城軌列車LCU應(yīng)用現(xiàn)場CAN總線通訊質(zhì)量評估技術(shù)研究

吳彩秀　孔令倩　楊楠

摘要：針對列車可編程邏輯控制單元產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)場采用CAN總線，從CAN通訊原理與產(chǎn)品通訊總線架構(gòu)角度分析了CAN總線通訊質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因，總結(jié)了可能出現(xiàn)的通訊質(zhì)量問題。通過通訊成功率評估、采樣點測試、負(fù)載率測試、通訊質(zhì)量評分等系列方法，形成一套針對現(xiàn)場CAN總線通訊質(zhì)量的評估方法。通過設(shè)計CAN通訊協(xié)議符合性智能評估軟件，對CAN通訊數(shù)據(jù)是否符合CAN通訊協(xié)議要求進(jìn)行智能分析。最后結(jié)合產(chǎn)品運用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對LCU CAN總線通訊質(zhì)量進(jìn)行了評估。

關(guān)鍵詞：城軌列車；CAN通訊；評估技術(shù)；可編程邏輯控制單元；智能數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：U285.4????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.007

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0047-08

Research on Communication Quality Evaluation Technology of Urban Rail TrainLogic Control Unit Application Field CAN Bus

WU Caixiu KONG Lingqian YANG Nan

（ 1.Shenzhen Metro Group Co.， Ltd， Shenzhen 518000;2.Chengdu Yunda Technology Co.， Ltd.， Chengdu 611731 ）

Abstract：Aiming at the situation that the CAN bus is used in the application field of train programmable logic control unit products， this paper analyzes the causes of CAN bus communication quality problems from the perspective of CAN communication principle and product communication bus architecture， and summarizes the possible communication quality problems. Through a series of methods such as communication success rate evaluation， sampling point test， load rate test and communication quality score， a set of evaluation methods for the communication quality of on-site CAN bus are formed. By designing the intelligent evaluation software of CAN communication protocol compliance， an intelligent analysis on whether the CAN communication data meets the requirements of CAN communication protocol is conducted. Finally， on the basis of the field data of the product， the communication quality of LCU CAN bus is evaluated.

Key words：urban rail train；CAN communication；evaluation technology；programmable logic control unit；intelligent data analysis

城軌列車可編程邏輯控制單元（LCU，Logic Control Unit）各車機(jī)箱間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN，Contrller Area Network）進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，CAN總線通信質(zhì)量直接關(guān)系到列車控制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

因列車級CAN總線長度可能超過150 m，且應(yīng)用時不設(shè)計有源中繼裝置，在實驗室環(huán)境測試與實車復(fù)雜電磁環(huán)境下存在實驗室無法模擬的環(huán)境差異。可能在實車運用環(huán)境下產(chǎn)生與協(xié)議不符的報文、錯包、重包、亂序、篡改等錯誤，最終引起LCU列車級CAN總線出現(xiàn)丟幀、校驗錯誤甚至安全導(dǎo)向?qū)е铝熊囃顺鲞\營。

為在裝車、調(diào)試階段量化評估LCU列車級CAN總線通訊質(zhì)量，需研究建立一套LCU CAN總線通訊質(zhì)量評估技術(shù)。及早發(fā)現(xiàn)LCU級聯(lián)CAN總線隱患，同時通過對海量CAN報文進(jìn)行分析，智能地評估通訊質(zhì)量。解決人工排查CAN質(zhì)量問題效率低、無法量化、無法可視化等問題，降低裝車調(diào)試難度，排除CAN總線隱患，提升CAN總線通訊質(zhì)量。

1? LCU級聯(lián)CAN通訊架構(gòu)

LCU級聯(lián)CAN總線用于多個LCU間數(shù)據(jù)通信。這些LCU一般分布在列車各個車廂電氣柜，用于共享LCU控制指令、列車控制指令、校時指令、列車車號，及其他需顯示信息^[1]。

LCU級聯(lián)CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

為避免在CAN通信過程中發(fā)生重復(fù)、刪除、插入、重排序、損壞、延時錯誤^[2]，影響LCU功能和性能，LCU級聯(lián)CAN通信協(xié)議使用增加報文校驗、超時識別、序列號等防護(hù)措施，并使用雙冗余CAN增加可用性^[3]。

CAN通訊是小范圍實時通信網(wǎng)絡(luò)，通信距離與速率成反比。如圖2所示，LCU級聯(lián)CAN通訊速率設(shè)計與通訊距離負(fù)相關(guān)。

