Domain與參考時(shí)鐘源；在CanIf模塊中，用于接收和發(fā)送報(bào)文，需要將報(bào)文設(shè)置為時(shí)間同步報(bào)文等。

2.1 主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步步驟

1）SYNC報(bào)文發(fā)送。通過(guò)StbM_GetCurrentTime（）獲取同步基準(zhǔn)時(shí)間t0，并將t0秒時(shí)間部分寫入SYNC報(bào)文中的SyncTimeSec；通過(guò)StbM_GetCurrentTimeRaw（）獲取傳輸延遲時(shí)間測(cè)量的原始時(shí)間t0r。

2）SYNC報(bào)文TX確認(rèn)。計(jì)算FUP報(bào)文中的t4為t4r=[t1r-s（t0r）]，其中t0r ns為t0的納秒部分。

3）FUP報(bào)文的發(fā)送。將t4（t4＞=1s）的時(shí)間的秒部分寫入OVS；將t4的納秒部分寫入SyncTimeNSec。

經(jīng)過(guò)以上這些步驟，計(jì)算出TM節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)基為（s（t0r）+t4r）。

2.2 從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步步驟

1）通過(guò)SYNC報(bào)文接收確認(rèn)機(jī)制，SYNC報(bào)文傳遞同步時(shí)基的t0部分，并通過(guò)StbM_GetCurrentTimeRaw（）獲取本地時(shí)間戳，定義為t2r。

2）通過(guò)FUP報(bào)文接收，F(xiàn)UP報(bào)文傳遞同步時(shí)基的t4部分（t4=OVS+SyncTimeNSec），并通過(guò)StbM_GetCurrentTimeDiff（）獲取函數(shù)調(diào)用期間內(nèi)部時(shí)間戳t3r和之前接收到t2r的時(shí)間戳之間的時(shí)間差，即t3diff=（t3r-t2r）。

經(jīng)過(guò)以上步驟，TS節(jié)點(diǎn)計(jì)算全局時(shí)基來(lái)更新本地時(shí)基為：GlobalTimeBase=（t3r-t2r）+s（t0r）+t4r=t3r-t2r+t1r

通過(guò)以上TM與TS節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步步驟，各個(gè)TS節(jié)點(diǎn)基于一個(gè)一致的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（TM節(jié)點(diǎn)），來(lái)提供絕對(duì)時(shí)間值，并且將此時(shí)間同步到時(shí)間域內(nèi)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3 時(shí)間同步幀解析

CAN時(shí)間同步所應(yīng)用的同步幀，包含SYNC報(bào)文幀和FUP報(bào)文幀。SYNC報(bào)文和FUP報(bào)文共用一個(gè)CAN ID，分時(shí)發(fā)送，先發(fā)送SYNC報(bào)文，再發(fā)送FUP報(bào)文。同步報(bào)文幀中的CRC校驗(yàn)是可配置的，可配置使用TM節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Time Base值，無(wú)需應(yīng)用CRC校驗(yàn)，同步報(bào)文幀格式見圖3。

圖3 SYNC/FUP報(bào)文幀

3.1 SYNC報(bào)文幀

SYNC報(bào)文幀的Byte0表示是否應(yīng)用CRC校驗(yàn)，其中Byte0=0x10表示未應(yīng)用，Byte0=0x20表示應(yīng)用；若Byte0=0x20，Byte1用于存儲(chǔ)CRC的值，Byte0=0x10時(shí)，Byte1的默認(rèn)值為0；Byte2的高四位表示時(shí)間同步域，低四位為Sequence Counter，該序列計(jì)數(shù)器用于檢測(cè)錯(cuò)誤的協(xié)議序列和數(shù)據(jù)；Byte3為用戶自定義數(shù)據(jù)，默認(rèn)值為0；Byte4-Byte7為同步時(shí)間，長(zhǎng)度為32bits，單位為秒。

3.2 FUP報(bào)文幀

FUP報(bào)文幀的Byte0表示是否應(yīng)用CRC校驗(yàn)，其中Byte0=0x18表示未應(yīng)用，Byte0=0x28表示應(yīng)用；若Byte0=0x28，Byte1用于存儲(chǔ)CRC的值，Byte0=0x18時(shí)，Byte1的默認(rèn)值為0；同樣Byte2的高四位表示時(shí)間同步域，低四位為Sequence Counter，該序列計(jì)數(shù)器用于檢測(cè)錯(cuò)誤的協(xié)議序列和數(shù)據(jù)；Byte3的高5位為保留位，默認(rèn)值為0，Byte3字節(jié)的bit2位為SGW位，用于表示時(shí)間同步狀態(tài)，其中數(shù)值0表示為Sync－ToGTM，數(shù)值1表示為SyncToSubDomain，Byte3字節(jié)的bit1與bit0位為OVS（Overflow of seconds）位，表示時(shí)間同步溢出時(shí)間；Byte4-Byte7字節(jié)中的高2位為數(shù)值0，低30位表示同步時(shí)間，單位為納秒。

