CN111464396A - Can总线负载率异常预警的方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CAN总线负载率异常预警方法，该方法通过连接到CAN总线的电子设备执行，包括以下步骤：记录在所述CAN总线上传输的报文；在所述CAN总线通信期间，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率；比较所述负载率与负载率阈值，以确定所述负载率是否异常；和/或比较所述负载率的变化率与负载率变化率阈值，以确定所述负载率是否异常。

Description

CAN总线负载率异常预警的方法及电子设备

技术领域

本发明主要涉及控制器局域网(Controller Area Network，简称CAN) 网络通信技术领域，尤其涉及一种CAN总线负载率异常预警的方法及电子设备。

背景技术

在CAN总线通讯过程中，使用某个固定波特率(例如：500Kbps)的情况下，控制器正常通讯时，总线的平均负载率一般在某个固定范围内小幅度波动。当总线通信出错时(例如：电磁干扰产生错误帧)，由于CAN 本身的重传机制会导致总线的瞬时负载率会突然增大，导致总线的瞬时负载率远大于平均负载率，在这种情况下通过统计负载率的变化，即可以明确此时CAN总线通信出现故障。

目前已知的对CAN总线负载率的统计方法是在控制局域网网络结构中监控整个网络的运行状态，该计算方法中网络管理节点根据各节点发送的数据帧数量来计算一个时间周期内的网络负载。假设报文以定周期发送，总线上的报文只有数据帧一种类型，不存在远程帧、错误帧和过载帧这三种类型，则对于总线标准位速率为500kbps的高速CAN总线，所统计的网络负载是通过以下公式计算得到的：

每帧负载率＝[该帧总长度(bit)/(1s*500000bit/s)]*100％

网络负载率＝单位时间内网络中各帧负载率累加之和

现有的CAN总线网络在负载率过高时无预警机制，不能及时通告总线负载率的异常情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种CAN总线负载率异常预警的方法及电子设备，其能够及时通告总线负载率的异常情况。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种CAN总线负载率异常预警的方法，该方法通过连接到CAN总线的记录仪执行，包括以下步骤：记录在所述CAN总线上传输的报文；在所述CAN总线通信期间，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率；比较所述负载率与负载率阈值，以确定所述负载率是否异常；和/或比较所述负载率的变化率与负载率变化率阈值，以确定所述负载率是否异常。

在本发明的一实施例中，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率的方法包括使用填充位数。

在本发明的一实施例中，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率的方法包括：使用填充位数、字节长度和控制位总位数计算报文总长度；使用所述报文总长度和波特率下的位时间计算报文的总线占用时间；使用报文的总线占用时间和单位时间计算信息帧负载率；以及加总各个信息帧负载率，得到所述负载率。

在本发明的一实施例中，计算所述填充位数的方法包括：

其中N为填充位数，g为CAN报文中控制位总位数，d为字节长度，[]为取整。

在本发明的一实施例中，所述CAN总线负载率异常预警方法还包括根据预先分析的所述CAN总线的负载率，以确定所述负载率门限阈值。

在本发明的一实施例中，预先分析所述CAN总线的负载率，以确定所述负载率门限阈值的步骤包括：预先分析所述CAN总线在预设时间内的负载率，并参考所述预设时间内的最大负载率确定所述负载率门限阈值。

在本发明的一实施例中，所述CAN总线负载率异常预警方法还包括在所述负载率异常时，记录所述CAN总线上的错误帧。

在本发明还提出了一种用于CAN总线负载率异常预警的电子设备，包括处理器、存储器和计算机程序。计算机程序，所述计算机程序被所述处理器调用时执行上述任一实施例中所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的CAN总线负载率异常预警的方法中，加入了比较负载率的变化率与负载率变化率阈值的方法，该方法能够及时发现CAN总线异常。

(2)本发明的CAN总线负载率异常预警的方法中，CAN总线负载率的计算方法增加了对填充位数的计算和使用，从而使统计出来的CAN总线负载率更加接近实际CAN总线负载率，使得CAN总线负载率的异常判断更加及时和准确。

