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

何曄 陳健 楊楠 陳翔 鄭少彬

摘要：針對列車三取二邏輯控制單元產(chǎn)品采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)進行內(nèi)部、外部通信，產(chǎn)生大量通信過程數(shù)據(jù)的情況，分析了CAN總線質(zhì)量對通信數(shù)據(jù)可能造成的干擾，提出一種更高效的CAN通信智能監(jiān)測方法。目前經(jīng)過測試，該三取二LCU系統(tǒng)已示范應(yīng)用于廣州市軌道交通二十一號線兩列車，應(yīng)用情況良好。

關(guān)鍵詞：城軌列車;三取二邏輯控制單元;CAN通信數(shù)據(jù)測試技術(shù);機器學習

0 ? ?引言

城軌列車三取二LCU為實時同步控制系統(tǒng)，各模塊間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）進行數(shù)據(jù)共享，這些數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量直接關(guān)系到LCU系統(tǒng)運行的正確性和穩(wěn)定性。LCU的存儲模塊，由于存儲空間限制，只能記錄LCU輸入、輸出、故障等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不能對系統(tǒng)整體協(xié)議做出符合性檢測。人工分析雖然能夠在明確目標時針對性找出錯誤，但針對海量報文會耗費大量人力和時間。同時，LCU在不同配置下會產(chǎn)生不同報文，人工分析不具備經(jīng)濟可行性。軟件應(yīng)能自動、實時監(jiān)測通信報文，識別出與協(xié)議不符的報文、錯包、重包、亂序、篡改等錯誤，解決人工分析重復性、準確性、適應(yīng)性差，效率低等問題。

1 ? ?通信架構(gòu)與CAN通信報文設(shè)計思想

三取二LCU包含三類通信總線：級聯(lián)CAN總線、組間CAN總線、組內(nèi)CAN總線。級聯(lián)CAN總線用于多個LCU間數(shù)據(jù)通信;組間CAN總線用于單臺LCU內(nèi)部主控板、IO板、CAN板、MVB板不同功能板卡間數(shù)據(jù)通信;組內(nèi)CAN總線用于LCU同組功能板卡間通信。

為防止通信報文在通信過程中發(fā)生重復、刪除、插入、重排序、損壞、延時錯誤，影響LCU功能和性能，三取二LCU級聯(lián)CAN、組間CAN、組內(nèi)CAN通信協(xié)議均采用了序列號、報文校驗、超時識別等防護措施。

2 ? ?通信智能監(jiān)測軟件架構(gòu)

三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件按功能分為通信報文采集處理模塊、通信報文智能分析模塊、UI模塊。配合軟件工作的外部設(shè)備還包括CAN通信終端。

2.1 ? ?通信報文采集處理模塊

2.1.1 ? ?功能

智能監(jiān)測軟件可以連接三取二LCU級聯(lián)CAN總線、組間CAN總線、組內(nèi)CAN總線，智能識別和關(guān)聯(lián)相應(yīng)CAN總線。連接CAN通信終端后，智能監(jiān)測軟件根據(jù)配置數(shù)據(jù)，自動采集相應(yīng)報文，并將采集的報文按照采集到的時間先后順序存儲，供智能分析模塊分析。

2.1.2 ? ?結(jié)構(gòu)

通信報文采集處理模塊分為CAN報文采集、CAN報文存儲。CAN報文采集通過連接到CAN總線的CAN通信終端接收CAN報文，并為CAN報文打時間戳。CAN報文存儲將CAN報文ID、報文數(shù)據(jù)、報文時間戳存儲到數(shù)據(jù)庫。

2.2 ? ?通信報文智能分析模塊

2.2.1 ? ?功能

三取二LCU根據(jù)應(yīng)用場景不同，其配置的IO板組數(shù)存在差異，不同配置的LCU在級聯(lián)CAN、組間CAN、組內(nèi)CAN的通信報文的時間間隔、報文ID、報文數(shù)據(jù)量會產(chǎn)生較大差異。三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件通過智能學習，以CAN通信協(xié)議為基準，從LCU被測CAN總線采集的訓練報文樣本為輸入，智能生成CAN總線通信模型，比如各報文期望間隔、數(shù)據(jù)期望內(nèi)容等，供對應(yīng)LCU的該CAN總線通信海量數(shù)據(jù)分析使用。

