基于CAN總線的車輛ECU在線管理系統研究

周紅英

基于CAN總線的車輛ECU在線管理系統研究

周紅英

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

隨著整車電氣控制器逐漸增多，基于獨立網關的網絡架構應用廣泛，網關成為各網段間信息交互中心，由于各節點不在同一網段，跨總線網段通訊交互的CAN節點存在無法準確獲知交互節點在線狀態的問題，從而導致功能出現異常，同時也會導致控制器誤報故障碼和誤報警，給車售后維修造成誤導。文章提出一種CAN控制器節點在線管理方法，可有效監控個各節點在線狀態，并通過CAN報文的方式廣播于網絡各節點，使各節點實時掌握交互節點的在線狀態，以此來判斷交互信息的有效性，可大大提高對各交互數據使用的正確性，同時對網絡各節點進行在線診斷，記錄節點丟失故障碼，便于售后快速鎖定故障節點，提高維修效率。

CAN；在線管理；在線診斷

引言

隨著汽車的智能化、網絡化使得整車控制器數量迅速增加，特別是網關技術的應用，使得車輛CAN總線拓撲更加復雜[1]，在新的網絡架構中網關往往包括了多個CAN接口接入不同的CAN網段，實現各不同網段間數據的實時交互[2]。

車輛使用一段時間后由于多種原因會偶發出現因CAN線斷開而報文未能成功發送至CAN總線上的情況，我們稱其為離線狀態，此時與該節點交互的控制器則會存節點丟失故障碼甚至向儀表發送報警信號。如果不能正確獲取各交互節點在線狀態，不僅會導致功能出現異常，同時也會導致控制器誤報故障碼和誤報警，給車售后維修造成誤導。

1 汽車CAN網絡管理現狀

目前，汽車CAN網絡管理規范整體都依據OSEK/ VDXNM標準，該標準包括實時操作系統（OSEK OS）、通訊子系統（OSEK OS）和網絡管理系統（OSEK NM）三個部分，其中OSEK NM規范中定義有兩種網絡管理機制：直接網絡管理和間接網絡管理[3]。

（1）直接網絡管理是通過令牌環形成網絡狀態的監控。每個網絡上的節點被定義唯一的識別標識符，消息自低地址節點向高地址節點發送，再由最高節點傳回最低節點，形成一個環，稱之為邏輯環（1ogical ring）。OSEK NM消息以網絡廣播方式傳輸，網絡中的每一個節點被其他節點所監控。這種監控方式的特點是：可靠性高，但需要時間長，每個節點都要定義對應的網絡管理報文，網絡負荷大。

（2）間接網絡管理是通過邏輯主節點對其他節點應用報文的發送和接收狀態進行監控，從而實現網絡管理[4]。間接網絡管理不用定義特有的網絡管理報文，可通過判斷周期幀來判斷網絡節點的狀態，適用于主ECU節點，其特點為負載小，執行限制少，是直接網路管理的有效補充。

2 傳統網關路由方式

路由功能是網關的核心功能，路由功能指的是將一條網絡（源網絡）上接收到的信息，按照路由表中預先定義的規則，轉發送到另一條網絡（目標網絡）中，實現不同網絡間信息共享的功能。

在多總線網絡拓撲結構中，如圖1：網關根據各CAN總線上節點的數據需求進行CAN數據的路由，路由的方式分周期幀路由和事件幀路由。

周期幀路由：網關從源網段接收到報文，可進行CAN標識符、報文周期、報文長度、發送模式等屬性更改，以及從多幀報文中獲取需要路由的信號，并重新排布以固定的周期進行發送。

事件幀路由：從源網關接收到數據幀則發送一次，未接收則不發送，其中網關對接收到報文不作任何的更改。

當源網段節點丟失后，對于周期路由的信號網關依然會周期發送數據，此時目標接收節點將不知道源網段節點已丟失，因此導致目標接收節點誤認為源網關節點依然在線，仍然使用接收到的數據導致車輛功能異常；對于事件幀路由的報文雖然源節點丟失后網關將不進行路由，但此時有可能是源節點在線，而網關不在線導致未路由報文從而導致目標節點誤認為源網段節點丟失。因此在多條總線的網絡結構中，跨總線通訊交互的節點間將無法準確獲知交互節點的在線狀態，從而導致功能出現異常，同時也會導致控制器誤報故障碼和誤報警，給車售后維修造成誤導。

圖1 多總線網絡拓撲

3 CAN控制器在線管理方法

為了確保整車網絡通訊更加可靠、節能，能夠準確掌握整車通訊狀態，基于OSEK間接網絡管理本文提出了一種CAN控制器在線管理方法，即定義整車網關為主節點，對整車各網段中的所有節點的在線狀態進行監控，并將監控結果反饋給網絡進行信息同步。

