車載通信總線帶寬資源的控制方法

收稿日期：2024-05-29

作者簡(jiǎn)介

李廣大（1988—），男，碩士，電氣架構(gòu)工程師，研究方向?yàn)檎嚲W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、整車電氣功能定義及分配、整車信息交互等。

【摘 要】CAN總線在汽車通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛且占據(jù)著重要地位，但隨著電氣類功能，尤其智駕和智艙域功能的不斷豐富，總線上需要交互的信息量越來(lái)越大，總線帶寬資源也因此越來(lái)越緊張，負(fù)載率越來(lái)越高。過(guò)高的總線負(fù)載率將影響信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，因此，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的管控至關(guān)重要，這將影響網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)和后續(xù)功能的拓展。本文從信號(hào)層面、總線層面和拓?fù)鋵用娼榻B通信總線的負(fù)載率管控方案。

【關(guān)鍵詞】帶寬；管控；信號(hào)；CAN總線；拓?fù)?/p>

中圖分類號(hào)：U463.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0032-04

Control Methods of Vehicle Communication Network Bandwidth

LI Guangda1，SONG Ju2，SONG Minghao3

（1.Innovation and R&D Center of JUNEYAO Auto Co.，Ltd.，Shanghai 201803；2.LongShine Technology Group Co.，Ltd.，Jinan 250001；3.Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China）

【Abstract】The CAN bus is widely used plays an important role in vehicle Communication Network. But with the development and diversification of electrical functions，especially in intelligent cockpit and ADAS fields，signals transmitted on bus becomes more and more，which will result in heavier busload. The high busload will affect the real-time and stability performance of signal transmission，so it's very important to control the network bandwidth resources in the beginning of the project，which will have great influence on the design of platform and new functions.This paper introduces the load ratio control scheme of communication bus from signal level，bus level and topology level.

【Key words】bandwidth；control；signal；CAN bus；topology

目前在大多數(shù)車型的通信網(wǎng)絡(luò)中，CAN總線仍然扮演著重要的角色，常用的高速CAN數(shù)據(jù)場(chǎng)通信速率為500kb/s，不同周期下每幀報(bào)文能產(chǎn)生的負(fù)載率如表1所示。根據(jù)業(yè)內(nèi)實(shí)踐，為了保證信號(hào)的傳輸性能，一般CAN總線負(fù)載率應(yīng)控制在50%以下[1]。

在傳統(tǒng)燃油車上，整車信號(hào)數(shù)量一般不超過(guò)2000條，普通的CAN主干通信網(wǎng)絡(luò)尚且可以勉強(qiáng)使用。然而隨著智能駕駛、智能座艙等功能的不斷豐富和升級(jí)，整車信息交互量急劇增長(zhǎng)，整車信號(hào)數(shù)量很容易便會(huì)突破3500條。在此情況下，車載總線負(fù)載率急劇上升，甚至可達(dá)70%以上。越高的總線負(fù)載率意味著需要同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)堵塞，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生通信延遲的概率越大，甚至?xí)G失報(bào)文，從而導(dǎo)致整車性能下降甚至功能異常而引發(fā)事故。因此，對(duì)整車通信帶寬資源進(jìn)行管控是十分必要的，本文將從信號(hào)層面、總線層面和拓?fù)鋵用娼榻B通信總線的負(fù)載率管控方案。

1 信號(hào)層面

1.1 管控信號(hào)幀數(shù)量

合理管控信號(hào)幀的數(shù)量，尤其短周期的幀數(shù)，對(duì)降低總線負(fù)載有顯著效果。

1）平臺(tái)化預(yù)留的幀，在項(xiàng)目上如果不需使用，則可以刪除或屏蔽。如DCT變速器專用的信號(hào)、電子手剎EPB專用的信號(hào)等，見表2。但這要求在設(shè)計(jì)前期就要將特定用途的信號(hào)統(tǒng)一進(jìn)行分配和打包。注：下文所有關(guān)于負(fù)載率的計(jì)算都是基于CAN總線。