(3)本发明的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备作为CAN总线的一个节点接入CAN总线网络，该连接并不会影响连接至CAN总线的其他ECU的正常通信和CAN总线的负载率，同时电子设备可以对CAN总线负载率进行实时统计和对CAN总线上收发的报文进行实时统计和分析。

(4)本发明的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备长期对CAN 总线负载率进行精确统计，可以使后期变更网络拓扑的风险降低，提高用户的相关项目进度。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是本发明一实施例中的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备的结构示意图。

图2是本发明一实施例中的一种CAN总线负载率异常预警方法的流程图。

图3是本发明一实施例中的CAN总线数据帧的组成示意图。

图4是本发明一实施例中的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备的应用场景。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

图1是本发明一实施例中的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备的结构示意图。如图1所示，电子设备1包括处理器10、存储器11、CAN 总线收发器12、CAN总线控制器13和计算机程序。电子设备1可以连接到车辆CAN总线上，用于CAN总线负载率异常预警和对车辆CAN总线的数据进行记录。

电子设备1可以作为CAN总线的一个节点接入CAN总线网络。CAN 总线收发器12可以从CAN总线网络接收报文，并发送到CAN总线控制器 13中。

CAN总线控制器13直接连接处理器10，进一步将报文发送给处理器 10。电子设备12的连接并不会影响连接至CAN总线的其他ECU的正常通信，而且电子设备只对CAN总线的数据进行记录，并不主动发送报文，电子设备1的接入并不会增加CAN总线的负载率。

计算机程序可以存储在存储器11中，存储器11连接至处理器10。计算机程序被加载到处理器10中执行时可以实现一种CAN总线负载率异常预警方法，该方法实现电子设备1的CAN总线负载率异常预警功能。

图2是本发明一实施例中的一种CAN总线负载率异常预警方法的流程图。CAN总线负载率异常预警方法可以通过上述实施例中的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备执行。如图2所示，CAN总线负载率异常预警方法包括以下步骤：

步骤101：记录在CAN总线上传输的报文；

步骤102：在CAN总线通信期间，根据所记录的报文统计CAN总线的负载率；

步骤103：比较负载率与负载率阈值和/或比较负载率的变化率与负载率变化率阈值，以确定负载率是否异常；

步骤104：在负载率异常时，记录CAN总线上的错误帧。

在步骤101中，电子设备记录在CAN总线上传输的报文。

在步骤102中，根据所记录的报文统计CAN总线的负载率的方法包括使用填充位数。根据所记录的报文统计CAN总线的负载率的方法包括：使用填充位数、字节长度和控制位总位数计算报文总长度；使用报文总长度和波特率下的位时间计算报文的总线占用时间；使用报文的总线占用时间和单位时间计算信息帧负载率；以及加总各个信息帧负载率，得到所述负载率。

更具体地说，在本实施例中，根据所记录的报文统计CAN总线的负载率的计算公式如下：

L＝N+8d+g+13 (1)

C＝L*t (2)

U_i＝C/T (3)

在公式(1)中：L为报文总长度；N为填充位数；d为字节长度，一般地，在标准CAN总线中，d的最大取值为8；g为CAN报文中控制位总位数。

计算填充位数N的公式如下：

在公式(4)中：N是填充位数；g为CAN报文中控制位总位数；d为字节长度；[]为取整；5为按照CAN总线协议，相同电平持续5位，在下一位要插入1位与前5位反型的电平。

图3是本发明一实施例中的CAN总线数据帧的组成示意图。如图3所示，g为CAN报文中控制位总位数，取位填充部分去除数据场部分即控制位总位数g。一般地，在标准CAN总线数据帧中g＝34，在扩展CAN总线数据帧中g＝54。

