CAN報文實時性提高分析及改進

周三國，吳平友

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

CAN報文實時性提高分析及改進

周三國，吳平友

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

隨著汽車電子功能的增加，功能需求對報文實時性需求高與報文傳輸延時大的矛盾越來越突出。為了研究傳輸延時影響因素，本文建立了最大傳輸延時模型，并基于位填充（含報文間隙）、網絡任務及其他調度周期等方面進行分析和測試。結果發現：網絡負載越高，報文傳輸延時越大；新增報文優先級越高，對原整車網絡報文傳輸延時越大。故在網絡設計時，需降低網絡負載，新增零件采用低優先級報文；在滿足零件功能需求時，適當增大報文周期超出閾值。

位填充；傳輸延時；報文周期；網絡負載；調度周期

隨著汽車工業與電子工業的不斷發展，電子技術在現代汽車上的應用越來越廣泛，汽車電子化的程度也越來越高；為了簡化汽車的線束、減輕線束的質量，適應大量數據實時交換需要，提高系統工作的可靠性和穩定性，CAN總線被廣泛應用到汽車上［1-3］。

日益增長的電子功能，使得掛在網絡上的零件越來越多，網絡負載大幅增加。由于零件開發工程師代碼編寫習慣、調度網絡任務周期以及零件其他非CAN網絡任務數量不同，這些均對CAN總線報文實時性有一定影響。而整車功能越來越復雜，功能對網絡數據實時性要求卻越來越高。網絡數據傳輸延時大與功能對網絡數據傳輸實時性需求高之間的矛盾越來越突出。

相關文獻對CAN網絡進行了實時性研究，例如：英國約克大學對固定優先級調度系統進行了數學分析；在第1屆國際CAN會議上，有學者分析了具有固定優先級的CAN仲裁及其應用性，Tindell等分析了最壞情況下CAN報文的延遲時間計算問題等［4］。但這些均是理論性分析，在已知批量生產的車輛上并未推廣應用。為了在滿足功能需求的前提下，盡可能提高網絡報文實時性，本文擬針對各種可能影響CAN網絡的報文因素進行分析，期望能找到一種工程上有效提升CAN報文實時性的解決方案。

1 數學模型

影響報文傳輸延時因素眾多，但總體來看主要由以下幾部分組成，如圖1所示。

圖1 CAN總線報文傳輸延時模型

MCU1對傳感器等數據進行采樣處理所需時間t1；MCU1的CAN控制器接收CAN報文所需時間t21；MCU1的CAN控制器成功發送報文所需時間t22；MCU1成功發送的報文傳至MCU2的CAN控制器所需時間t3；MCU2的CAN控制器接收報文所需時間t41；MCU2的CAN控制器將報文轉換成被控對象命令所需時間t42。即網絡傳輸延時T可用以下公式表示

模型中，t1、t42一般由芯片自身運算能力決定，其數值對整體延時貢獻較小，在實際分析中可忽略其影響。t21、t41與MCU任務數量、各任務調度周期、處理機制（例如：中斷、輪詢等）有關，為了方便研究，可將t21和t41視為等同。t22與CAN協議相關，涉及仲裁、位填充、錯誤幀等，該項也是本次重點研究對象。t3主要是線束上傳輸所需要的時間，因轎車內零件之間傳輸距離短，t3僅為幾十ns，故可忽略不計。而在實際研究中，因方便測試驗證及數據分析，在t21和t41中，只選取研究t21對傳輸延時影響。

如前文所述，t22主要涉及仲裁、位填充、錯誤幀等。仲裁是指不同CAN報文同時發送時，優先級高的報文獲得總線傳輸占有權，低優先級報文等待優先級報文傳輸后，立即再次請求發送；位填充是指總線發送器只要檢測到所發送的位流里有5個連續相同極性位便自動在所發送的位流中插入一個填充位；錯誤幀是指當總線上發送錯誤時，CAN控制器連續發送6個相同極性位。

如果總線上報文數量大，低優先級報文極有可能被高優先級報文奪去總線傳輸占有權，導致低優先級報文發送延時。

1.1 位填充對傳輸延時理論分析

實際上，在單位時間內，總線能傳輸的報文／位流是有限的，如果總線上因出現錯誤幀，則能傳輸的報文數量將減少。例如，在一段高速公路上，每一輛汽車可看做1個報文，這一段高速公路內，能布下的車輛數量有限。考慮到每一個報文最多能傳8個字節數據，且因位填充原因，除了其他位場（CRC界定符、ACK場和幀結束）為固定格式外，其他各場均需考慮位填充。同時，每個報文之間的間隙為3個位，故此，報文傳輸時間因為新增加的填充位而變長［4-5］。

