CN112532495B - 一种车载can总线延时优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载CAN总线延时优化方法，从整体优化和局部优化两方面同时入手，通过对CAN总线报文传输序列进行精确分析并通过进行报文偏移量补偿来达到提升通信精确度的目的，同时通过使用一种可用于多数车载CAN总线控制系统的编码方法，较好的保证了报文传输的实时性，提高了通信执行的质量。

Description

一种车载CAN总线延时优化方法

技术领域

本发明涉及数据传输总线技术领域，具体涉及到一种车载CAN 总线延时优化方法。

背景技术

随着现代工业技术的飞速发展，如今的汽车日益智能化、网络化和自动化，越来越多的电子设备都被应用到汽车上，车身网络的单元部件也日益增加，而且彼此之间传送的信息量越来越多，所以选择实时性强的数据传输技术十分关键。CAN总线技术采用了短帧数据传输结构和CSMA/CD的总线仲裁方式，它的短帧数据结构保证了数据传输的时间短，而CSMA/CD仲裁方式保证了较高优先级报文的快速发送，所以CAN总线比一般数据传输技术有更好的实时性。

但是，随着网络结构越来越复杂和网络负载越来越高，低优先级报文与高优先级报文碰撞可能性增多，由于CAN总线固定的优先级竞争机制，低优先级的数据帧在总线竞争中仲裁失败，而且可能会发生多次重传情况，信息的传输延时变大且具有不确定性，信息传输错误和信息重传等问题日益严重，整个网络的实时性及控制性会大幅下降，导致CAN总线网络的实时性和可靠性得不到保证。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善总线报文延时情况，增加网络后续的可扩展性的CAN总线报文延时优化方法，保证车载网络信息传输的稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种车载CAN总线延时优化方法，包括：

步骤一：获取车载CAN总线特定时间范围内传输的全部报文，将全部报文按接收顺序予以排列，得到报文传输序列；

步骤二：对报文传输序列加以分析，判断报文传输序列是否满足预设条件，若满足预设条件，则进入步骤四；若不满足预设条件，则进入步骤三；

步骤三：对报文传输序列执行报文标识符整体优化，直至满足步骤二中的预设条件；

步骤四：报文偏移量补偿，计算报文传输序列中各报文的通信延时时间，根据通信延时时间对报文进行补偿；

步骤五：发送报文。

优选的，计算报文传输序列中各报文的通信延时时间的步骤包括：在报文传输序列中定义“基准报文”，选定两个不存在排队延时的报文作为“基准报文实例”，通过基准报文实例构建特定时间范围内的参考线，根据其他报文与基准报文实例的发送时间差值，重新计算每一个报文的到达时间，并计算得到各报文的通信延时时间。

优选的，步骤四中报文的通信延时时间计算方法包括：

将两个基准报文实例接收完成的时间点分别用t_i,j和t_i,k表示，此处i为接收完成的时刻，j和k为报文实例的序号，且j＜k；

由两个“基准报文实例”所构建的各报文应接收完成的时间点信息为：

t^* _i,q＝t_i,j+TP_i·ρ+δ_ρ，ρ∈{0,1,...,k-j}

其中，t^* _i,q---为需计算的报文应接收完成的时间点；

q---为报文传输序列中的某一报文；

t_i,j---为基准报文j接收完成的时间点；

TP_i---为各报文间正确的间隔时间；

ρ---为各报文的间隔数量；

δ_ρ---为报文抖动补偿量。

优选的，采用报文的通信延时时间计算方法对每个报文都重新计算，得到它们的正确到达时间。

优选的，步骤一中特定时间范围选取出现严重延时现象的控制器工作时的时间范围，或涉及多控制器的时间范围。

优选的，步骤二中的预设条件为：(1)各报文的最差情况延时百分比小于100％；(2)各报文相对延时百分比小于40％；(3)存在至少两个不存在排队延时的报文。

优选的，步骤三中对报文传输序列执行报文标识符整体优化的步骤包括对报文标识符进行重新分段和重新编码的步骤。

优选的，对报文标识符进行重新分段，包括将报文标识符ID域划分为信息段、设备段和系统段。

优选的，对报文标识符进行重新编码，包括对报文标识符编码、报文类型和用途的重新定义。

优选的，报文标识符为11位标识符，兼容CAN2.0A和CAN2.0B 规范。

采用上述“整体加局部”优化方法，首先在可以同时承载最多127 个节点设备的基础上保证了编码的独立性，对网络情况进行了整体优化；随后又针对局部的消息延时进行具体的延时补偿，较好的保证了报文传输的可靠性，提高了通信执行的精确度和质量。