在公式(2)中：C为报文的总线占用时间，L为报文总长度，t为波特率下的位时间。

在公式(3)中：U_i为信息帧负载率(i＝1，2，3……)；C为报文的总线占用时间；T为单位时间。

根据公式(1)至(4)，加总各个信息帧负载率，可以得到CAN总线的负载率。相比传统的CAN总线负载率的计算方法，本实施例中CAN总线的负载率的计算方法增加了对填充位数的计算和使用，从而使统计出来的CAN总线负载率更加接近实际CAN总线负载率。

在步骤103中，利用步骤102中统计出的CAN总线的负载率与负载率阈值进行比较。负载率阈值可以是一负载率门限阈值，也可以是由用户设定的一负载率阈值。当步骤102中统计出的CAN总线的负载率超过该负载率门限阈值，则确定CAN总线的负载率出现异常。

该负载率门限阈值可以根据预先分析的所述CAN总线的负载率来确定。预先分析所述CAN总线的负载率，以确定负载率门限阈值的步骤包括：预先分析所述CAN总线在预设时间内的负载率，例如最大负载率，并参考预设时间内的最大负载率确定负载率门限阈值。

一般地，基于对CAN总线通讯地冗余考虑，可将负载率门限阈值设为最大负载率的120％，该负载率门限阈值既不影响CAN总线的正常通讯，又可以根据该负载率门限阈值来判断负载率是否异常。

比较负载率与负载率阈值来判断CAN总线的负载率是否异常的方法，适用于对于负载率的变化所经历的时间没有要求的应用场景。例如，预设负载率门限阈值为35％，当CAN总线增加接入ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元，又称车载电脑)，CAN总线负载率从30％上升至35％，判断CAN总线负载率异常。该负载率的增长过程是一个缓慢平缓的递增变化过程，其经历的时间可以很长。

在步骤103中，利用步骤102中统计出的CAN总线的负载率计算该负载率的变化率，将该变化率与负载率变化率阈值进行比较。该负载率的变化率根据一特定时间计算，特定时间和负载率变化率阈值可以由用户设定。当该特定时间内的负载率的变化率超过该负载率变化率阈值，则确定CAN 总线的负载率出现异常。

比较负载率的变化率与负载率变化率阈值的方法，适用于用户设定的负载率阈值或负载率门限阈值过高时，负载率未达到负载率阈值但其变化率出现异常的应用场景。

由于外部环境干扰或者CAN总线的节点本身配置错误，会导致CAN 总线的报文出错，错误帧的增加会导致车载网络堵塞的风险增大。又由于 CAN总线的仲裁机制，优先级偏低的报文会因为仲裁失败而进行重传，其会导致在短时间内总线负载率的急剧增加。

例如，用户配置的负载率阈值为70％，但由于某节点配置错误导致总线负载率在短时间内由20％增加到50％，而又由于CAN总线的错误处理机制，当该节点引起的错误过多时，该节点进入总线关闭状态(Bus Off)，被总线强制退出通讯。此时CAN总线的负载率恢复到20％左右的正常水平，但由于用户将负载率门限值为设置为70％，该负载率的异常变化没有被判断为负载率出现异常。

上述过程CAN总线确实出现节点异常，因此采用比较负载率的变化率与负载率变化率阈值的方法，用户可以配置在特定时间内(例如：1min) 若CAN总线的负载率变化率超过特定值(例如：20％)，则确定CAN总线的负载率出现异常。

在步骤104中，当步骤103判断CAN总线的负载率出现异常，记录 CAN总线上的错误帧。

当判断CAN总线的负载率出现异常，表明网络通讯质量下降，可以推测CAN总线上出现错误帧，因此对CAN总线上的错误帧进行记录。用户可以通过查看CAN总线的原始错误帧来推测节点的工作状态，错误帧的记录可以帮助用户快速找到出故障的节点。

图4是本发明一实施例中的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备的应用场景。如图4所示，CAN总线2上连接多个ECU 3(Electronic Control Unit，电子控制单元，又称车载电脑)和电子设备1。电子设备1用于CAN 总线负载率异常预警和对车辆CAN总线的数据进行记录。

