車載控制器網(wǎng)絡(luò)占用過高導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題分析

吳震云，崔書浩，余世運(yùn)

車載控制器網(wǎng)絡(luò)占用過高導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題分析

吳震云，崔書浩，余世運(yùn)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230009）

針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)占用過高導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題提出一種基于AutoSAR標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的錯(cuò)峰發(fā)送方式。通過這種方式的實(shí)施將龐大單一任務(wù)分解成若干小任務(wù)，從而避免對(duì)資源的長期占用情況發(fā)生，降低系統(tǒng)時(shí)間延遲，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性具有較好的參考意義。

車載控制器網(wǎng)絡(luò)；錯(cuò)峰發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

引言

CAN總線技術(shù)在汽車電子發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。但隨著汽車電子的快速發(fā)展，總線節(jié)點(diǎn)增多使得總線通信量急劇增大，同時(shí)又要求被控對(duì)象反應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短，這使得CAN總線實(shí)時(shí)性和可靠性方面受到總線負(fù)載影響越來越明顯。

一幀CAN報(bào)文從發(fā)送ECU處理好數(shù)據(jù)到接收方ECU使用數(shù)據(jù)，中間包含發(fā)送端軟件處理延時(shí)時(shí)間，硬件發(fā)送時(shí)間，總線等待時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，接收方數(shù)據(jù)校核時(shí)間、以及接收方軟件處理時(shí)間。其中除總線等待時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載影響外，其他時(shí)間一般由ECU廠商設(shè)計(jì)方案決定。總線等待時(shí)間指標(biāo)在主機(jī)廠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)約束，特別是總線被單一節(jié)點(diǎn)占用導(dǎo)致等待延時(shí)時(shí)間過長問題。

本文重點(diǎn)闡述如何有效降低“總線等待延時(shí)時(shí)間”。

1 CAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)描述

CAN通訊采用半雙工通訊方式，同時(shí)采用ID仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級(jí)方案。

在此方案下當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)持續(xù)不斷發(fā)送高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬將始終被此節(jié)點(diǎn)占用，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)將始終無法發(fā)送，形成堵塞，直到高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)停止發(fā)送為止，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)才被發(fā)送出來，且此過程由硬件實(shí)現(xiàn)，不受軟件控制。

低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送被高優(yōu)先級(jí)報(bào)文堵塞的時(shí)間，稱之為網(wǎng)絡(luò)等待延時(shí)時(shí)間。

由于CAN通訊仲裁機(jī)制下存在的固有缺陷，因此在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初需要對(duì)所有參與CAN通訊ECU發(fā)送數(shù)據(jù)量進(jìn)行約束，避免單一ECU瞬時(shí)發(fā)送大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)始終被單一節(jié)點(diǎn)占用情況發(fā)生。

2 解決方案

2.1 CAN延時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

CAN通訊負(fù)載一般為網(wǎng)段一定時(shí)間內(nèi)的平均負(fù)載，可以宏觀體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬占用情況，但無法體現(xiàn)一幀CAN數(shù)據(jù)被堵塞導(dǎo)致的發(fā)送延時(shí)時(shí)間。

一般汽車廠商要求總線延時(shí)時(shí)間不大于其發(fā)送周期的10%，以目前最快發(fā)送數(shù)據(jù)周期為準(zhǔn)進(jìn)行延時(shí)設(shè)計(jì)要求，即10ms周期發(fā)送的報(bào)文實(shí)際網(wǎng)絡(luò)周期應(yīng)該在9ms-11ms之間，因此除去引言描述的軟件占用時(shí)間，ECU連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間最大不應(yīng)超過1ms，否則無法保證上述10%周期延時(shí)要求。

由CAN數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議獲知，一幀數(shù)據(jù)長度為8的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一般由120-129比特位組成，傳輸時(shí)間約為0.23ms，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送情況時(shí)，若出現(xiàn)連續(xù)5幀數(shù)據(jù)時(shí)占用總線時(shí)間即為1.15ms，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，因此ECU每次連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)量應(yīng)嚴(yán)格控制在4幀報(bào)文以內(nèi)（如每幀數(shù)據(jù)長度均不足8時(shí)，可適當(dāng)放寬條件，但總數(shù)不應(yīng)超出6幀）。

