基于CAN总线的车辆ECU在线管理系统研究

周红英

基于CAN总线的车辆ECU在线管理系统研究

周红英

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

随着整车电气控制器逐渐增多，基于独立网关的网络架构应用广泛，网关成为各网段间信息交互中心，由于各节点不在同一网段，跨总线网段通讯交互的CAN节点存在无法准确获知交互节点在线状态的问题，从而导致功能出现异常，同时也会导致控制器误报故障码和误报警，给车售后维修造成误导。文章提出一种CAN控制器节点在线管理方法，可有效监控个各节点在线状态，并通过CAN报文的方式广播于网络各节点，使各节点实时掌握交互节点的在线状态，以此来判断交互信息的有效性，可大大提高对各交互数据使用的正确性，同时对网络各节点进行在线诊断，记录节点丢失故障码，便于售后快速锁定故障节点，提高维修效率。

CAN；在线管理；在线诊断

引言

随着汽车的智能化、网络化使得整车控制器数量迅速增加，特别是网关技术的应用，使得车辆CAN总线拓扑更加复杂[1]，在新的网络架构中网关往往包括了多个CAN接口接入不同的CAN网段，实现各不同网段间数据的实时交互[2]。

车辆使用一段时间后由于多种原因会偶发出现因CAN线断开而报文未能成功发送至CAN总线上的情况，我们称其为离线状态，此时与该节点交互的控制器则会存节点丢失故障码甚至向仪表发送报警信号。如果不能正确获取各交互节点在线状态，不仅会导致功能出现异常，同时也会导致控制器误报故障码和误报警，给车售后维修造成误导。

1 汽车CAN网络管理现状

目前，汽车CAN网络管理规范整体都依据OSEK/ VDXNM标准，该标准包括实时操作系统（OSEK OS）、通讯子系统（OSEK OS）和网络管理系统（OSEK NM）三个部分，其中OSEK NM规范中定义有两种网络管理机制：直接网络管理和间接网络管理[3]。

（1）直接网络管理是通过令牌环形成网络状态的监控。每个网络上的节点被定义唯一的识别标识符，消息自低地址节点向高地址节点发送，再由最高节点传回最低节点，形成一个环，称之为逻辑环（1ogical ring）。OSEK NM消息以网络广播方式传输，网络中的每一个节点被其他节点所监控。这种监控方式的特点是：可靠性高，但需要时间长，每个节点都要定义对应的网络管理报文，网络负荷大。

（2）间接网络管理是通过逻辑主节点对其他节点应用报文的发送和接收状态进行监控，从而实现网络管理[4]。间接网络管理不用定义特有的网络管理报文，可通过判断周期帧来判断网络节点的状态，适用于主ECU节点，其特点为负载小，执行限制少，是直接网路管理的有效补充。

2 传统网关路由方式

路由功能是网关的核心功能，路由功能指的是将一条网络（源网络）上接收到的信息，按照路由表中预先定义的规则，转发送到另一条网络（目标网络）中，实现不同网络间信息共享的功能。

在多总线网络拓扑结构中，如图1：网关根据各CAN总线上节点的数据需求进行CAN数据的路由，路由的方式分周期帧路由和事件帧路由。

周期帧路由：网关从源网段接收到报文，可进行CAN标识符、报文周期、报文长度、发送模式等属性更改，以及从多帧报文中获取需要路由的信号，并重新排布以固定的周期进行发送。

事件帧路由：从源网关接收到数据帧则发送一次，未接收则不发送，其中网关对接收到报文不作任何的更改。

当源网段节点丢失后，对于周期路由的信号网关依然会周期发送数据，此时目标接收节点将不知道源网段节点已丢失，因此导致目标接收节点误认为源网关节点依然在线，仍然使用接收到的数据导致车辆功能异常；对于事件帧路由的报文虽然源节点丢失后网关将不进行路由，但此时有可能是源节点在线，而网关不在线导致未路由报文从而导致目标节点误认为源网段节点丢失。因此在多条总线的网络结构中，跨总线通讯交互的节点间将无法准确获知交互节点的在线状态，从而导致功能出现异常，同时也会导致控制器误报故障码和误报警，给车售后维修造成误导。

图1 多总线网络拓扑

3 CAN控制器在线管理方法

为了确保整车网络通讯更加可靠、节能，能够准确掌握整车通讯状态，基于OSEK间接网络管理本文提出了一种CAN控制器在线管理方法，即定义整车网关为主节点，对整车各网段中的所有节点的在线状态进行监控，并将监控结果反馈给网络进行信息同步。

