車載通信總線帶寬資源的控制方法

收稿日期：2024-05-29

作者簡介

李廣大（1988—），男，碩士，電氣架構工程師，研究方向為整車網絡架構設計、整車電氣功能定義及分配、整車信息交互等。

【摘 要】CAN總線在汽車通信網絡中應用廣泛且占據著重要地位，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越大，總線帶寬資源也因此越來越緊張，負載率越來越高。過高的總線負載率將影響信號傳輸的實時性和穩定性，因此，在網絡架構設計之初進行網絡帶寬資源的管控至關重要，這將影響網絡架構的平臺化設計和后續功能的拓展。本文從信號層面、總線層面和拓撲層面介紹通信總線的負載率管控方案。

【關鍵詞】帶寬；管控；信號；CAN總線；拓撲

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：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

目前在大多數車型的通信網絡中，CAN總線仍然扮演著重要的角色，常用的高速CAN數據場通信速率為500kb/s，不同周期下每幀報文能產生的負載率如表1所示。根據業內實踐，為了保證信號的傳輸性能，一般CAN總線負載率應控制在50%以下[1]。

在傳統燃油車上，整車信號數量一般不超過2000條，普通的CAN主干通信網絡尚且可以勉強使用。然而隨著智能駕駛、智能座艙等功能的不斷豐富和升級，整車信息交互量急劇增長，整車信號數量很容易便會突破3500條。在此情況下，車載總線負載率急劇上升，甚至可達70%以上。越高的總線負載率意味著需要同時發送的數據越多，會引起網絡堵塞，低優先級節點發生通信延遲的概率越大，甚至會丟失報文，從而導致整車性能下降甚至功能異常而引發事故。因此，對整車通信帶寬資源進行管控是十分必要的，本文將從信號層面、總線層面和拓撲層面介紹通信總線的負載率管控方案。

1 信號層面

1.1 管控信號幀數量

合理管控信號幀的數量，尤其短周期的幀數，對降低總線負載有顯著效果。

1）平臺化預留的幀，在項目上如果不需使用，則可以刪除或屏蔽。如DCT變速器專用的信號、電子手剎EPB專用的信號等，見表2。但這要求在設計前期就要將特定用途的信號統一進行分配和打包。注：下文所有關于負載率的計算都是基于CAN總線。

2）不同幀中的信號，合并到同一幀中。若同一控制器發送某些幀中包含的信號數量過少，導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。

中央網關轉發到某個網段的多個幀，也可以采用同樣的方法進行合并，如表4所示。若幀中帶有RC、CRC、Checksum等校驗信號，由于對信號的完整性要求較高，則不適合采用合并再轉發的策略。

1.2 合理選擇報文的發送方式

1.2.1 采用事件型報文

沒有事件發生時總線上不出現相應的報文，只有當事件發生時才發送。圖1為娛樂大屏由通過周期型報文發送指令改為通過事件型報文發送示意圖。如遠程控制指令，只有在手機端操作APP時，遠程通信模塊T-Box才會將相應的操作指令信號下發到車內總線上。或娛樂大屏上的某些開關、設置項，只有點擊的時候才下發指令信號，以此避免無效占用總線帶寬資源的情況。周期型報文改為事件型報文效果如表5所示。

1.2.2 采用周期事件幀

針對某些請求、指令或狀態類信號，可以采用周期事件幀，如門開關狀態、座椅占位狀態信號等，當狀態跳變時，信號幀連續快發若干幀（如3幀）以便其它控制器能夠快速獲取狀態并執行邏輯，然后恢復長周期發送以節約總線帶寬資源。座椅控制器由通過周期型報文發送狀態改為通過周期事件型報文發送，如圖2所示，負載優化效果如表6所示。

1.2.3 功能激活時發送

對于某些特定情況下才出現的場景，如倒車雷達、360全景影像等，則可以使相應的控制器處于工作場景時再外發相應的信號，如倒車雷達的控制器可以使用倒車燈的供電，這樣當進入倒車場景時倒車雷達的控制器才開始工作并外發信號，而在正常行駛時是不會外發的，從而達到釋放總線帶寬資源的目的。倒車雷達控制器由上電即發送報文改為進入倒車場景時才發送，如圖3所示，負載優化效果如表7所示。需要注意的是，信號打包時要盡量將需要采用同樣發送方式的信號一起打包。

1.3 信號幀周期管控

在整車網絡信號接口設計之初，就需要對信號幀周期進行管控，在滿足性能要求的原則下，盡量使用長周期的幀。在實施項目時，可參考如下周期設計原則。

通過娛樂大屏進行開關或設置的功能所對應的信號，如燈光、車窗、雨刮、后視鏡、座椅控制等，采用100ms及以上的周期發送；需要車機顯示狀態的車身類功能所對應的信號，如門開關狀態、燈光開關狀態、車窗狀態等，采用100ms及以上的周期發送；動力域、底盤域和智駕域等，根據對性能的影響程度，可采用10ms、20ms、50ms、100ms等周期發送。

在項目設計之初就要嚴格控制短周期幀的使用數量，以便為后續車型的升級和功能的拓展預留足夠的總線帶寬資源，比如將目標設定為每個控制器在每個網段上發送不超過4幀10ms的報文。在最新的項目中，整車通過管控共有17幀10ms的報文，極大地保護了總線帶寬資源。