2.2 錯(cuò)峰發(fā)送方式（協(xié)議棧OffSet功能）

基于AutoSAR標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧要求其通訊層（COM模塊）具備設(shè)置OffSet功能，即錯(cuò)峰發(fā)送方式。

2.3 協(xié)議棧Com配置功能介紹

以下內(nèi)容源于某公司發(fā)布的基于AutoSAR4.0標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的CAN通訊協(xié)議棧配置工具使用手冊(cè)部分截圖。

2.3.1 Com模塊調(diào)度周期配置選項(xiàng)

通過圖1“Com模塊的整體配置項(xiàng)”中可以找到Confi -guration Time配置選項(xiàng)，其中Configuration Time Base[s]配置項(xiàng)用來配置COM調(diào)度的基準(zhǔn)時(shí)間，單位為S。

圖1 Com模塊的整體配置項(xiàng)

（1）Configuration Rx Time Base[s]

此項(xiàng)用來配置Com_MainFunctionRx()被調(diào)用周期。

（2）Configuration Tx Time Base[s]

此項(xiàng)用來配置Com_MainFunctionTx()被調(diào)用周期。

2.3.2 Com模塊OffSet配置選項(xiàng)

通過圖2“Com模塊的TxIPdu配置項(xiàng)”可以找到Com TxIPdu配置選項(xiàng)，其中Tx Mode配置項(xiàng)用來配置報(bào)文發(fā)送機(jī)制，有事件觸發(fā)型、周期型、混合型和無發(fā)送模式，但無論哪種發(fā)送模式均提供了Time Offset配置選項(xiàng)，單位為S。

圖2 Com模塊的TxIPdu配置項(xiàng)

（1）Tx Mode Time Offset Factor[ms]

此項(xiàng)用來配置當(dāng)發(fā)送模式為Periodic或mixed情況下，當(dāng)Ipdu使能時(shí)，發(fā)送第一幀報(bào)文的偏移量，此值必須是Com_MainFunctionTx周期倍數(shù)。

（2）Tx Mode Time Period Factor[ms]

此項(xiàng)用來配置當(dāng)發(fā)送模式為PERIODIC或MIXED情況時(shí)，報(bào)文發(fā)送的Cycle，此值必須為Com_MainFunctionTx的整數(shù)倍。

3 具體實(shí)施方案

當(dāng)控制器出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)大于4幀情況時(shí)采用錯(cuò)位（錯(cuò)峰）發(fā)送方式。即在報(bào)文發(fā)送時(shí)將報(bào)文進(jìn)行分組，保證每組報(bào)文數(shù)據(jù)不大于5幀報(bào)文，同時(shí)在每組報(bào)文之間加入Offset實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰發(fā)送。

以下以某控制器發(fā)送5幀10ms周期數(shù)據(jù)幀，6幀20ms周期數(shù)據(jù)幀為例進(jìn)行具體方案說明。

通過2.3章節(jié)描述可知，協(xié)議棧中Offset配置選項(xiàng)只能為調(diào)度周期整數(shù)倍，因此以下以2.5ms、5ms為基準(zhǔn)調(diào)度周期為例進(jìn)行設(shè)計(jì)描述。

3.1 2.5ms基準(zhǔn)調(diào)度周期方案說明

將Com基準(zhǔn)調(diào)度周期設(shè)定為2.5ms，因此可以將10ms發(fā)送周期劃分為4個(gè)時(shí)間片，即10ms內(nèi)可觸發(fā)4次發(fā)送機(jī)制，因此可以將所有數(shù)據(jù)劃分為4組進(jìn)行發(fā)送。

以控制器發(fā)送11幀為例，將5幀10ms周期幀劃分為A，a兩組，將6幀20ms周期幀劃分為B，b兩組，其中A組有3幀，a組有2幀，B、b組各有3幀。將4組數(shù)據(jù)Offset配置項(xiàng)分別配置為：A組0ms，a組2.5ms，B組5.0ms，b組7.5ms，由此可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)序排布，得出下表1所示Com模塊發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