2）不同幀中的信號(hào)，合并到同一幀中。若同一控制器發(fā)送某些幀中包含的信號(hào)數(shù)量過(guò)少，導(dǎo)致幀中有大量空余的位，則可以考慮將這些幀合并，若這些幀的周期不同，則可以都合并到短周期幀中，如表3所示。

中央網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)網(wǎng)段的多個(gè)幀，也可以采用同樣的方法進(jìn)行合并，如表4所示。若幀中帶有RC、CRC、Checksum等校驗(yàn)信號(hào)，由于對(duì)信號(hào)的完整性要求較高，則不適合采用合并再轉(zhuǎn)發(fā)的策略。

1.2 合理選擇報(bào)文的發(fā)送方式

1.2.1 采用事件型報(bào)文

沒(méi)有事件發(fā)生時(shí)總線上不出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)文，只有當(dāng)事件發(fā)生時(shí)才發(fā)送。圖1為娛樂(lè)大屏由通過(guò)周期型報(bào)文發(fā)送指令改為通過(guò)事件型報(bào)文發(fā)送示意圖。如遠(yuǎn)程控制指令，只有在手機(jī)端操作APP時(shí)，遠(yuǎn)程通信模塊T-Box才會(huì)將相應(yīng)的操作指令信號(hào)下發(fā)到車內(nèi)總線上?；驃蕵?lè)大屏上的某些開關(guān)、設(shè)置項(xiàng)，只有點(diǎn)擊的時(shí)候才下發(fā)指令信號(hào)，以此避免無(wú)效占用總線帶寬資源的情況。周期型報(bào)文改為事件型報(bào)文效果如表5所示。

1.2.2 采用周期事件幀

針對(duì)某些請(qǐng)求、指令或狀態(tài)類信號(hào)，可以采用周期事件幀，如門開關(guān)狀態(tài)、座椅占位狀態(tài)信號(hào)等，當(dāng)狀態(tài)跳變時(shí)，信號(hào)幀連續(xù)快發(fā)若干幀（如3幀）以便其它控制器能夠快速獲取狀態(tài)并執(zhí)行邏輯，然后恢復(fù)長(zhǎng)周期發(fā)送以節(jié)約總線帶寬資源。座椅控制器由通過(guò)周期型報(bào)文發(fā)送狀態(tài)改為通過(guò)周期事件型報(bào)文發(fā)送，如圖2所示，負(fù)載優(yōu)化效果如表6所示。

1.2.3 功能激活時(shí)發(fā)送

對(duì)于某些特定情況下才出現(xiàn)的場(chǎng)景，如倒車?yán)走_(dá)、360全景影像等，則可以使相應(yīng)的控制器處于工作場(chǎng)景時(shí)再外發(fā)相應(yīng)的信號(hào)，如倒車?yán)走_(dá)的控制器可以使用倒車燈的供電，這樣當(dāng)進(jìn)入倒車場(chǎng)景時(shí)倒車?yán)走_(dá)的控制器才開始工作并外發(fā)信號(hào)，而在正常行駛時(shí)是不會(huì)外發(fā)的，從而達(dá)到釋放總線帶寬資源的目的。倒車?yán)走_(dá)控制器由上電即發(fā)送報(bào)文改為進(jìn)入倒車場(chǎng)景時(shí)才發(fā)送，如圖3所示，負(fù)載優(yōu)化效果如表7所示。需要注意的是，信號(hào)打包時(shí)要盡量將需要采用同樣發(fā)送方式的信號(hào)一起打包。

1.3 信號(hào)幀周期管控

在整車網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接口設(shè)計(jì)之初，就需要對(duì)信號(hào)幀周期進(jìn)行管控，在滿足性能要求的原則下，盡量使用長(zhǎng)周期的幀。在實(shí)施項(xiàng)目時(shí)，可參考如下周期設(shè)計(jì)原則。