4 時(shí)間同步協(xié)議測(cè)試

在汽車電子電氣領(lǐng)域，典型的V模型在OEM電子電器產(chǎn)品開發(fā)中廣泛應(yīng)用，該模型從左到右，描述了電子電器產(chǎn)品基本的開發(fā)過(guò)程和測(cè)試行為[4]。參照V模型，總線時(shí)間同步協(xié)議測(cè)試可分為ECU級(jí)測(cè)試、集成級(jí)測(cè)試。ECU級(jí)測(cè)試，用于ECU協(xié)議一致性測(cè)試，集成級(jí)測(cè)試包含系統(tǒng)臺(tái)架與實(shí)車環(huán)境下的測(cè)試，用于總線系統(tǒng)時(shí)間同步協(xié)議正確性及應(yīng)用穩(wěn)定性的驗(yàn)證。

4.1 測(cè)試內(nèi)容

基于Vector測(cè)試工具鏈，通過(guò)CANoe軟、硬件開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)，集成相應(yīng)的硬件工具，完成測(cè)試環(huán)境的搭建。依據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的總線拓?fù)浼皶r(shí)間同步域，測(cè)試工具連接至相應(yīng)的時(shí)間域鏈路中，分別監(jiān)測(cè)TG節(jié)點(diǎn)與TM節(jié)點(diǎn)，TM節(jié)點(diǎn)與各TS節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)時(shí)間域與子時(shí)間域數(shù)據(jù)的采集、測(cè)試等。測(cè)試環(huán)境連接示意圖，見圖4。

總線集成測(cè)試，對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)基本需求實(shí)現(xiàn)的正確性、準(zhǔn)確性、合理性進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合不同的車輛運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合用戶典型應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行誤用和濫用方面的測(cè)試，同時(shí)考慮主機(jī)廠自定義及一些特殊需求，開展相應(yīng)測(cè)試。主要涉及的測(cè)試內(nèi)容為時(shí)間同步序列的測(cè)試、同步報(bào)文格式的測(cè)試、時(shí)間同步算法測(cè)試、魯棒性測(cè)試、故障注入、車輛電源模式切換、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、用戶功能應(yīng)用觸發(fā)場(chǎng)景下的測(cè)試等。

時(shí)間同步協(xié)議測(cè)試，不僅需開展ECU級(jí)協(xié)議一致性的測(cè)試、系統(tǒng)層級(jí)協(xié)議需求實(shí)現(xiàn)的正確性測(cè)試，更需基于整個(gè)時(shí)間域網(wǎng)絡(luò)、功能應(yīng)用、車輛場(chǎng)景等維度，評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)的符合性、驗(yàn)證時(shí)間域系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 測(cè)試示例

本示例為同步報(bào)文發(fā)送序列及數(shù)據(jù)正確性的測(cè)試，驗(yàn)證CAN總線時(shí)間同步系統(tǒng)中TM節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的SYNC/FUP報(bào)文的序列、周期、間隔、數(shù)據(jù)字段等是否滿足設(shè)計(jì)需求。測(cè)試前，參照?qǐng)D4搭建測(cè)試環(huán)境，連接測(cè)試設(shè)備。

圖4 測(cè)試環(huán)境連接示意圖

運(yùn)行CANoe工具，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)上電，CAN總線系統(tǒng)被激活。系統(tǒng)中的TM節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送同步報(bào)文，分別為SYNC報(bào)文與FUP報(bào)文，見圖5。

圖5 總線同步報(bào)文

查看并分析所采集的數(shù)據(jù)，SYNC報(bào)文和FUP報(bào)文共用一個(gè)CAN ID，分時(shí)發(fā)送，先發(fā)送SYNC報(bào)文，間隔50ms再發(fā)送FUP報(bào)文，然后再進(jìn)行下一次同步過(guò)程。SYNC報(bào)文中的Payload Type=0x10、Payload SGW=0、Payload SC=6、Payload CRC=0；FUP報(bào)文中的Payload Type=0x18、Payload SGW=0、Payload SC=6、Payload CRC=0。經(jīng)分析同步報(bào)文發(fā)送序列、周期、時(shí)間間隔、Payload字段數(shù)值符合設(shè)計(jì)需求。同樣按以上測(cè)試步驟及要求，進(jìn)行各子時(shí)間域同步報(bào)文發(fā)送序列、周期、數(shù)據(jù)字段格式正確性的驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車智能化發(fā)展、汽車功能的增加，汽車上的電子控制單元也越來(lái)越多[5]，ECU數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)車載通信的速率、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面提出了更高的要求，尤其是對(duì)于自動(dòng)駕駛的感知和決策輸入而言，通常需要攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等傳感器具備精確的數(shù)據(jù)采集能力，防止車輛決策規(guī)劃出錯(cuò)誤的動(dòng)作。因此，總線時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用的必要性至關(guān)重要，本文對(duì)CAN總線時(shí)間同步機(jī)制與測(cè)試進(jìn)行了研究分析，為進(jìn)一步深入開展相關(guān)測(cè)試工作奠定了基礎(chǔ)。