為了方便表現網絡傳輸延時特征，報文周期超出閾值幅值Z、報文周期超出閾值概率P，可作為傳輸評價指標。

假設CAN總線傳輸速率為X kb／s，每個報文均包含8個字節，每個報文周期均為Y ms，報文周期超出閾值幅值Z，需傳輸N個報文，也就是，當第（N+1）個報文傳輸時，該報文周期超出閾值幅值將超過Z值。此時，報文數量N、報文周期超出閾值幅值Z、報文周期之間的關系如下

假設X為500時，所有報文周期均相同，報文周期超出閾值幅值為10%，根據公式（2），可計算出第（N+1）個幀。表1為報文不同周期時，不超過報文周期超出閾值幅值的報文數量。

表1 不超過報文周期超出閾值幅值的報文數量

由于實際通信報文并不是每個幀都會有最多的填充位，故表1中的N值將略大于實際測試驗證中所得值。

1.2 其他因素對傳輸延時影響理論分析

報文ID、網絡負載、任務數量、協議棧任務調度周期等，對傳輸延時均有一定影響。

當報文ID越小，該報文最有能力獲得網絡通信占有權。當多個報文同時搶占網絡數據傳輸占有權時，ID小的報文將占據發送數據機會，其他報文將停止發送，只有當前面ID小的報文發送完畢，其他報文再次嘗試發送。這樣就導致某些ID大的報文因搶占不到發送主動權，導致其報文傳輸延時增大。

一個報文最多有133個位，每傳一個位均需要時間。如果網絡上空閑，則位流能順利傳輸；如果總線上已被其他位占據，則無論即將傳輸的報文ID優先級如何，必須等到總線空閑后，才能嘗試發送。故此，如果總線負載高，即網絡上已有報文在傳輸，欲傳輸的報文因總線繁忙而無法發送報文，導致報文傳輸有可能失效或延時。一般來看，網絡負載越高，各報文周期超出閾值幅值、報文周期超出閾值概率均會增大。

每個電子控制單元可能有不少任務，例如，需要控制刮水、控制前照燈、控制門窗、實現網絡通信等，這些均可看作不同的任務。如果非網絡任務越少，控制單元就有更多的時間處理網絡通信；反之，如果其他任務多，MCU在有限的時間片內處理大量任務，則有可能丟失處理網絡任務。理論上來講，非網絡任務越少，各報文周期超出閾值幅值比例、報文周期超出閾值概率下降。

網絡任務調度周期越小，網絡調度也就越及時，網絡報文就可能在最短時間內傳遞出去，對應的網絡報文周期超出閾值幅值、報文周期超出閾值概率下降。

2 測試分析

本研究中每組數據均在實車上進行至少4次試驗，每次試驗約1 h。整車網絡上有發動機控制單元、變速器控制單元、ABS控制單元、網關控制單元、安全氣囊控制單元等。由于各控制單元均為實際零件，可以選擇具有代表性零件更改網絡任務調度周期及非網絡任務調度周期。測試驗證時，使用CANoe通過OBD頭連接到整車網絡上。

為了研究各因素對整車網絡報文傳輸延時分析影響大小，試驗及數據分析主要分為2個測試用例進行。第1個測試用例：高優先級報文對整車網絡報文傳輸延時影響；第2個測試用例：低優先級報文對整車網絡報文傳輸延時影響。

每個測試用例按照以下原則進行測試：在原整車網絡上，使用CANoe仿真發送對應優先級的報文，使其整車網絡負載增加到80%；在原整車網絡上，使用CANoe仿真發送對應優先級的報文，使其整車網絡負載增加到90%。

為了對比明顯，如無特別說明，報文周期超出閾值幅值Z設置為10%。

2.1 網絡負載對傳輸延時

網絡負載是網絡傳輸延時的主要因素，為了分析網絡負載對延時的影響，依次分高優先級報文、低優先級報文。2種試驗各分2次向整車網絡注入網絡負載（Busload）。然后，針對原車網絡負載下的數據、2種高負載數據進行統計。整理某零件報文發現：當注入高優先級報文時，Busload越高，相同ID報文周期超出閾值概率越大；周期小于50ms的報文，報文周期超出閾值概率越大；ID在0x18e～0x2c3報文超出周期超出閾值概率大。當注入低優先級報文時，Busload越高，相同ID報文周期超出周期閾值概率越大；周期小于50ms的報文，超出周期閾值概率越大；ID在0x1aa～0x2c3報文超出周期超出閾值概率大。

圖2為各網絡負載下原車某零件報文周期超出閾值概率。在各網絡負載下，報文ID：1df的報文周期超出閾值概率均較大。網絡負載在65%時，其報文周期超出閾值概率P為9.2%。當注入高優先級，網絡負載為80%、90%時，其報文周期超出閾值概率P依次增至22.57%、43.76%。當注入低優先級，網絡負載為80%、90%時，其報文周期超出閾值概率P依次增至11.00%、11.52%。

