商用車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計探討

吳成東

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

輕卡部分出口項目配置要求持續(xù)提升，已經(jīng)配置自動擋和AEB，并逐步增加L2自動駕駛部件。目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計簡單延續(xù)老產(chǎn)品的方案——單網(wǎng)段，所有CAN節(jié)點均在一個網(wǎng)段上，主要存在的問題是通信負(fù)載率較高，達(dá)到70%以上。由于CAN通信采用仲裁機制，當(dāng)幾個節(jié)點同時往總線上發(fā)送報文時，優(yōu)先級低的節(jié)點會出現(xiàn)丟幀的風(fēng)險，實車測試出現(xiàn)故障。

J1939協(xié)議將ECU之間的通信標(biāo)準(zhǔn)化，為不同的供應(yīng)商提供了一種通用的語言。根據(jù)常見的功能，定義相關(guān)信號，信號的長度、精度、偏移量、數(shù)值范圍、初始值等均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。對報文類型、周期、ID等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的定義，對信號在報文中的位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，而乘用車都是使用OEM自定義的應(yīng)用層。J1939的比特率通常為250kb/s，擁有18位擴展標(biāo)識符，共29位標(biāo)識符。

2 商用車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計概述

通信負(fù)載率的定義：1s內(nèi)總線傳輸數(shù)據(jù)所占帶寬的百分比。

通信負(fù)載率=總線上單位時間（1s）內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)總量/總線傳輸速率（單位時間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）=ΣL×（1000/T）/（t×1000）×N。

式中：L——報文總長度（bit），不考慮位填充，標(biāo)準(zhǔn)幀111bit，擴展幀139bit；T——第i個報文周期，ms；N——周期為T的報文的數(shù)量；t——網(wǎng)段的通信速率，kb/s。

例如：報文周期10ms，J1939擴展報文的長度140bit，總線速率250kb/s。一個10ms的報文所占的負(fù)載率為：140×（1000ms/10ms）（b/s）/（250×1000）（b/s）=5.6%。

所有報文所占總線的負(fù)載率總和就是總線的通信負(fù)載率。其中，立即幀不納入計算，變周期的報文按照非觸發(fā)狀態(tài)的周期計算。

通信負(fù)載率一般沒有明確要求，通過測試發(fā)現(xiàn)超過60%會存在通信故障。根據(jù)通信負(fù)載率的定義和計算公式，降低通信負(fù)載率主要可以從增大報文傳輸周期、提升網(wǎng)段通信速率、減少報文數(shù)量、合理劃分網(wǎng)段等幾個方面出發(fā)，有以下具體實現(xiàn)方案。

2.2 設(shè)計思路

1）降低報文的傳輸頻率，即增大報文傳輸周期，少用10ms、20ms的短周期報文。報文傳輸?shù)念l率過快，存在總線資源上的浪費，每個報文需要從功能的需求以及控制器、傳感器、執(zhí)行器的更新速度限制條件出發(fā)確定最小更新周期。針對使用頻率不高的報文，在不使用時按照約定的機制自動停發(fā)，如立即幀，需要使用時發(fā)送控制器主動發(fā)送報文主動解除停發(fā)，可以解決周期短的報文造成總線負(fù)載率高的問題，還可以采用變周期的報文機制，目前輕卡上已有大量報文采用該策略。J1939已經(jīng)對報文類型、周期、ID進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，無法修改。

2）優(yōu)化報文數(shù)量，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)場由8個字節(jié)組成，但是加上仲裁場、控制場等標(biāo)準(zhǔn)幀長度至少111位。減少報文數(shù)量會減少大量“無用”的仲裁場和控制場數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)場方面，在滿足需求功能的前提下，為了減少控制器所需的報文，需要合理評估信號所需的精度和允許的范圍，在滿足需求的前提下精度盡量粗，范圍盡量小，減少信號所占用的位數(shù)。但另一方面，每個報文也不能夠完全被占用完，為后期做一些預(yù)留，一般空2～3個字節(jié)。目前行業(yè)正在應(yīng)用CAN-FD（CAN with Flexible DataRate）通信，數(shù)據(jù)場具備64個字節(jié)，可承載的信號更多，從而減少報文數(shù)量。但是J1939協(xié)議的報文和內(nèi)部的信號都是標(biāo)準(zhǔn)化的，無法重新打包。

3）提高通信速率，提高通信速率后單位時間內(nèi)能傳輸?shù)膱笪母唷３擞密嚨耐ㄐ潘俾视?25kb/s、250kb/s、500kb/s，目前動力、底盤和車身均使用500kb/s的通信速率。J1939協(xié)議有250kb/s和500kb/s，通信速率升級需要以網(wǎng)段為單位整體升級，短期內(nèi)實施難度較大。

4）合理劃分網(wǎng)段。CAN通信是以廣播的形式在總線上傳播，節(jié)點只接收和識別與自身有通信需求的報文，所以總線上會存在大量與自身功能無關(guān)的報文。通過劃分網(wǎng)段將有功能強相關(guān)性的節(jié)點劃分在同一個網(wǎng)段，如按照功能域劃分為動力、車身、底盤網(wǎng)段等，不同網(wǎng)段間的少量信號需求通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行報文或信號路由。另外，網(wǎng)關(guān)還可以隔離不同速率的網(wǎng)段，如動力CAN采用高速總線通信、車身CAN采用低速通信，而不通過網(wǎng)關(guān)的單一網(wǎng)段所有節(jié)點通信速率必須保持一致。網(wǎng)關(guān)可以采用獨立網(wǎng)關(guān)也可以是一個或多個控制器的集成網(wǎng)關(guān)，如燃油車BCM集成網(wǎng)關(guān)接動力底盤CAN和車身CAN，純電動車VCU接動力底盤CAN和車身CAN；混合動力車儀表和VCU作為兩個集成網(wǎng)關(guān)，儀表接底盤CAN和車身CAN，VCU 接混動CAN、底盤CAN 和電池CAN。當(dāng)前乘用車獨立網(wǎng)關(guān)與集成網(wǎng)關(guān)均是成熟方案。考慮到J1939協(xié)議已經(jīng)對報文及信號做標(biāo)準(zhǔn)化定義，網(wǎng)關(guān)只能采用報文路由，否則新增ID或改變周期后接收節(jié)點無法識別。