3.1 節點報文監控

由于網關與各條CAN總線上節點直接相連，其能通過周期監測所有節點發送報文的頻率來獲知各節點的在線情況，因此，網關可對各條CAN總線上的子節點進行監測，并將監測結果以CAN報文實時發布到各總線上，使總線上各節點能實時獲取跨總線相關節點的在線狀態。

在網關中增加節點監測模塊，用于監測總線上各節點在線狀態，同時定義一幀節點在線狀態CAN報文用于將整車各節點在線狀態發送至各網段中。

圖2 網關系統框圖

當一個節點報文丟失超過10倍幀周期（該超時時間可自定義）時則規定該節點處于離線狀態；否則則處于在線狀態。

定義一幀CAN報文作為各節點在線狀態報文，并存儲到EPROM存儲器中，報文長度為8byte共64個bit，每個bit表示一個節點的在線狀態位，0表示離線，1表示在線，共可監測64個CAN節點的在線狀態，根據總線節點數也可定義多個監測報文。當監測到一個節點離線時，把心跳報文中相應節點在線狀態位置0，否則置1，并更新發送至總線上。

圖3 報文監控流程

當總線上節點接收到網關發送的節點在線狀態報文后，對其接收信號的源節點在線狀態位進行分析，如果在線狀態位為0說明該節點處于離線狀態，此時網關路由的報文為無效數據；如果在線狀態位為1說明該節點處于在線狀態，此時網關路由的報文為有效數據，可使用；以此各總線上節點通過對跨總線交互的源節點的在線狀態報文分析來知道源節點的在線狀態及報文有效性，避免使用路由的無效數據導致功能異常，同時控制器也不會誤報故障碼或者誤報警。

3.2 節點在線診斷

節點在線診斷主要是對整車各個網絡節點的離線故障進行記錄，便于維修人員讀取。

當網絡處于激活狀態時，網關控制器實時監控該網絡上所有節點狀態，可以通過使用該節點周期發送的報文狀態實現對節點監控：

診斷原則：1）當節點存在多條周期報文時，選擇周期最小的報文作為節點檢測的監控對象；2）當節點存在多條最小周期報文時，選擇ID較小的周期報文作為節點檢測的監控對象；3）當總線出現故障情況下（不限于高低壓故障、BusOff故障），記錄對應總線故障信息，但不應記錄節點丟失故障信息。

當檢測確認節點處于離線狀態時，記錄相應節點丟失故障碼。故障代碼一旦生成，將會一直保留，直到通過發送診斷指令清除，或者故障代碼老化機制確定此故障不復存在。

4 結論

網關將各網段各節點在線狀態信息以CAN報文的方式周期發送到各網段上，可使汽車中跨總線通訊交互的CAN節點可準確獲知交互節點的在線狀態及數據有效性，提高數據使用的準確性，降低控制器誤報故障的現象。同時對整車各節點的在線狀態進行診斷，并記錄各節點丟失故障碼，便于售后快速鎖定故障節點，提高維修效率。

[1] 張鐵欣.基于汽車網關平臺功能的網絡拓撲設計與安全研究[J].汽車電器,2017(9):22-25.

[2] 馬建輝,胡代榮,郭坤.一種汽車CAN總線網關的報文接收和發送[J].現代電子技術,2018,41(11):5-7.

[3] 劉源楊,李楊,喬昕,等.一種改進的電動汽車網絡管理方法和實現[J].計算機系統應用,2013,22(6):145-148.

[4] 劉澤,黃智,王敏,等.基于OSEK/VDX NM的汽車舒適性控制系統網絡管理的研究[J].汽車工程,2013,35(9):145-148.

Research on Vehicle ECU Online Management System Based on CAN

ZHOU Hongying

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

As the electric controller has gradually increased, the network architecture based on the independent gateway is widely used.The gateway has become the information interaction center between the network segments. Since the nodes are not in the same network segment,the CAN node of communication interacting across bus networks has problems that cannot be accurately known interactive nodes online status, resulting in an exception in function, while also causing the controller to malfunction code and false alarm, and misleading the launch of the vehicle.This paper proposes a CAN controller node online management method, which can effectively monitor the online state of each node, broadcast through the network nodes in the way, so that each node masters the online state of the interactive node in real time, to determine the interaction. The validity of information can greatly improve the correctness of each interaction data.At the same time, the network nodes are diagnosed online, and the record nodes lose the fault code, which is convenient for quick locking fault nodes to improve the maintenance efficiency.

CAN;Online management;Online diagnosis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.021

U462.1

A

1671-7988(2021)21-89-03

U462.1

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1671-7988(2021)21-89-03

周紅英，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。