表1 Com模塊調(diào)度周期2.5ms發(fā)送11幀數(shù)據(jù)分組發(fā)送機(jī)制表

此后控制器將按上述發(fā)送機(jī)制以20ms周期循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 5ms基準(zhǔn)調(diào)度周期方案說明

將Com基準(zhǔn)調(diào)度周期設(shè)定為5ms，因此可以將10ms發(fā)送周期劃分為2個(gè)時(shí)間片，即10ms內(nèi)可觸發(fā)2次發(fā)送機(jī)制，可以將所有數(shù)據(jù)劃分為2組進(jìn)行發(fā)送。

以控制器發(fā)送11幀為例，將5幀10ms周期幀劃分為A組，將6幀20ms周期幀劃分為B組，其中A組有5幀，B組各有6幀。將2組數(shù)據(jù)Offset分別配置為：A組0ms，B組5.0ms，由此可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)序排布，得出下表2所示Com模塊發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

表2 Com模塊調(diào)度周期5ms發(fā)送11幀數(shù)據(jù)分組發(fā)送機(jī)制表

此后控制器將按上述發(fā)送機(jī)制以20ms周期循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 錯(cuò)峰發(fā)送方式效果評(píng)價(jià)

通過3.1、3.2章節(jié)分析可知：當(dāng)一幀優(yōu)先級(jí)小于控制器所有發(fā)送報(bào)文情況下，在三種方案情況下的延時(shí)情況：

（1）在2.5ms基準(zhǔn)調(diào)度和Offset配置情況下：最大延時(shí)時(shí)間為0.69ms；

（2）在5ms基準(zhǔn)調(diào)度和Offset配置情況下：最大延時(shí)時(shí)間為1.38ms；

（3）在不做任何發(fā)送時(shí)序處理情況下：最大延時(shí)時(shí)間為2.53ms。

4 總結(jié)

無論在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)還是控制器軟件任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)時(shí)，都需要考慮資源占用情況，整車廠對(duì)網(wǎng)絡(luò)堵塞設(shè)計(jì)約束和ECU供應(yīng)商需要考慮CPU任務(wù)堵塞其內(nèi)在機(jī)制完全一致。

ECU設(shè)計(jì)初需要將CPU資源進(jìn)行系統(tǒng)劃分，實(shí)現(xiàn)調(diào)度機(jī)制，同時(shí)要避免單一龐大任務(wù)對(duì)CPU長期占用，得益于CPU中斷觸發(fā)機(jī)制，可以及時(shí)實(shí)現(xiàn)任務(wù)間切換，降低堵塞產(chǎn)生的延時(shí)風(fēng)險(xiǎn)，除此之外，設(shè)計(jì)方也需要將龐大單一任務(wù)進(jìn)行拆分，從而形成若干個(gè)時(shí)序不連續(xù)的子任務(wù)，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)有效降低任務(wù)搶斷情況發(fā)生概率。

而CAN通訊目前沒有中斷觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送時(shí)，因?yàn)橄嚓P(guān)控制器發(fā)送報(bào)文優(yōu)先級(jí)高，往往導(dǎo)致總線長期被占用。針對(duì)此情況，采用錯(cuò)峰發(fā)送方式用于軟件任務(wù)中將龐大單一任務(wù)解成若干小任務(wù)，可避免單一任務(wù)對(duì)資源的長期占用情況發(fā)生，降低系統(tǒng)時(shí)間延遲。

Research on Network Delay Caused By High Network Occupancy Of The Vehicle Controller

Wu Zhenyun, Cui Shuhao, Yu Shiyun

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd., Anhui Hefei 230009 )

Consideringthe problem of network delay caused by the high occupancy of the vehicle network, a method of staggered transmission based on the AutoSAR standard is proposed.The implementation of this method decomposes a huge single task into several small tasks, so as to avoid long-term occupation of resources, reduce system time delay, and have a good reference significance for network real-time and reliability.

Vehicle network; Staggered transmission method; High network occupancy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.009

U461.99

A

1671-7988(2021)06-26-03

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1671-7988(2021)06-26-03

吳震云，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。