2? LCU級聯(lián)CAN總線通訊質(zhì)量評估

根據(jù)LCU裝車調(diào)試經(jīng)驗，LCU級聯(lián)CAN總線通訊質(zhì)量評估分為通訊成功率評估、采樣點測試、CAN幅值評分、CAN擾動評分、CAN斜率評分。最終通過CAN通訊質(zhì)量智能評估確認(rèn)級聯(lián)CAN通訊數(shù)據(jù)內(nèi)容與周期正確性。

2.1 通訊成功率評估

LCU級聯(lián)CAN在較高通訊負(fù)載率下，對錯誤容忍度較低。當(dāng)出現(xiàn)CAN總線硬件終端電阻設(shè)計錯誤、斜率電阻參數(shù)設(shè)計錯誤、軟件驅(qū)動設(shè)計錯誤等情況時，將導(dǎo)致CAN總線通信錯誤。此時能夠在CAN總線上監(jiān)測到錯誤幀，同時CAN通信成功率將低于100%。故通訊成功率是LCU級聯(lián)CAN通訊質(zhì)量重要的評估因素。如圖4所示，現(xiàn)場質(zhì)量評估中，監(jiān)測到通訊成功率為100%。

由于通訊成功率一般與硬件特性、CAN總線布線、EMC（Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性）特性等有關(guān)，故質(zhì)量評估中若發(fā)現(xiàn)CAN通訊成功率低于100%，則視為CAN布線質(zhì)量不合格。即通訊成功率為CAN通訊質(zhì)量KO（Key Objective，關(guān)鍵任務(wù)）項。

CAN通信成功率評估分為錯誤幀抓取和發(fā)現(xiàn)異常后的排查措施。CAN錯誤幀抓取通過連接到CAN總線的CAN通信終端接收CAN報文，并通過上位機(jī)軟件實時分析錯誤幀出現(xiàn)情況。CAN通信成功率評估流程如圖5所示^[9]。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯誤幀時，應(yīng)檢查終端電阻情況，并檢查級聯(lián)CAN線路連接是否穩(wěn)固。

2.2 ?CAN通訊采樣點測試

CAN通訊總線采用差分線通訊，無需時鐘信號線并由接收端內(nèi)部定時觸發(fā)采集，雖避免了同步串行通信需要時鐘信號線的缺點，但也引入了波特率誤差會產(chǎn)生通信錯誤的問題^[8]。對此，CAN通訊總線規(guī)定信號的跳變沿時刻進(jìn)行同步，將累計誤差限制在兩個跳變沿之間。并在發(fā)送多個相同位時，為避免誤差累計，在連續(xù)5個相同位后插入一個相反位，產(chǎn)生跳變沿，用于同步。通過位填充提供同步信號，從而消除累計誤差^[8]。CAN采樣點位置是否標(biāo)準(zhǔn)且一致是評估CAN通訊硬件、布線等是否正常的依據(jù)之一，圖6是調(diào)試現(xiàn)場測試的采樣點。

由于CAN通訊采樣點測試與CAN總線上各通訊節(jié)點硬件設(shè)計、制造、時鐘準(zhǔn)確性及總線上干擾、通訊波特率等因素相關(guān)。故發(fā)現(xiàn)采樣點異常時，則視為現(xiàn)場CAN總線通訊質(zhì)量不合格，即CAN采樣點為CAN通訊質(zhì)量KO項。CAN總線采樣點測試及異常處置排查流程如圖7所示。

發(fā)現(xiàn)采樣點異常時，應(yīng)重新檢查該總線上通訊的所有節(jié)點，包括其軟件版本、通訊波特率、工作頻率等。在對經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)異常的節(jié)點進(jìn)行修正后，再次測試，直至測試通過。

2.3? CAN通訊負(fù)載率測試

對LCU產(chǎn)品而言，CAN通訊負(fù)載率一般是確定且穩(wěn)定的，正常情況下不會出現(xiàn)較大波動。以CAN總線擴(kuò)展幀為例：假設(shè)數(shù)據(jù)長度為8 byte，其組成包括幀起始（1 bit）、仲裁域（32 bit）、控制域（6 bit）、數(shù)據(jù)域（8×8 bit）、循環(huán)冗余碼域（15 bit）、分隔符（1 bit）、應(yīng)答域（2 bit）和幀結(jié)尾（7 bit）。故對CAN擴(kuò)展幀而言，幀最大長度共計128 bit。當(dāng)通信波特率為1 Mb/s時，有：