3.1 节点报文监控

由于网关与各条CAN总线上节点直接相连，其能通过周期监测所有节点发送报文的频率来获知各节点的在线情况，因此，网关可对各条CAN总线上的子节点进行监测，并将监测结果以CAN报文实时发布到各总线上，使总线上各节点能实时获取跨总线相关节点的在线状态。

在网关中增加节点监测模块，用于监测总线上各节点在线状态，同时定义一帧节点在线状态CAN报文用于将整车各节点在线状态发送至各网段中。

图2 网关系统框图

当一个节点报文丢失超过10倍帧周期（该超时时间可自定义）时则规定该节点处于离线状态；否则则处于在线状态。

定义一帧CAN报文作为各节点在线状态报文，并存储到EPROM存储器中，报文长度为8byte共64个bit，每个bit表示一个节点的在线状态位，0表示离线，1表示在线，共可监测64个CAN节点的在线状态，根据总线节点数也可定义多个监测报文。当监测到一个节点离线时，把心跳报文中相应节点在线状态位置0，否则置1，并更新发送至总线上。

图3 报文监控流程

当总线上节点接收到网关发送的节点在线状态报文后，对其接收信号的源节点在线状态位进行分析，如果在线状态位为0说明该节点处于离线状态，此时网关路由的报文为无效数据；如果在线状态位为1说明该节点处于在线状态，此时网关路由的报文为有效数据，可使用；以此各总线上节点通过对跨总线交互的源节点的在线状态报文分析来知道源节点的在线状态及报文有效性，避免使用路由的无效数据导致功能异常，同时控制器也不会误报故障码或者误报警。

3.2 节点在线诊断

节点在线诊断主要是对整车各个网络节点的离线故障进行记录，便于维修人员读取。

当网络处于激活状态时，网关控制器实时监控该网络上所有节点状态，可以通过使用该节点周期发送的报文状态实现对节点监控：

诊断原则：1）当节点存在多条周期报文时，选择周期最小的报文作为节点检测的监控对象；2）当节点存在多条最小周期报文时，选择ID较小的周期报文作为节点检测的监控对象；3）当总线出现故障情况下（不限于高低压故障、BusOff故障），记录对应总线故障信息，但不应记录节点丢失故障信息。

当检测确认节点处于离线状态时，记录相应节点丢失故障码。故障代码一旦生成，将会一直保留，直到通过发送诊断指令清除，或者故障代码老化机制确定此故障不复存在。

4 结论

网关将各网段各节点在线状态信息以CAN报文的方式周期发送到各网段上，可使汽车中跨总线通讯交互的CAN节点可准确获知交互节点的在线状态及数据有效性，提高数据使用的准确性，降低控制器误报故障的现象。同时对整车各节点的在线状态进行诊断，并记录各节点丢失故障码，便于售后快速锁定故障节点，提高维修效率。

[1] 张铁欣.基于汽车网关平台功能的网络拓扑设计与安全研究[J].汽车电器,2017(9):22-25.

[2] 马建辉,胡代荣,郭坤.一种汽车CAN总线网关的报文接收和发送[J].现代电子技术,2018,41(11):5-7.

[3] 刘源杨,李杨,乔昕,等.一种改进的电动汽车网络管理方法和实现[J].计算机系统应用,2013,22(6):145-148.

[4] 刘泽,黄智,王敏,等.基于OSEK/VDX NM的汽车舒适性控制系统网络管理的研究[J].汽车工程,2013,35(9):145-148.

Research on Vehicle ECU Online Management System Based on CAN

ZHOU Hongying

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

As the electric controller has gradually increased, the network architecture based on the independent gateway is widely used.The gateway has become the information interaction center between the network segments. Since the nodes are not in the same network segment,the CAN node of communication interacting across bus networks has problems that cannot be accurately known interactive nodes online status, resulting in an exception in function, while also causing the controller to malfunction code and false alarm, and misleading the launch of the vehicle.This paper proposes a CAN controller node online management method, which can effectively monitor the online state of each node, broadcast through the network nodes in the way, so that each node masters the online state of the interactive node in real time, to determine the interaction. The validity of information can greatly improve the correctness of each interaction data.At the same time, the network nodes are diagnosed online, and the record nodes lose the fault code, which is convenient for quick locking fault nodes to improve the maintenance efficiency.

CAN;Online management;Online diagnosis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.021

U462.1

A

1671-7988(2021)21-89-03

U462.1

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1671-7988(2021)21-89-03

周红英，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。