车载控制器网络占用过高导致网络延时问题分析

吴震云，崔书浩，余世运

车载控制器网络占用过高导致网络延时问题分析

吴震云，崔书浩，余世运

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230009）

针对车载网络占用过高导致网络延时问题提出一种基于AutoSAR标准下设计的错峰发送方式。通过这种方式的实施将庞大单一任务分解成若干小任务，从而避免对资源的长期占用情况发生，降低系统时间延迟，对网络实时性和可靠性具有较好的参考意义。

车载控制器网络；错峰发送；网络延时

引言

CAN总线技术在汽车电子发展过程中起着至关重要的作用。但随着汽车电子的快速发展，总线节点增多使得总线通信量急剧增大，同时又要求被控对象反应时间进一步缩短，这使得CAN总线实时性和可靠性方面受到总线负载影响越来越明显。

一帧CAN报文从发送ECU处理好数据到接收方ECU使用数据，中间包含发送端软件处理延时时间，硬件发送时间，总线等待时间，网络传输时间，接收方数据校核时间、以及接收方软件处理时间。其中除总线等待时间受网络负载影响外，其他时间一般由ECU厂商设计方案决定。总线等待时间指标在主机厂进行网络设计应重点约束，特别是总线被单一节点占用导致等待延时时间过长问题。

本文重点阐述如何有效降低“总线等待延时时间”。

1 CAN网络延时描述

CAN通讯采用半双工通讯方式，同时采用ID仲裁机制实现数据发送优先级方案。

在此方案下当单一节点持续不断发送高优先级数据时，网络带宽将始终被此节点占用，低优先级数据将始终无法发送，形成堵塞，直到高优先级数据停止发送为止，低优先级数据才被发送出来，且此过程由硬件实现，不受软件控制。

低优先级数据发送被高优先级报文堵塞的时间，称之为网络等待延时时间。

由于CAN通讯仲裁机制下存在的固有缺陷，因此在网络架构设计之初需要对所有参与CAN通讯ECU发送数据量进行约束，避免单一ECU瞬时发送大量数据导致网络始终被单一节点占用情况发生。

2 解决方案

2.1 CAN延时设计标准

CAN通讯负载一般为网段一定时间内的平均负载，可以宏观体现网络通讯带宽占用情况，但无法体现一帧CAN数据被堵塞导致的发送延时时间。

一般汽车厂商要求总线延时时间不大于其发送周期的10%，以目前最快发送数据周期为准进行延时设计要求，即10ms周期发送的报文实际网络周期应该在9ms-11ms之间，因此除去引言描述的软件占用时间，ECU连续发送数据时占用网络时间最大不应超过1ms，否则无法保证上述10%周期延时要求。

由CAN数据链路层协议获知，一帧数据长度为8的网络数据一般由120-129比特位组成，传输时间约为0.23ms，当出现连续数据发送情况时，若出现连续5帧数据时占用总线时间即为1.15ms，超出标准要求，因此ECU每次连续发送数据量应严格控制在4帧报文以内（如每帧数据长度均不足8时，可适当放宽条件，但总数不应超出6帧）。

2.2 错峰发送方式（协议栈OffSet功能）

基于AutoSAR标准下设计的CAN网络通讯协议栈要求其通讯层（COM模块）具备设置OffSet功能，即错峰发送方式。

2.3 协议栈Com配置功能介绍

以下内容源于某公司发布的基于AutoSAR4.0标准开发的CAN通讯协议栈配置工具使用手册部分截图。

2.3.1 Com模块调度周期配置选项

通过图1“Com模块的整体配置项”中可以找到Confi -guration Time配置选项，其中Configuration Time Base[s]配置项用来配置COM调度的基准时间，单位为S。

图1 Com模块的整体配置项

（1）Configuration Rx Time Base[s]

此项用来配置Com_MainFunctionRx()被调用周期。

（2）Configuration Tx Time Base[s]

此项用来配置Com_MainFunctionTx()被调用周期。

2.3.2 Com模块OffSet配置选项

通过图2“Com模块的TxIPdu配置项”可以找到Com TxIPdu配置选项，其中Tx Mode配置项用来配置报文发送机制，有事件触发型、周期型、混合型和无发送模式，但无论哪种发送模式均提供了Time Offset配置选项，单位为S。

图2 Com模块的TxIPdu配置项

（1）Tx Mode Time Offset Factor[ms]

