基于CANoe整车网络负载率仿真与实车网络周期一致性测试验证研究

龚 晖，谢 甦，夏永强，赵能卿，刘 婷，涂将辉，胡鹏飞

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330001）

整车CAN总线技术已经提出有30多年，CAN总线技术因其具有可靠性、实时性、灵活性等诸多优点应用广泛且日渐成熟，CAN是一种串行通信方式实现整车通信［1］。常用的高速CAN波特率为500 kb／s，一般具有通信速率高、实时性要求高以及安全等级高等特点，负载率的定义为实际数据传输速率和理论上能达到的数据传输速率的比值［2］。实际上负载率的含义为在时间上资源被使用的情况。负载率过高，容易产生网络拥堵、信号传输延迟、报文传输丢失等情况［3］。因此，负载率过高，严重影响了整车节点模块之间的通信，会导致通信失败的情况。本文对某车型开发的总线网络的总线负载率进行仿真测试，基于CANoe在实车上测试网络通信的稳定性。根据测试结果对问题逐个分析，并提出因负载率引起的问题解决方案。

1 整车网络拓扑开发

某轻型商用汽车的网络拓扑设计，结合了整车网络节点功能需求、速度需求、子系统划分的原则。建立以独立网关为核心的4网段网络拓扑结构，设计的汽车整体网络节点拓扑如图1所示。这4路CAN分别为车身CAN、动力CAN、底盘CAN、TBOX CAN。基于功能和网络要求设计整车网络信号矩阵。根据已经开发好的信号矩阵，利用信号矩阵工具生成DBC文件。

图1 网络拓扑图

2 网络负载率仿真分析与实车测试

使用网络负载率仿真软件CANoe创建仿真环境，将各个节点模块的信号加载到仿真平台中，分别建立各路网段的网络负载率平台，虚拟节点可以模拟发出对应真实节点的报文。图2为车身CAN的仿真环境，图3为动力CAN的仿真环境，图4为TBOX CAN的仿真环境，图5为底盘 CAN的仿真环境。

图2 车身CAN的仿真环境

图3 动力CAN的仿真环境

分别仿真每个网段的网络负载率，得到如表1的各个网段的网络负载率，并利用CANoe采集实车的网络信号数据，得到整车实际的负载率。

图4 TBOX CAN的仿真环境

图5 底盘 CAN的仿真环境

表1 整车负载率仿真统计与实车负载率统计

根据上述仿真分析得到的网络数据结果表明：①仿真结果和实车测试结果基本吻合，仿真的负载率略低于整车实际的负载率；②车身CAN、TBOX CAN、底盘CAN的总线负载率较低，满足整车的通信要求；③设计的动力CAN负载率高于50%，根据经验，负载率较高，正常负载率应控制在50%以内，负载率高于50%存在报文传输延迟、丢帧等通信不稳定的情况出现。因此，此网络设计需要优化。

3 整车网络周期一致性测试

在整车网络开发阶段，网络测试是必不可少的一部分，其中动态网络测试很容易测试出网络的通信问题，为整车网络开发提供有效的测试验证［4］。负载率过高容易导致报文传输延迟、丢帧等通信不稳定的情况出现，为了验证当前负载率对整车网络通信稳定性的影响，动态网络测试可测试车辆行驶过程中匀速行驶过程、加速／制动过程、大功率负载动作过程、射频装置工作过程、高环路面、FCPA路面、高速、特殊路面、坏路、平路、起伏路等各种环境下的测试，监控网络发送周期与整车网络开发要求是否一致，同时也能检验出网络通信是否稳定。基于以上工况，分别进行各种工况为期2h的路试测试，并基于CANoe工具监控4路网段的报文发送周期是否与整车设计网络周期一致。

利用CANoe软件建立工程进行自动监控报文并实时跟踪报文周期，建立的工程自动识别信号矩阵中的模块信号。CANoe软件监控总线发送报文周期是否超出10%，超出这个范围则记录下来，网络报文周期一致性测试模型如图6所示，根据数据统计得到表2中的问题。

图6 网络报文周期一致性测试模型

表2 报文周期一致性测试问题统计

从目前测试结果分析：有很多报文周期延时的情况，如动力CAN上的0x142、0x281等报文出现延时，延时超过10%以上；另外网关转发的0x111、0x213、0x321、0x270、0x325等报文有时间延迟出现。经确认，介于动力CAN总线负载率平均值在50%以上，导致报文周期延时，比如以0x325为例，PEPS发送的325报文，EMS需要接收PEPS发送的0x325报文，会影响到EMS节点的RC校验，因为EMS采集的当前值有可能是上个周期的值，这样就会造成循环对比错误。

4 网络总线负载率优化

4.1 网络总线优化方案

基于动力CAN负载率过高导致网络通信延时的问题，目前唯一的解决办法就是优化网络，使得网络负载率尽可能低。目前优化负载率的方法有很多，如降低报文占用时间、报文周期调整、网络拓扑结构的优化、网络类型调整等方式［5］。后面两种方式均能有效降低总线负载，但是从工程角度来说，考虑到这两种方式成本较高，主要采用降低报文占用时间、调整周期这两种方法。具体实施方法有如下几种。

1）考虑到很多报文通过网关转发，其所占的时间累加较多，但一整帧报文转发并非所有的信号都需要，因此将多帧转发报文合并成一帧报文，另外还有两帧报文存在设计冗余，可以取消报文转发。这样大大降低报文转发。

2）对逐个信号进行分析，调整过多占用位数的精度信号，尽量将信号排布在一帧报文中，避免出现空余位未填充的情况。

3）对逐个报文周期进行分析，调整信号发送周期，适当将周期时间延长。

4）对优先级比较重要的信号重点关注，功能等级要求低的信号偶尔出现延迟不影响功能使用信号适当调低报文优先级。

4.2 网络总线优化负载率后对比

基于上述的几种方法，降低动力CAN的负载率，优化之前实车测试负载率数据为56.95%，当前实车测试的负载率有47.04%左右。同时路试跟踪整车网络的稳定性，之前出现的问题基本解决，未出现上一节中描述的问题。说明负载率过高导致的报文周期一致性问题得到有效改善，网络优化方案效果明显。如图7所示。

5 结论

图7 动力CAN总线负载率实车测试

随着整车功能的丰富、主被动安全技术的应用、排放升级等整车功能需求增加，整车的电子电器模块节点也越来越多，所以对整车网络负载率的研究愈发重要。基于开发的网络分别进行网络负载率仿真，实车测试每一路CAN的负载率。同时，通过整车路试测试进行网络通信报文周期一致性分析，结果表明：负载率过高，容易产生实际报文周期与设计周期相比有延迟的情况。根据实际工程需求，采取行之有效的措施降低动力CAN的总线负载率，对比优化前后的网络负载率以及网络通信情况，负载率降低能增加网络通信稳定性。