K＝N×0.0128%?????????????????? （1）

式中：K為CAN總線負(fù)載率；N為總線上每秒擴(kuò)展幀數(shù)量。

在已知每秒幀數(shù)量的情況下，能夠通過式（1）計算出每秒的總線負(fù)載率。根據(jù)對現(xiàn)場級聯(lián)CAN總線測試得到的每秒幀數(shù)量計算得到的CAN總線負(fù)載率波動情況如圖8所示。

一般而言，CAN通信負(fù)載率應(yīng)在一個穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)小幅波動，通過不同車間CAN負(fù)載率對比，能較為直觀地觀察出是否整列車設(shè)備都正常啟動并向總線上發(fā)送報文。

2.4? CAN通訊質(zhì)量評分

CAN通訊差分信號電平幅值，對信號的產(chǎn)生與接收非常重要，是CAN總線上收發(fā)器在邏輯信號與物理信號間轉(zhuǎn)換的依據(jù)。當(dāng)差分電平為隱性時，表示邏輯“1”，當(dāng)差分電平為顯性是，表示邏輯“0”。ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)下高速CAN差分電平如圖9所示^[4]。

當(dāng)幅值穩(wěn)定時，CAN收發(fā)器很容易解析出邏輯值，但如果幅值較低，導(dǎo)致差分信號壓差低于收發(fā)器解析閾值，收發(fā)器可能誤判，從而導(dǎo)致CAN通訊異常^[11]。

CAN總線一般采用雙絞線傳輸差分信號，如圖10所示，如果出現(xiàn)共模干擾，則會使信號線上產(chǎn)生相同幅度和相位的干擾脈沖。線路受到共模信號干擾后，信號差值不變，信號依然正確傳輸。

但當(dāng)線纜雙絞圈數(shù)不足、布線環(huán)境電磁干擾過大或其他情況下，容易產(chǎn)生過多、過大幅度干擾或干擾只在某一條差分線上的情況，導(dǎo)致差分信號在受干擾位置被CAN收發(fā)器解析出錯誤邏輯值，從而通訊失敗^[5]。所以需進(jìn)行通訊干擾幅度監(jiān)測與橫向?qū)Ρ龋l(fā)現(xiàn)通訊質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，以改善CAN通訊質(zhì)量。

當(dāng)出現(xiàn)終端電阻異常等狀況時，CAN通訊差分線斜率往往會出現(xiàn)異常，產(chǎn)生上升沿/下降沿變化緩慢的情況。如圖11所示，上升緩慢對持續(xù)時間較短的邏輯1信號，會導(dǎo)致采樣點采集到的電平不滿足高電平電壓值，從而導(dǎo)致通訊異常。

一般而言，距離測試點越遠(yuǎn)的通訊節(jié)點，差分信號幅值越低、收到干擾越大、斜率越小。當(dāng)CAN通訊幅值不足時，需檢查對應(yīng)通訊節(jié)點幅值。發(fā)現(xiàn)干擾較多時，需對比其他列車在相同距離上CAN通訊干擾情況。若存在明顯異常，則需檢查CAN通訊布線。當(dāng)斜率異常時，需檢查CAN通訊終端電阻及掛載在總線上的節(jié)點BOM（Bill of Material，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表）是否正確。信號質(zhì)量測試與量化評分對比如圖12所示。

2.5? CAN通訊協(xié)議符合性智能評估

當(dāng)LCU級聯(lián)CAN總線布線完成，并完成物理層通訊質(zhì)量評估后，需針對LCU CAN通訊報文數(shù)據(jù)內(nèi)容與周期是否符合通訊協(xié)議進(jìn)行評估^[6]。人工分析雖然能夠在明確知曉異常目標(biāo)時針對性找出錯誤，但對海量報文的正確性與周期正確性進(jìn)行分析卻會消耗過多資源。同時，不同列車方案下產(chǎn)生的LCU報文不同，無法進(jìn)行簡單通用的對比^[7]。

LCU CAN通訊協(xié)議符合性智能評估軟件界面如圖13所示。

軟件設(shè)計通過現(xiàn)場采集十萬幀報文，智能學(xué)習(xí)被測LCU CAN總線上的LCU配置，并根據(jù)報文類型、周期、數(shù)據(jù)內(nèi)容，產(chǎn)生報文周期期望值與報文數(shù)據(jù)區(qū)期望。智能學(xué)習(xí)過程如圖14所示。