此项用来配置当发送模式为Periodic或mixed情况下，当Ipdu使能时，发送第一帧报文的偏移量，此值必须是Com_MainFunctionTx周期倍数。

（2）Tx Mode Time Period Factor[ms]

此项用来配置当发送模式为PERIODIC或MIXED情况时，报文发送的Cycle，此值必须为Com_MainFunctionTx的整数倍。

3 具体实施方案

当控制器出现发送数据大于4帧情况时采用错位（错峰）发送方式。即在报文发送时将报文进行分组，保证每组报文数据不大于5帧报文，同时在每组报文之间加入Offset实现错峰发送。

以下以某控制器发送5帧10ms周期数据帧，6帧20ms周期数据帧为例进行具体方案说明。

通过2.3章节描述可知，协议栈中Offset配置选项只能为调度周期整数倍，因此以下以2.5ms、5ms为基准调度周期为例进行设计描述。

3.1 2.5ms基准调度周期方案说明

将Com基准调度周期设定为2.5ms，因此可以将10ms发送周期划分为4个时间片，即10ms内可触发4次发送机制，因此可以将所有数据划分为4组进行发送。

以控制器发送11帧为例，将5帧10ms周期帧划分为A，a两组，将6帧20ms周期帧划分为B，b两组，其中A组有3帧，a组有2帧，B、b组各有3帧。将4组数据Offset配置项分别配置为：A组0ms，a组2.5ms，B组5.0ms，b组7.5ms，由此可进行网络数据时序排布，得出下表1所示Com模块发送网络数据时序图。

表1 Com模块调度周期2.5ms发送11帧数据分组发送机制表

此后控制器将按上述发送机制以20ms周期循环发送数据。

3.2 5ms基准调度周期方案说明

将Com基准调度周期设定为5ms，因此可以将10ms发送周期划分为2个时间片，即10ms内可触发2次发送机制，可以将所有数据划分为2组进行发送。

以控制器发送11帧为例，将5帧10ms周期帧划分为A组，将6帧20ms周期帧划分为B组，其中A组有5帧，B组各有6帧。将2组数据Offset分别配置为：A组0ms，B组5.0ms，由此可进行网络数据时序排布，得出下表2所示Com模块发送网络数据时序图。

表2 Com模块调度周期5ms发送11帧数据分组发送机制表

此后控制器将按上述发送机制以20ms周期循环发送数据。

3.3 错峰发送方式效果评价

通过3.1、3.2章节分析可知：当一帧优先级小于控制器所有发送报文情况下，在三种方案情况下的延时情况：

（1）在2.5ms基准调度和Offset配置情况下：最大延时时间为0.69ms；

（2）在5ms基准调度和Offset配置情况下：最大延时时间为1.38ms；

（3）在不做任何发送时序处理情况下：最大延时时间为2.53ms。

4 总结

无论在网络架构设计还是控制器软件任务调度设计时，都需要考虑资源占用情况，整车厂对网络堵塞设计约束和ECU供应商需要考虑CPU任务堵塞其内在机制完全一致。

ECU设计初需要将CPU资源进行系统划分，实现调度机制，同时要避免单一庞大任务对CPU长期占用，得益于CPU中断触发机制，可以及时实现任务间切换，降低堵塞产生的延时风险，除此之外，设计方也需要将庞大单一任务进行拆分，从而形成若干个时序不连续的子任务，在设计上实现有效降低任务抢断情况发生概率。

而CAN通讯目前没有中断触发机制，当单一节点网络数据持续发送时，因为相关控制器发送报文优先级高，往往导致总线长期被占用。针对此情况，采用错峰发送方式用于软件任务中将庞大单一任务解成若干小任务，可避免单一任务对资源的长期占用情况发生，降低系统时间延迟。

Research on Network Delay Caused By High Network Occupancy Of The Vehicle Controller

Wu Zhenyun, Cui Shuhao, Yu Shiyun

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd., Anhui Hefei 230009 )

Consideringthe problem of network delay caused by the high occupancy of the vehicle network, a method of staggered transmission based on the AutoSAR standard is proposed.The implementation of this method decomposes a huge single task into several small tasks, so as to avoid long-term occupation of resources, reduce system time delay, and have a good reference significance for network real-time and reliability.

Vehicle network; Staggered transmission method; High network occupancy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.009

U461.99

A

1671-7988(2021)06-26-03

U461.99

A

1671-7988(2021)06-26-03

吴震云，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。