車載網關丟幀故障分析

王孔龍，韓 宇，馮 程，李雪姣，馮 娜，陳 音Wang Konglong，Han Yu，Feng Cheng，Li Xuejiao，Feng Na，Chen Yin

車載網關丟幀故障分析

王孔龍，韓 宇，馮 程，李雪姣，馮 娜，陳 音
Wang Konglong，Han Yu，Feng Cheng，Li Xuejiao，Feng Na，Chen Yin

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

隨著智能化、網聯化發展，汽車上采用的控制器越來越多，控制器間協同工作對車載網關非常重要，這對網關信號轉發的實時性及完整性提出了更高要求，針對某車載網關出現的丟幀故障進行分析，優化網關緩存區分配機制。

車載網關；通信丟幀；緩存區；分配機制

0 引 言

汽車電子電氣架構中的核心部件車載網關起著報文和信號的路由功能，作為不同網絡間的物理隔離和不同通信協議之間的翻譯，實現數據共享。車載網關功能包括電源管理、網絡休眠喚醒協同工作等整車網絡管理，入侵檢測、秘鑰管理等整車網絡防火墻，以及整車網絡故障診斷與刷新等。隨著智能化、網聯化的發展，汽車上的控制器數量越來越多，相應的通信節點配置及通信需求也越來越高，網關的重要性越來越凸顯。一方面，作為通信樞紐，網關承擔著整車網絡巨大量數據交互，使CAN（Controller Area Network, 控制器局域網絡）、LIN（Local Interconnect Network，局部互聯網絡）、MOST（Media Oriented System Transport，面向媒體的系統傳輸總線）、FlexRay（FlexRay聯盟發布的一種具備故障容錯的高速可確定性車載總線系統）等數據在不同網絡中路由；另一方面，獨立的網關使得電子電氣架構優化成為可能，研發工程師借助網關路由能力，不斷擴展汽車拓撲結構，持續提升車輛安全性，增強車輛網絡數據的保密性，使汽車智能化、網聯化性能越來越強大。

不同網絡速率下各種控制器對信號傳輸的速度及需求的緊急程度不同，車載網關對于各個控制器傳來的數據進一步處理，必要時緩沖存儲，同時進行故障監控和診斷。如何保證車載網關及時準確并可靠地轉發信息，避免信號故障，有不少學者對此進行研究。有學者針對數字電能計量采集值丟幀問題進行分析，采用對丟幀參數的插入處理以及延續化的數值使用，來降低丟幀對相應控制誤差的影響[1]；有學者分析網關控制器的自動化測試方法，利用模擬信號輸入等方法來驗證網關的可靠性[2]；有學者結合車載總線網絡架構的演進，按照網絡實際需求提出一種車載網關設計方法，用自動化驗證測試方法對網關協議轉換、流量控制和網絡管理等功能進行驗證[3]；有學者針對CAN通信丟幀及延時補償進行分析，提出一種分布式補償方案，采用線性單輸入單輸出補償方法進行通信丟幀處理[4]；有學者針對電磁干擾導致的CAN通信丟失故障進行分析，利用網關統計丟幀率，結合丟幀率對通信故障導致的危害程度進行分級，在不改變現有設計方案及硬件選型的基礎上，對控制器通信丟失故障分級處理[5]。

目前的車載網關多采用中心化架構，所有控制器的通信請求需要通過車載網關，當通信流量突增時，網關可能會成為性能瓶頸；在通用化、系列化、標準化作為設計趨勢的前提下，如何利用原有車載網關解決通信流量增大引起的丟幀問題，是實際開發過程中面臨的突出問題。

1 問題提出

某車型在改款設計中擴展了部分功能，加裝了數個控制器，經網絡負載分析，利用原有的車載網關可以滿足流量要求；但在實際運行中，不定時地出現某控制器報出故障，故障會很快消失、控制器恢復正常，讀取歷史故障記錄，發現每次故障都是由關聯控制器故障引發，并且每次的關聯控制器不同，對關聯控制器調取歷史故障記錄發現控制器自身沒有任何故障記錄。

2 問題分析

控制器常見的故障有3類：控制器自身軟件或硬件導致的主動故障；控制器所監控的傳感器硬件導致的主動故障；通信干擾或關聯控制器通信異常等引起的被動故障。

故障控制器的歷史記錄都顯示為關聯控制器故障，可以排除控制器自身質量問題；讀取關聯控制器的歷史故障記錄，沒有發現故障記錄，說明關聯控制器硬件正常。排除了控制器硬件自身問題，結合故障偶發，大部分時間工作正常，可以排除通信干擾因素，重點對通信異常進行分析。

偶發故障的控制器采用CAN通信，為保證其可靠性，設定信號監控邏輯為連續丟失3幀則進入故障保護，故障保護模式下連續5幀信號均正常則恢復正常工作模式。與故障控制器有信號交互的控制器的安全級別有差異，出現10～50幀不等的連續丟幀才會進入故障保護模式。

與故障控制器有信號交互的控制器不全處于同一網段，需要車載網關進行信號頻率的統一和轉發。通過對一段時間內故障控制器發出的ID 350信號在不同網段內的幀數統計發現，不同網段的幀數有差異，如圖1所示。

圖1 不同網段內信號幀統計

從圖1可知，ID 350信號在CAN1和CAN2的幀數分別為30 310和30 298，相差12幀，已經出現明顯丟幀，是否達到連續丟幀臨界值，需要對故障發生時刻的信號動態進行分析，得到信號動態圖，如圖2所示。