離線分析：先將采集的通信報文存儲起來，智能分析系統(tǒng)不與LCU聯(lián)機的情況下，分析存儲的通信報文。離線模式常用于LCU在地鐵車輛運行、環(huán)境試驗等不方便實時監(jiān)控的時候。

2.2.2 ? ?智能學習模塊

智能學習模塊通過逐條提取CAN報文學習樣本中的CAN ID加數(shù)據(jù)內(nèi)容，去除重復部分后，將該條CAN報文ID與CAN通信協(xié)議中的ID對比，當ID合法時，產(chǎn)生CAN通信期望周期，并將CAN ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容、期望周期輸出至智能監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)期望區(qū)。當ID非法時，向UI模塊輸出錯誤。如此循環(huán)，直至完成CAN總線報文學習樣本解析。

2.2.3 ? ?數(shù)據(jù)分析模塊

當數(shù)據(jù)分析模塊接收到來自智能學習模塊的允許運行通知及開始分析指令后，開始從最舊一個待分析CAN總線數(shù)據(jù)存儲文件進行分析。分析開始后，首先進行本文件異常ID剔除。對比來自智能學習模塊輸出的數(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。

2.3 ? ?UI模塊

監(jiān)測結(jié)果輸出用于持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊是否有異常數(shù)據(jù)報告，這些報告包括：樣本中存在非法ID、被分析文件中CAN ID與期望不一致、被分析文件中數(shù)據(jù)內(nèi)容與期望不一致、被分析文件中數(shù)據(jù)周期與期望不一致等。同時報文CAN ID、接收時間、數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容將作為唯一特征被一并記錄。這些數(shù)據(jù)將被實時顯示、刷新，并記錄在一個日志文件中，以備后續(xù)數(shù)據(jù)異常原因排查。

3 ? ?三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件對通信異常驗證測試

根據(jù)對CAN通信波形分析，如圖1所示，箭頭處CAN通信差分信號在高電平期間應(yīng)持續(xù)為1，但波形產(chǎn)生了畸變。該幀CAN報文由于數(shù)據(jù)區(qū)與校驗區(qū)不一致，導致CRC校驗錯誤，產(chǎn)生重發(fā)或丟幀現(xiàn)象。

類似地，下方CRC校驗因波形異常影響采樣點，導致校驗失敗。同樣在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)CAN報文丟幀現(xiàn)象。CAN通信波形異常導致的錯誤，會體現(xiàn)在通信成功率上，若造成校驗錯誤，可能導致CAN通信丟幀。當CAN通信接收終端采樣點處受到的干擾在同一幀報文多個波形處達到一定數(shù)量和幅度時，該幀CAN報文可能由于數(shù)據(jù)區(qū)與校驗區(qū)同時受干擾，導致CRC校驗異常通過，將產(chǎn)生CAN報文數(shù)據(jù)跳變，通過監(jiān)測軟件測試，該異常表現(xiàn)為報文數(shù)據(jù)異常。

對報文數(shù)據(jù)異常的設(shè)備進行眼圖測試，發(fā)現(xiàn)CAN通信上升沿、下降沿散亂，影響采樣點，其表現(xiàn)為CAN通信波形眼圖不收斂，長時間監(jiān)測仍然離散形態(tài)。在較高總線負載下，易導致CAN通信丟幀、數(shù)據(jù)跳變等問題。

眼圖不收斂的現(xiàn)象經(jīng)過充分調(diào)測，CAN通信波形眼圖可表現(xiàn)為清晰、收斂。相同環(huán)境下運行測試，其長時間監(jiān)測丟包率等于0。同時通過智能監(jiān)測軟件再次測試，丟幀、數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

4 ? ?結(jié)語

本文針對城軌列車三取二LCU提出一種更高效、更準確的CAN數(shù)據(jù)監(jiān)測分析方法——基于軟件智能學習的CAN通信智能監(jiān)測軟件。通過學習、提取樣本報文，實現(xiàn)快速、低成本的對CAN通信報文的監(jiān)測，提升了三取二LCU在單板測試、集成測試、裝車聯(lián)調(diào)、初期運營等不同運用、調(diào)測階段定位和排除CAN通信問題的效率。

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收稿日期：2020-08-03

作者簡介：何曄（1964—），男，廣東廣州人，教授級高工，研究方向：城市軌道交通車輛技術(shù)。