5）控制器帶多路CAN接口或子CAN/LIN。減少單一的主干通信，通過子網(wǎng)分擔(dān)主干的通信負(fù)載，但需要控制器硬件平臺具備相應(yīng)的接口。48V混動系統(tǒng)采用EMS子CAN內(nèi)部通信，EMS兼做HVCU功能。BSD的主雷達(dá)與從雷達(dá)之間通過子CAN通信。傳感器、開關(guān)和執(zhí)行器一般通過LIN與主節(jié)點通信，采用主從通信方式由主節(jié)點對其調(diào)度，如雨量傳感器、方向盤開關(guān)、天窗電機等。

當(dāng)前由于通信協(xié)議無法整體升級，控制器軟件、硬件也無法變動，通過劃分網(wǎng)段來解決通信負(fù)載率問題較直接和有效。

2.3 設(shè)計方案

當(dāng)前方案的評估：只有一個網(wǎng)段，詳細(xì)的CAN節(jié)點如圖1所示。

圖1 單網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

單網(wǎng)段總線架構(gòu)在過去很長一段時間內(nèi)滿足商用車的配置需要，系統(tǒng)成本控制較好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。各節(jié)點的診斷可以延續(xù)K線。單網(wǎng)段通信負(fù)載率計算見表1。

表1 單網(wǎng)段通信負(fù)載率計算

按照擴展報文長度140bit計算，考慮實車狀態(tài)和技術(shù)文件，負(fù)載率達(dá)到74%。

2.3.1 方案1：雙網(wǎng)段

劃分為兩個網(wǎng)段，動力底盤CAN和車身信息CAN。其中動力CAN是將實時性要求高、信息共享關(guān)聯(lián)大的節(jié)點互聯(lián)在一起，車身CAN由車身部件和其他實時性要求相對較低的節(jié)點組成。網(wǎng)關(guān)可以是實物節(jié)點也可以是虛擬節(jié)點集成在某控制單元中，如BCM、ICM、VCU等供應(yīng)商體系完善、自主的軟件開發(fā)能夠掌控可以采用集成網(wǎng)關(guān)。如果沒有節(jié)點具備集成網(wǎng)關(guān)的平臺或供應(yīng)商沒有開發(fā)集成網(wǎng)關(guān)的能力，可以引入獨立網(wǎng)關(guān)GW，只做信號或報文路由功能。各節(jié)點的軟件均不變動，跨網(wǎng)段的信號需求均通過網(wǎng)關(guān)路由。網(wǎng)關(guān)不需要獨立的診斷CAN，PCAN和BCAN均接到OBD口，設(shè)備直接診斷，網(wǎng)關(guān)本身在BCAN上診斷。雙網(wǎng)段拓?fù)鋱D詳見圖2。雙網(wǎng)段通信負(fù)載率計算見表2。

表2 雙網(wǎng)段通信負(fù)載率計算

圖2 雙網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

2.3.2 方案2：多網(wǎng)段

考慮到新增L2 輔助駕駛、純電動或混合動力等配置，對動力底盤CAN做進(jìn)一步劃分，形成動力CAN、底盤CAN和車身信息CAN共3個網(wǎng)段。采用獨立網(wǎng)關(guān)GW，只做信號或報文路由功能。各節(jié)點的軟件均不變動，跨網(wǎng)段的信號需求均通過網(wǎng)關(guān)路由。網(wǎng)關(guān)新增獨立的診斷CAN，PCAN和DCAN均接到OBD口，設(shè)備直接診斷PCAN，CCAN和BCAN通過DCAN網(wǎng)關(guān)路由診斷。以燃油車為例，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。多網(wǎng)段通信負(fù)載率計算見表3。

表3 多網(wǎng)段通信負(fù)載率計算

圖3 多網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

該方案的擴展性強，硬件成本相對于方案一增加不多，考慮到后期的ADAS擴展。另外，對于商用車會有大量后裝的終端和改裝，可以考慮從網(wǎng)關(guān)單獨引出一路用于后裝，避免后裝件品質(zhì)參差不齊影響到整車的網(wǎng)絡(luò)，確保車輛安全性。還可以以網(wǎng)段為單位進(jìn)行“提速”，將動力CAN通信速率提升到500kb/s。

2.3.3 方案3：集成網(wǎng)關(guān)+多網(wǎng)段

集成網(wǎng)關(guān)一般只具備兩個CAN接口，實現(xiàn)3路CAN的方案可以采用兩個集成網(wǎng)關(guān)，主要考慮變動情況和集成網(wǎng)關(guān)的軟件開發(fā)能力。集成網(wǎng)關(guān)多網(wǎng)段總線拓?fù)湟妶D4。

圖4 集成網(wǎng)關(guān)多網(wǎng)段總線拓?fù)鋱D

3 結(jié)論

方案1可以滿足當(dāng)前的燃油車開發(fā)需求。如果同步考慮純電動車開發(fā)和網(wǎng)關(guān)軟件的通用化，建議采用方案2。

本文考慮到商用車ECU通信軟件不能變動，網(wǎng)關(guān)均采用報文路由，對網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)要求降低。如果控制器軟件可以重新開發(fā)，采用信號路由將會進(jìn)一步降低通信負(fù)載率。