當(dāng)軟件接收到來自智能學(xué)習(xí)模塊的允許運行通知及開始分析指令后，開始對待分析CAN報文的分析。分析開始后，首先進(jìn)行本文件異常ID剔除。對比來自智能學(xué)習(xí)模塊輸出的數(shù)據(jù)期望區(qū)期望CAN ID與待分析文件所有CAN ID，如果發(fā)現(xiàn)不一致，則將存在不一致的CAN ID報文全部內(nèi)容輸出至UI模塊。

若不存在異常CAN ID，則繼續(xù)對比CAN數(shù)據(jù)區(qū)與CAN報文周期，并輸出顯示不符合項。

3? LCU現(xiàn)場CAN通訊質(zhì)量評估

針對LCU在深圳地鐵一號線列車上的應(yīng)用，裝車調(diào)試時使用LCU CAN總線通訊質(zhì)量評估技術(shù)對LCU級聯(lián)CAN通訊狀態(tài)進(jìn)行評估。

深圳地鐵一號線109車LCU級聯(lián)CAN實車通訊數(shù)據(jù)成功率及采樣點測試如圖15所示。可以看出，現(xiàn)場接收一萬幀數(shù)據(jù)測試，成功率100%，無錯誤幀，采樣點位置正常。

深圳地鐵一號線109車LCU級聯(lián)CAN實車通訊負(fù)載率測試通訊負(fù)載率36%～40%，無異常波動。

現(xiàn)場裝車不同LCU在CAN總線上位置關(guān)系如圖16所示。

不同車現(xiàn)場CAN通訊質(zhì)量評分如圖17所示。可以看出，B1車CAN通訊質(zhì)量明顯偏低。根據(jù)現(xiàn)場分析，通訊質(zhì)量與距離負(fù)相關(guān)，即在相同設(shè)備條件下B1車LCU作為中間車CAN通訊節(jié)點，質(zhì)量評分應(yīng)高于A1車。

根據(jù)這一情況，對B1車LCU CAN通訊板進(jìn)行更換，然后再次測試，如圖18所示，發(fā)現(xiàn)CAN通訊質(zhì)量評分恢復(fù)，CAN通訊質(zhì)量問題排除。

LCU CAN總線通訊質(zhì)量評估技術(shù)提供了一套經(jīng)過實踐檢驗有效的LCU級聯(lián)CAN裝車、調(diào)試中的通訊質(zhì)量評估方法。并針對各種現(xiàn)場CAN總線問題，給出排查與解決方案。

4 結(jié)束語

本文針對城軌列車LCU提出一套級聯(lián)CAN總線通訊質(zhì)量評估技術(shù)。通過通訊成功率評估、采樣點測試、CAN幅值評分、CAN擾動評分、CAN斜率評分，以及最終的CAN通訊質(zhì)量智能評估，提升了LCU在裝車聯(lián)調(diào)、初期運營等運用、調(diào)測階段定位和排除CAN通訊問題的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭玄，何曄，蘇釗頤，等. 城軌列車三取二邏輯控制單元設(shè)計[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2019，42（6）：21-23.

[2]楊福宇. CAN總線的功能安全問題[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（2）：17-20.

[3]何曄，陳健，楊楠，等. 地鐵列車三取二邏輯控制單元CAN通信智能監(jiān)測軟件設(shè)計[J]. 機(jī)電信息，2020（27）：108-109.

[4]呂強(qiáng). 地鐵列車LCU系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（28）：1-2.

[5]蔣建文，林勇，韓江洪. CAN總線通信協(xié)議的分析和實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)工程，2002，28（2）：219-220.

[6]包壽紅，張彤，余才光，等. 混合動力總成臺架CAN總線干擾分析[J]. 安全與電磁兼容，2018（4）：67-71.

[7]李才坤，勞啟恒，陳文輝. 車載CAN總線協(xié)議分析儀設(shè)計[J]. 中國科技信息，2017（14）：82-84.

[8]肖彬. CAN總線載波偵聽點位測量方法研究[J]. 計測技術(shù)，2021，41（6）：59-65.

[9]楊炯，丁常坤，鄭彥樸. CAN總線使用率和故障偵測系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 現(xiàn)代信息科技，2019（15）：42-44.

[10]田涌君，蔡其瑾，唐風(fēng)敏，等. CAN總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)評價方法研究[J]. 汽車電器，2021（3）：26-28.