电子设备1可以是如图1所示的电子设备，包括处理器10、存储器11、 CAN总线收发器12、CAN总线控制器13和计算机程序。计算机程序可以存储在存储器11中，存储器11连接至处理器10。计算机程序被处理器调用时可以执行上述实施例中的CAN总线负载率异常预警方法，该方法实现电子设备1的CAN总线负载率异常预警功能。

电子设备1可以作为CAN总线2的一个节点接入CAN总线网络。电子设备12的连接并不会影响连接至CAN总线的其他ECU的正常通信和 CAN总线的负载率。

电子设备1接入CAN网络后，由于CAN是总线型网络，所以电子设备1可以监听记录CAN总线上其他节点发送的所有数据，继而对报文进行统计和分析。

电子设备1可以远程或本地连接至例如计算机4的上位机，用户通过计算机4上安装的相应配置软件来对电子设备1的各项可调参数进行配置。为此，电子设备1可包括以太网接口。电子设备1的各项可调参数可以包括上述实施例中的CAN总线负载率异常预警方法中涉及的负载率阈值、负载率变化率阈值、特定时间或其他相关参数。

当CAN总线负载率异常预警方法判断出负载率出现异常，电子设备1 记录CAN总线上的错误帧，同时电子设备1触发预警。电子设备1将预警上报给用户个人的计算机4的配置软件，并将错误帧的记录文件上传到计算机4。

本发明上述实施例中的CAN总线负载率异常预警的方法及用于CAN总线负载率异常预警的电子设备相对于现有技术有以下优点：

(1)本发明的CAN总线负载率异常预警的方法中，加入了比较负载率的变化率与负载率变化率阈值的方法，该方法能够及时发现CAN总线异常。

(2)本发明的CAN总线负载率异常预警的方法中，CAN总线负载率的计算方法增加了对填充位数的计算和使用，从而使统计出来的CAN总线负载率更加接近实际CAN总线负载率，使得CAN总线负载率的异常判断更加及时和准确。

(3)本发明的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备作为CAN总线2的一个节点接入CAN总线网络，该连接并不会影响连接至CAN总线的其他ECU的正常通信和CAN总线的负载率，同时电子设备可以对CAN 总线负载率进行实时统计和对CAN总线上收发的报文进行实时统计和分析。

(4)本发明的用于CAN总线负载率异常预警的电子设备长期对CAN 总线负载率进行精确统计，可以使后期变更网络拓扑的风险降低，提高用户的相关项目进度。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种CAN总线负载率异常预警方法，通过连接到CAN总线的电子设备执行，所述方法包括以下步骤：

记录在所述CAN总线上传输的报文；

在所述CAN总线通信期间，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率；

比较所述负载率与负载率阈值，以确定所述负载率是否异常；和/或比较所述负载率的变化率与负载率变化率阈值，以确定所述负载率是否异常。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率的方法包括使用填充位数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所记录的报文统计所述CAN总线的负载率的方法包括：

使用填充位数、字节长度和控制位总位数计算报文总长度；

使用所述报文总长度和波特率下的位时间计算报文的总线占用时间；

使用报文的总线占用时间和单位时间计算信息帧负载率；以及

加总各个信息帧负载率，得到所述负载率。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算所述填充位数的方法包括：

其中N为填充位数，g为CAN报文中控制位总位数，d为字节长度，[]为取整。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据预先分析所述CAN总线的负载率，以确定所述负载率门限阈值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，预先分析所述CAN总线的负载率，以确定所述负载率门限阈值的步骤包括：预先分析所述CAN总线在预设时间内的负载率，并参考所述预设时间内的最大负载率确定所述负载率门限阈值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述负载率异常时，记录所述CAN总线上的错误帧。

8.一种用于CAN总线负载率异常预警的电子设备，包括：

处理器；

存储器；

计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时执行上述权利要求1至7任一项所述的方法。

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