通過(guò)娛樂(lè)大屏進(jìn)行開關(guān)或設(shè)置的功能所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如燈光、車窗、雨刮、后視鏡、座椅控制等，采用100ms及以上的周期發(fā)送；需要車機(jī)顯示狀態(tài)的車身類功能所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如門開關(guān)狀態(tài)、燈光開關(guān)狀態(tài)、車窗狀態(tài)等，采用100ms及以上的周期發(fā)送；動(dòng)力域、底盤域和智駕域等，根據(jù)對(duì)性能的影響程度，可采用10ms、20ms、50ms、100ms等周期發(fā)送。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初就要嚴(yán)格控制短周期幀的使用數(shù)量，以便為后續(xù)車型的升級(jí)和功能的拓展預(yù)留足夠的總線帶寬資源，比如將目標(biāo)設(shè)定為每個(gè)控制器在每個(gè)網(wǎng)段上發(fā)送不超過(guò)4幀10ms的報(bào)文。在最新的項(xiàng)目中，整車通過(guò)管控共有17幀10ms的報(bào)文，極大地保護(hù)了總線帶寬資源。

2 總線層面

2.1 擴(kuò)展總線數(shù)量

隨著整車智能化程度不斷提高，車身電子、信息娛樂(lè)相關(guān)的功能不斷豐富，車身域和信息娛樂(lè)域的信號(hào)增長(zhǎng)非常迅速，由此導(dǎo)致車身和信息娛樂(lè)網(wǎng)段的負(fù)載率居高不下，這往往也是在實(shí)際項(xiàng)目中面臨的巨大挑戰(zhàn)。面對(duì)這種情況，一種比較好的解決方案是將車身娛樂(lè)網(wǎng)段分開，分為車身網(wǎng)段和信息娛樂(lè)網(wǎng)段，劃分原則為信息娛樂(lè)相關(guān)的控制器，如前座艙域控、后信息娛樂(lè)模塊、方向盤開關(guān)模塊等放在信息娛樂(lè)網(wǎng)段，車身控制相關(guān)的控制器如車身控制器、座椅控制器及尾門控制器等放在車身網(wǎng)段。同樣，動(dòng)力網(wǎng)段由于控制器數(shù)量較多且短周期幀較多，也可以將動(dòng)力網(wǎng)段分為2個(gè)，從而進(jìn)行信號(hào)分流，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的。信息娛樂(lè)域和動(dòng)力域總線擴(kuò)展示意如圖4所示。

2.2 更改總線類型

當(dāng)單一類型的總線因其本身固有的屬性無(wú)法提供更高的通信帶寬時(shí)，可考慮同時(shí)使用多種類型的總線提供更多的帶寬資源，如CAN、CANFD、以太網(wǎng)等。在使用過(guò)程中，不同的功能域根據(jù)其信號(hào)交互特點(diǎn)可分別采用不同的總線類型，動(dòng)力、底盤、智駕、智聯(lián)（藍(lán)牙模塊、遠(yuǎn)程通信模塊）域因其信號(hào)交互量大，且實(shí)時(shí)性要求較高，可采用CANFD作為主干網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供更高的帶寬[2]。

智能座艙與智駕之間的HMI交互信息，如目標(biāo)物、車道線等，如果通過(guò)CAN/CANFD傳輸，則會(huì)大量占用總線資源，因此在設(shè)計(jì)之初便可以要求智能座艙和智駕域控完成以太網(wǎng)相關(guān)的開發(fā)，一方面用于刷新，一方面使用以太網(wǎng)來(lái)分流CAN/CANFD總線上的信號(hào)。同理，高階智駕的高精定位控制器與遠(yuǎn)程通信模塊T-Box之間的位置交互信息也可以使用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。相應(yīng)的總線類型示意如圖5所示，負(fù)載優(yōu)化效果如表8所示。