圖2 故障發生時刻的信號動態

通過對控制器故障發生時刻ID信號的監控發現，氣囊工作狀態、安全帶狀態在控制器工作狀態跳變之前，出現了連續3幀信號丟失（如圖2中框線所示），由此確定通信信號連續丟失達到了臨界值引發了故障。

3 問題改進與驗證

作為信號轉換與分發的核心樞紐，車載網關需要保障所有控制器及時收到正確的信號并正常工作。理論上丟幀不應該出現，但是實際應用中，對于診斷或云端上傳信號沒有實時性要求，且這類觸發事件的信號采樣周期極長，允許存在一定程度丟幀。

不同網絡的通信速率和協議不同，網關對應2類常見的報文收發處理類型：（1）等量轉發，數據源停止發送信號，網關隨即停止轉發該信號；（2）倍量轉發，數據源停止發送信號，網關持續轉發一定倍數的幀數后才停止。對應信號丟幀常見情況也有2類：（1）數據源未停止，但網關提前終止信號轉發；（2）數據源停止，網關未轉發足夠的信號幀數，提前停止信號轉發工作。對于前者多是由于網絡負載率過高所致，需要優化代碼，譬如將信號由功能分配改為事件單獨分配，通常事件信號的優先級更高；對于后者，可以通過緩存配置，改變丟幀信號通道的硬件資源優先級來解決。

出于成本考慮，車載網關基本采用16位或32位處理器設計開發，緩存區容量受限于處理器性能，不可能很大，而且考慮可擴展的需求，緩存區通常會預留10%左右的容量，對于余下的緩存區間，基于信號優先級和信號周期頻率2個因素進行排序，并以1個頻率高的信號搭配2～3個頻率低的信號這種組合方式分配緩存區。當緩存區間充足時，為接收信號和發送信號分配獨立緩存區，但更多地是發送信號和接收信號復用緩存區，也可根據信號數據段長度進行緩存區分配。緩存區分配可以預先人為設定將哪些信號組合到一起，也可以利用緩存區分配軟件自動分配，前者可以獲得更為合理可靠的緩存區分配形式，且便于查找每個信號所在的緩存區位置號，但工作量繁雜；后者是當前緩存區分配較為常用的方式，但難以找到每個信號所在的緩存區位置號，一旦出現嚴重丟幀現象，需要找到具體的丟幀信號并對其進行工程配置優化，耗時較久。車載網關為了開發便利，普遍采用軟件進行信號緩存區自動分配，通過工程配置文件進行微調。

車載網關除了利用緩存區實現網絡信號的處理和轉發，還可以通過中斷區實現信號的轉發。這是一種利用事件觸發的機制，不論是診斷還是正常收發信號，都認為是一種事件機制，但利用中斷區進行轉發信號，在網絡上無法監控，一般中斷區容量較小，通過中斷轉發的信號過多，會導致車載網關嚴重堵塞而宕機，因此這種方式較少采用。

在增加新的控制器之前，故障車型的車載網關丟幀現象控制較好，但其緩存區使用率已經達到74%左右，新增的控制器導致車載網關的緩存區使用率達到83%，如仍對新增信號自動分配緩存區，則會導致某些高通信頻率的信號被分配到原本通信頻率已經較高的信號所在的緩存區，使這些緩存區過于擁堵，從而出現嚴重的丟幀現象；因此，需要針對丟幀的信號重新分配緩存區。

通過分析丟幀信號可知，該類信號在車載網關上的轉發類型為等量轉發，因此采用修改緩存配置文件來分配該類信號的優先級，如圖3所示。

圖3 等量信號的網關緩存優先級修改

圖3中對于丟幀信號勾選FullCAN屬性鎖定ID在通道中的優先級，優先分配緩存區硬件資源。配置文件修改后，優先級高的信號被優先保證幀數的準確性和及時性，對于診斷或事件觸發的信號，以及一些采樣頻率極低的轉發數據，則允許一定的丟幀量。優化后信號統計結果如圖4所示。

圖4 優化后通信信號在不同網段的通信幀數統計

從圖4可知，經過長時間的通信信號幀數統計，ID 350在不同網段的通信幀數都一致，沒有出現丟幀現象，其他ID信號在不同網段的通信幀數也都一致，經過2周實車測試，沒有再出現控制器故障報警現象。

由此可見，網關經過優化后丟幀現象得到控制，沒有出現信號丟失，改進方法驗證有效。

4 結 論

對于影響車輛工作的高通信頻率信號，不允許出現丟幀現象，因此對車載網關的緩存區分配，應為高通信頻率信號賦予較高的優先級。

在進行車載網關適應性擴展時，應充分考慮預留緩存區的大小，如果增加后信號通信負載率超過預留緩存區的80%，應重新配置高通信頻率信號的優先級，或者采用新的車載網關產品。

車載網關中斷區可以實現網絡信號轉發功能，但通過中斷區轉發信號無法實現監控與診斷，因此應盡量避免此操作。

[1]胡婷婷，丁海麗，周媛奉.數字電能計量采樣值丟幀處理方法研究[J].無線互聯科技，2021，18（7）：77-78.

[2]巫輝燕，林漢雄.基于HIL的車載網關控制器的自動化測試研究[J].汽車實用技術，2021，46（5）：140-142.

[3]劉浩銳，錢亞容，王旭紅.車載網關功能設計與測試淺析[J].汽車電器，2020（10）：38-40.

[4]鄭宇，張健，施衛科，等.實時控制系統中CAN總線丟幀及延時的補償研究[J].計算機測量與控制，2020，28（7）：107-111,116.

[5]李瑋，王晶.純電動汽車電機控制器CAN通信丟失故障處理方法[J].北京汽車，2020（1）：35-38.

2021-06-26

1002-4581（2021）05-0033-04

U463.6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.009