2.2 報文ID對傳輸延時

報文ID也是網絡傳輸延時的主要因素，為了分析報文ID對延時的影響，可利用2.1節中數據對某零件進行分析。發現：注入報文的優先級越高，原車報文周期超出閾值概率越高；ID在0x18e～0x2c3報文超出周期超出閾值概率大。

當網絡負載增至80%，如果報文ID：1df在注入低優先級時，周期超出閾值概率為11.52%，而當注入高優先級報文時，報文ID：1df的周期超出閾值概率為22.57%。當網絡負載增至90%時，如果報文ID：1df在注入低優先級時，周期超出閾值概率為11.52%，而當注入高優先級報文時，報文ID：1df的周期超出閾值概率為43.76%。

2.3 網絡任務調度周期對傳輸延時的影響

選取某個零件，更改其網絡協議棧調度周期。分析數據主要來源于2種試驗：該零件的網絡協議棧調度周期未更改；該零件的網絡協議棧調度周期增加1倍。

針對整車所有網絡報文分析發現：某一個零件的網絡協議棧調度周期變化，對原車報文周期超出閾值概率影響較小。如圖3所示。

2.4 非網絡任務調度周期對傳輸延時的影響

選取某個零件，網絡協議棧調度周期保持不變，其他9個任務調度周期均同時增加1倍。分析數據主要來源于2種試驗：①該零件所有任務調度周期未更改；②該零件其他9個任務調度周期均增加1倍。

根據實測數據看，其情況基本與2.3節類似，即：某個零件的非網絡協議棧任務調度周期變化時，對原車報文周期超出閾值概率影響較小。

2.5 報文周期超出閾值幅值與報文周期超出閾值概率之間關系

基于前面數據，可將報文周期超出閾值幅值Z適當增大，針對閾值要求變化，分析報文周期超出閾值概率情況。現將報文周期超出閾值幅值Z分別設為10%和20%，針對網絡負載為80%進行研究，發現：當報文周期閾值由10%增至20%時，網絡上各報文周期超出閾值概率顯著降低。參見圖4。

圖4 報文周期超出閾值幅值與報文周期超出閾值概率之間關系

3 結論

根據前面試驗分析可知，網絡負載、報文優先級是影響網絡傳輸的主要因素。故此，在要求網絡實時性高的網絡設計時，盡可能降低網絡負載；在網絡擴展時，新增網絡零件報文盡可能不用高優先級ID，否則對原車網絡報文延時影響較大。此外，零件失效管理等策略或功能務必考慮網絡傳輸延時，網絡零件功能對于傳輸延時不能過于苛刻，在滿足功能需求情況下，可適當放寬網絡報文傳輸延時閾值。例如：網絡零件接收其他零件報文時，網絡報文傳輸延時必須在報文周期超出閾值幅值10%內到達；否則，功能上禁止圖像、語音、故障碼等報警，這之類的要求可適當放寬。由于影響網絡傳輸延時因素眾多，本次試驗僅找到部分傳輸延時重要因素，故在網絡報文實際設計中，還需要結合實際功能需求進行網絡設計。

［1］王建，左啟耀，高峰.基于CAN總線的客車控制系統［J］.吉林大學學報（工學版），2004，15（7）：282-285.

［2］劉新亮，張建武，陳兆能.汽車控制器局域網絡技術及應用［J］.汽車工程，1998，20（2）：101-107.

［3］周三國，張海濤，吳平友.CAN總線速率提升研究［J］.上海汽車，2014（5）：49-52.

［4］王俊波，胥布工.CAN報文實時性分析及在線評估［J］.控制與決策，2007，22（4）：449-452.

［5］袁遠.CAN網絡通信及實時性研究［D］.蘭州：蘭州大學，2010.

（編輯 楊景）

Analysis and Improvement of CAN Real-time Message Performance

ZHOU San-guo，WU Ping-you

（SAIC Motor Passenger Vehicle Technical Center，Shanghai 201804，China）

The conflict between transmission real-time performance and transmission latency about CAN message is becoming prominent，with the increase of on-board electrical functions.In order to find the main factors of transmission latency，the worst-case response time models are set.Many cases are tested based on perspectives of bit stuffing mechanism（including interval），network task，and the processing period.Results show that the higher CAN busload and message priority，the greater transmission latency.Therefore，in CAN network design，the busload should be decreased and new components should use low message priority.Besides，when meeting requirements of the component functions，the threshold of the frame transmission latency could be increased.

bit stuffing；transmission latency；message period；busload；processing period

U463.6

A

1003－8639（2017）02－0049－04

2016-07-31

周三國，男，湖北黃岡人，高級工程師，碩士，主要研究方向為車載網絡設計開發；吳平友，男，安徽人，工程師，碩士，主要研究方向為車載網絡設計開發等。