從表8可以看出，將大量同質(zhì)化、短周期的信息轉(zhuǎn)為通過(guò)帶寬更高的以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，可以達(dá)到很好的負(fù)載管控效果。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用?/p>

3.1 私有網(wǎng)絡(luò)

某些網(wǎng)段上的控制器過(guò)多時(shí)，可通過(guò)建立私有網(wǎng)絡(luò)，減少其對(duì)公共網(wǎng)絡(luò)的影響。如擁有多個(gè)小控制器（門模塊、組合開關(guān)模塊、氛圍燈模塊等）的車身網(wǎng)段，小控制器主要同本網(wǎng)段內(nèi)的車身控制器BCM進(jìn)行交互，對(duì)外交互信息比較少，因此可以通過(guò)主控制器如BCM進(jìn)行對(duì)外交互。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化效果如表9所示。同樣，對(duì)于智駕域，其雷達(dá)、攝像頭等數(shù)量較多，且它們之間的信息交互主要集中在內(nèi)部，因此智駕域也可以組建私有網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)私有網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)部交互的信息，剩余少量的對(duì)外交互信息可以通過(guò)公有網(wǎng)絡(luò)（ADAS CANFD）進(jìn)行交互。

3.2 跨接網(wǎng)段

對(duì)于需要和多個(gè)域進(jìn)行交互的控制器，如電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）和底盤域以及動(dòng)力域的信息交互量比較大，且為了保證駕駛性能，使用的信號(hào)不僅數(shù)量多，幀周期也要求比較短?；诖耍瑒t可以將電子穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)為同時(shí)跨接底盤網(wǎng)段和動(dòng)力網(wǎng)段，并且它們之間直接交互的信息可在其共有網(wǎng)段——?jiǎng)恿W(wǎng)段上進(jìn)行傳輸，無(wú)需直接交互的信息可以通過(guò)底盤網(wǎng)段通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸，以此實(shí)現(xiàn)信號(hào)的合理分配，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)總線負(fù)載率的管控。同理，智駕域同底盤域的交互信息量也比較大，也可以采用相同的方式進(jìn)行跨接和分配信號(hào)[3]。如圖7、表10所示。

需要注意的是，使用跨接網(wǎng)段進(jìn)行信號(hào)分流時(shí)，要根據(jù)信號(hào)的收發(fā)關(guān)系、控制器所在網(wǎng)段的負(fù)載和潛在的需求進(jìn)行分配。如果控制器所在的某個(gè)網(wǎng)段不需要某些幀的信息，則這些信息就可以在另一個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行傳遞。

4 總結(jié)

本文從信號(hào)層面、總線層面和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用娼Y(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐系統(tǒng)化地介紹了幾種車載總線帶寬資源的管控方法。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，一般要根據(jù)整車的功能規(guī)劃、控制器的選型、成本等因素綜合使用上述多種方式對(duì)總線的帶寬資源進(jìn)行管控，從而達(dá)到較好的效果。在以往的多個(gè)項(xiàng)目中，以上方法也都進(jìn)行過(guò)研究、實(shí)踐和量產(chǎn)，在滿足平臺(tái)化的同時(shí)有效管控總線帶寬資源，使整車網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能夠穩(wěn)定傳輸。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐并考慮到可實(shí)時(shí)性，不同的域適用的方法推薦見表11。針對(duì)變化較頻繁的車身域和智艙域，可選擇采用多種方法進(jìn)行管控。而對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)力域和底盤域，在平臺(tái)化控制好后，在具體項(xiàng)目中則無(wú)需再頻繁進(jìn)行優(yōu)化。

在實(shí)際項(xiàng)目中，通過(guò)在項(xiàng)目之初進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用上述方法進(jìn)行管控，將信號(hào)進(jìn)行預(yù)打包評(píng)估，優(yōu)化后再正式打包，各個(gè)網(wǎng)段可以得到比較理想的總線負(fù)載率，詳見表12。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 凌 波）