通过本发明，可实现如下有益效果：

(1)本发明可大大提高报文传输的实时性，经过整体标识符优化的编码更加简洁高效。同时接收解析的算法较为简单，执行效率会大大提升。预留了部分编码空间，能够满足日常使用中的需求，大大提升了网络可扩展性。

(2)本发明可通过监测并分析总线上的通信活动，及时发现延时严重的报文，对其进行精确地延时补偿，从而达到提升提高报文传输效率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为CAN总线延时优化方法的流程框图；

图2为ID域分段示意图；

图3为构建出的整个时间段内的参考线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本申请的技术方案提供了一种针对总线传输延时的OFFSET+ID 报文优化方案，该方案从整体优化和局部优化两方面同时入手，通过对CAN总线报文传输序列进行精确分析并通过进行报文偏移量补偿来达到提升通信精确度的目的，同时通过使用一种可用于多数车载 CAN总线控制系统的编码方法，较好的保证了报文传输的实时性，提高了通信执行的质量。

图1为本申请实施例提供的优化流程框图。如图1所示，该流程包括：

步骤一、获取CAN总线特定时间范围内传输的全部报文内容，并确认每一个报文传输结束的时间信息，记录报文接收完成的时间点；随后将所有获取到的报文存放起来，并按照接收的顺序予以排列，从而得到了报文传输序列。

需要说明的是：

获取CAN总线传输报文全部内容的方法可以是通过CANoe软件录制实车运行期间报文的trace文件，并导入symtavision工具自动建模，进行Analyze Trace分析。

选取特定的时间范围，可以更有针对性的发现问题，避免了大量的重复工作，提高了优化效率。因此应选取在实车运行中出现严重延时现象的控制器工作时的时间范围，或涉及尽量多控制器的时间范围，从而达到发现并解决问题的目的。

将获取到的报文按接收顺序予以排列，得到报文传输序列。

步骤二、对报文传输序列加以分析。首先定义最差情况延时百分比为最差情况下的延时与该报文发送周期之比，相对延时百分比为一般情况下的延时与该报文发送周期之比。随后研究该序列是否满足以下条件：1、各报文的最差情况延时百分比(RWCRT)须小于100％，若大于或等于100％，则会出现丢帧等严重问题，无法进入步骤四，进入步骤三；2、各报文相对延时百分比须小于40％，如果有个别超过40％的情况，可能出现丢帧等问题，无法进入步骤四，进入步骤三。 3、需存在至少两个不存在排队延时的报文，互相对照以进行基准报文的选取。若均满足，则进入步骤四；若不满足上述条件则进入步骤三。

步骤三、对报文传输序列执行报文标识符整体优化方案。使用兼容CAN2.0A与CAN2.0B规范的11位标识符，并将这11位标识符进行划分，即将其ID域划分为信息段、设备段和系统段，得到如图 2所示的ID域分段图。

其中处于高4位(7-10位)的为标识符的信息段，它是一段设备节点用来提交上网的信息编码，只能取值到0-15；其中由于CAN规范规定7个最高位不能全部都为1，所以取值为15的编码无法使用。处于4、5、6位的为设备段，是一个系统或分系统内的设备编码，它只能在0-7范围内取值，因此最多只能支持8个设备。最低4位(0- 3位)的为系统段，在系统或分系统编码时使用，它的取值范围为0- 15，因此最多可以支持16个分系统。在这里需要注意的是，设备段和系统段并没有明显的区分，因此两个段联用后，最多可以支持127 个节点设备联网。

另外，对信息段给出一种进一步的编码方案。如表1所示。

表1编码方案

编码	报文类型	用途
			0000	主控节点配置、设置报文	为从节点设置传输方式及周期
0001	报告故障报文	检测到设备异常状态时向系统报告
			0010	自定义	用于用户自定义较高优先级报文
0011	开关量映射报文	操作开关、到位开关等发生变化后及时上传
			0100	开关量扩展报文	扩展发送报文、或用于接收报文
0101	数字量映射报文1	设备采集到并用来计算的数据，如电压、电流
			0110	数字量扩展	扩展发送报文、或用于接收报文
0111	数字量映射报文2	设备采集到并用来计算的数据，如压力、流量
			1000	数字量扩展	扩展发送报文、或用于接收报文
1001	数字量映射报文3	设备采集到并用来计算的数据，如温度、角度
			1010	数字量扩展	扩展发送报文、或用于接收报文
1011	长报文传输	客户端主动请求配置表或文件类的大数据包传输
			1100	长报文传输扩展	服务器端应答配置表或文件类的大数据包传输
1101	通信状态报文	通信状态相关报文
			1110	自定义	用于用户自定义较低优先级报文

经步骤三处理后，特定时间段内的报文标识符得到了重新的分段与编码，这样可以大幅减少帧延时带来的影响，最大程度减少了报文的最差情况延时。若此时仍存在不满足步骤二条件的报文，可继续进行调整，直至满足条件为止，进入步骤四。