2 總線層面

2.1 擴展總線數量

隨著整車智能化程度不斷提高，車身電子、信息娛樂相關的功能不斷豐富，車身域和信息娛樂域的信號增長非常迅速，由此導致車身和信息娛樂網段的負載率居高不下，這往往也是在實際項目中面臨的巨大挑戰。面對這種情況，一種比較好的解決方案是將車身娛樂網段分開，分為車身網段和信息娛樂網段，劃分原則為信息娛樂相關的控制器，如前座艙域控、后信息娛樂模塊、方向盤開關模塊等放在信息娛樂網段，車身控制相關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段。同樣，動力網段由于控制器數量較多且短周期幀較多，也可以將動力網段分為2個，從而進行信號分流，達到優化網絡負載的目的。信息娛樂域和動力域總線擴展示意如圖4所示。

2.2 更改總線類型

當單一類型的總線因其本身固有的屬性無法提供更高的通信帶寬時，可考慮同時使用多種類型的總線提供更多的帶寬資源，如CAN、CANFD、以太網等。在使用過程中，不同的功能域根據其信號交互特點可分別采用不同的總線類型，動力、底盤、智駕、智聯（藍牙模塊、遠程通信模塊）域因其信號交互量大，且實時性要求較高，可采用CANFD作為主干網絡來提供更高的帶寬[2]。

智能座艙與智駕之間的HMI交互信息，如目標物、車道線等，如果通過CAN/CANFD傳輸，則會大量占用總線資源，因此在設計之初便可以要求智能座艙和智駕域控完成以太網相關的開發，一方面用于刷新，一方面使用以太網來分流CAN/CANFD總線上的信號。同理，高階智駕的高精定位控制器與遠程通信模塊T-Box之間的位置交互信息也可以使用以太網進行傳輸。相應的總線類型示意如圖5所示，負載優化效果如表8所示。

從表8可以看出，將大量同質化、短周期的信息轉為通過帶寬更高的以太網進行傳輸，可以達到很好的負載管控效果。

3 網絡拓撲層面

3.1 私有網絡

某些網段上的控制器過多時，可通過建立私有網絡，減少其對公共網絡的影響。如擁有多個小控制器（門模塊、組合開關模塊、氛圍燈模塊等）的車身網段，小控制器主要同本網段內的車身控制器BCM進行交互，對外交互信息比較少，因此可以通過主控制器如BCM進行對外交互。其網絡拓撲如圖6所示，網絡負載優化效果如表9所示。同樣，對于智駕域，其雷達、攝像頭等數量較多，且它們之間的信息交互主要集中在內部，因此智駕域也可以組建私有網絡，通過私有網絡傳輸內部交互的信息，剩余少量的對外交互信息可以通過公有網絡（ADAS CANFD）進行交互。

3.2 跨接網段

對于需要和多個域進行交互的控制器，如電子穩定系統（ESC）和底盤域以及動力域的信息交互量比較大，且為了保證駕駛性能，使用的信號不僅數量多，幀周期也要求比較短?；诖?，則可以將電子穩定系統設計為同時跨接底盤網段和動力網段，并且它們之間直接交互的信息可在其共有網段——動力網段上進行傳輸，無需直接交互的信息可以通過底盤網段通過網關進行傳輸，以此實現信號的合理分配，從而進一步實現對總線負載率的管控。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行跨接和分配信號[3]。如圖7、表10所示。

需要注意的是，使用跨接網段進行信號分流時，要根據信號的收發關系、控制器所在網段的負載和潛在的需求進行分配。如果控制器所在的某個網段不需要某些幀的信息，則這些信息就可以在另一個網段進行傳遞。

4 總結

本文從信號層面、總線層面和網絡拓撲層面結合項目實踐系統化地介紹了幾種車載總線帶寬資源的管控方法。

在項目實施過程中，一般要根據整車的功能規劃、控制器的選型、成本等因素綜合使用上述多種方式對總線的帶寬資源進行管控，從而達到較好的效果。在以往的多個項目中，以上方法也都進行過研究、實踐和量產，在滿足平臺化的同時有效管控總線帶寬資源，使整車網絡信號能夠穩定傳輸。

根據項目實踐并考慮到可實時性，不同的域適用的方法推薦見表11。針對變化較頻繁的車身域和智艙域，可選擇采用多種方法進行管控。而對于相對穩定的動力域和底盤域，在平臺化控制好后，在具體項目中則無需再頻繁進行優化。

在實際項目中，通過在項目之初進行網絡架構設計時采用上述方法進行管控，將信號進行預打包評估，優化后再正式打包，各個網段可以得到比較理想的總線負載率，詳見表12。

參考文獻：

[1] 蒂洛·施特賴歇特. 汽車電子/電氣架構-實時系統的建模與評價[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

[2] 趙公旗，馮寶存，趙紅玉，等． 淺談車載總線負載對網絡傳輸影響及優化[J]． 汽車電器，2015（12）：22-24.

[3] 張博君． 淺析CAN總線雙子網拓撲優化結構[J]． 火控雷達技術，2009（6）：28-32．

（編輯 凌 波）