步骤四、在报文传输序列中定义“基准报文”，然后选定两个不存在排队延时的报文作为“基准报文实例”。将这两个基准报文实例接收完成的时间点分别用t_i,j和t_i,k表示，此处i为接收完成的时刻，j和k 为报文实例的序号，且j＜k。

通过前文选定的基准报文实例构建出整个时间段内的参考线。如图3所示，其中“B”代表的是基准报文实例，△M_i表示一个基准报文实例相对前一个基准报文实例的时间增量。图中的参考线代表的是由两个“基准报文实例”所构建的各报文应接收完成的时间点，这些时间点的信息为：

t^* _i,q＝t_i,j+TP_i·ρ+δ_ρ，ρ∈{0,1,...,k-j}

其中，t^* _i,q---为需计算的报文应接收完成的时间点；

q---为报文传输序列中的某一报文；

t_i,j---为基准报文j接收完成的时间点；

TP_i---为各报文间正确的间隔时间；

ρ---为各报文的间隔数量；

δ_ρ---为报文抖动补偿量。

最后，采用上述方法，对每个报文都重新计算，得到它们的正确到达时间。

步骤五，发送报文。发送优化后的所有报文，其中部分报文经过步骤四优化，拥有正确的到达时间。部分报文经过步骤三优化后，满足进行步骤四优化的条件，随后继续进行步骤四优化，最终拥有正确的到达时间。

综上所述，本实施例提供了一种整体加局部优化的延时处理方案。通过确定报文的延时时长从整体对其进行标识符的优化，再深入到局部报文进行偏移量补偿处理，较好的解决了帧延时与媒体访问延时的问题，在负载率固定的情况下，可极大地改善总线报文延时情况，增加网络后续的可扩展性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (9)

1.一种车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，包括：

步骤一：获取车载CAN总线特定时间范围内传输的全部报文，将全部报文按接收顺序予以排列，得到报文传输序列；

步骤二：对报文传输序列加以分析，判断报文传输序列是否满足预设条件，若满足预设条件，则进入步骤四；若不满足预设条件，则进入步骤三；所述预设条件为：(1)各报文的最差情况延时百分比小于100％；(2)各报文相对延时百分比小于40％；(3)存在至少两个不存在排队延时的报文；最差情况延时百分比为最差情况下的延时与该报文发送周期之比，相对延时百分比为一般情况下的延时与该报文发送周期之比；

步骤三：对报文传输序列执行报文标识符整体优化，直至满足步骤二中的预设条件；

步骤四：报文偏移量补偿，计算报文传输序列中各报文的通信延时时间，根据通信延时时间对报文进行补偿；

步骤五：发送报文。

2.根据权利要求1所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，计算报文传输序列中各报文的通信延时时间的步骤包括：在报文传输序列中定义“基准报文”，选定两个不存在排队延时的报文作为“基准报文实例”，通过基准报文实例构建特定时间范围内的参考线，根据其他报文与基准报文实例的发送时间差值，重新计算每一个报文的到达时间，并计算得到各报文的通信延时时间。

3.根据权利要求2所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，步骤四中报文的通信延时时间计算方法包括：

将两个基准报文实例接收完成的时间点分别用t_i,j和t_i,k表示，此处i为接收完成的时刻，j和k为报文实例的序号，且j＜k；

由两个“基准报文实例”所构建的各报文应接收完成的时间点信息为：

t^* _i,q＝t_i,j+TP_i·ρ+δ_ρ，ρ∈{0,1,...,k-j}

其中，t^* _i,q---为需计算的报文应接收完成的时间点；

q---为报文传输序列中的某一报文；

t_i,j---为基准报文j接收完成的时间点；

TP_i---为各报文间正确的间隔时间；

ρ---为各报文的间隔数量；

δ_ρ---为报文抖动补偿量。

4.根据权利要求3所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，采用报文的通信延时时间计算方法对每个报文都重新计算，得到它们的正确到达时间。

5.根据权利要求1所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，步骤一中特定时间范围选取出现严重延时现象的控制器工作时的时间范围，或涉及多控制器的时间范围。

6.根据权利要求1所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，步骤三中对报文传输序列执行报文标识符整体优化的步骤包括对报文标识符进行重新分段和重新编码的步骤。

7.根据权利要求6所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，对报文标识符进行重新分段，包括将报文标识符ID域划分为信息段、设备段和系统段。

8.根据权利要求6所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，对报文标识符进行重新编码，包括对报文标识符编码、报文类型和用途的重新定义。

9.根据权利要求6所述的车载CAN总线延时优化方法，其特征在于，报文标识符为11位标识符，兼容CAN2.0A和CAN2.0B规范。

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