崔海貝

(山東沂星電動汽車有限公司，山東臨沂 276000)

CAN總線所采用的載波監(jiān)控、多主掌控、沖突避免的通訊模式［1］，使其在多節(jié)點通訊上具有很高的通訊效率。此外其差分特性所帶來的高容錯率，使其能在電磁干擾等惡劣環(huán)境下良好地工作?；谏鲜鰞?yōu)點，CAN總線在電動汽車上得到了廣泛應用［2］。由于車輛各控制單元信息的獲取以及指令的發(fā)送都需要基于CAN通訊，因此一旦發(fā)生通訊故障，輕則車輛部分功能受限，重則車輛失控。本文以某電動汽車為例，選取整車控制器作為CAN網(wǎng)絡內(nèi)的監(jiān)控單元，對CAN通訊的幀接收監(jiān)控以及節(jié)點心跳監(jiān)控方法進行闡述;通過對比分析，提出一種適用于電動汽車的綜合性監(jiān)控方案，以提高電動汽車CAN通訊故障監(jiān)控的可靠性。

1 監(jiān)控方法概述

1.1 監(jiān)控單元選擇

隨著科技的進步，各種功能的車載電器設備越來越多，大部分設備之間都需要進行數(shù)據(jù)交互，這就導致車輛上通訊節(jié)點增多。若這些節(jié)點共用同一路CAN總線，將造成總線擁堵，因此在CAN總線設計時往往需要根據(jù)通訊結(jié)構(gòu)、節(jié)點功能以及實時性要求，將其劃分為多路CAN總線［3］。在眾多節(jié)點中，整車控制器(VCU)作為汽車的核心控制單元，除了需要通過CAN總線從其他節(jié)點獲取各種信息以作控制策略判斷外，還需要通過CAN總線向各執(zhí)行單元發(fā)送指令以控制車輛的行駛以及上下電等。因此整車控制器(VCU)往往同時位于多路CAN總線中，并作為CAN總線網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)，負責各路總線上的數(shù)據(jù)交互［4］。圖1為某款電動汽車的CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)，其中整車控制器作為網(wǎng)關(guān)同時位于動力CAN與車身CAN兩路總線中。

圖1 CAN拓撲結(jié)構(gòu)

基于整車控制器的上述特性，選擇它作為監(jiān)控單元可以對各路CAN總線節(jié)點進行全面監(jiān)控［5］，同時還能在監(jiān)控到通訊故障時進行及時響應。

1.2 幀接收監(jiān)控方法

該方法對幀的接收進行計時［6］。由于各數(shù)據(jù)幀均為周期性發(fā)送，因此若在規(guī)定時間內(nèi)未接收到某一幀，則說明該幀出現(xiàn)丟幀故障或者發(fā)出該幀的節(jié)點出現(xiàn)故障。由于幀的數(shù)量較多，而處理器的定時器資源有限，故這里采用為各幀單獨設置計數(shù)變量且共用同一定時周期的計時方法。即在周期性執(zhí)行的故障診斷任務中，對各幀的計數(shù)變量值進行累加，若接收到了某一幀，則將該幀的計數(shù)變量值清零，這樣該幀的計數(shù)變量值與任務周期之積即為該幀的計時時間;若某一幀的計數(shù)變量值超過了預設的故障閥值，則說明在規(guī)定時間內(nèi)未接收到該幀。

1)接收處理。當整車控制器接收到某一幀報文后，會離開當前任務進入接收中斷，在接收中斷中對該幀的計數(shù)變量值進行清零處理。現(xiàn)以表1中的4幀為例對該監(jiān)控方法進行闡述。

表1 CAN節(jié)點及其數(shù)據(jù)幀

首先對幀ID進行判斷，若幀ID為A，則說明該幀數(shù)據(jù)為驅(qū)動控制器(MCU)發(fā)送至整車控制器的電機轉(zhuǎn)速，對該幀進行數(shù)據(jù)解析及更新，并將幀A的計數(shù)變量值清零;若不為A，則繼續(xù)判斷幀ID是否為B。注意幀C與幀D非整車控制器所需數(shù)據(jù)，故收到這兩幀時，只需要對這兩幀的計數(shù)變量值清零，而不需要對其進行解析。若還有其他幀，處理方法同上。

2)故障診斷。在周期性執(zhí)行的故障診斷任務中依次對各幀的接收時間進行診斷，診斷流程如圖2所示，主要有:

①對各節(jié)點對應的計數(shù)變量值進行累加。

②對A幀的計數(shù)變量值進行判斷，若其大于等于預設的二級故障閥值，則將A幀故障等級置為二級;若其大于等于預設的一級閥值，則將A幀故障等級置為一級;若其小于預設的一級閥值，則說明此時A幀未超時，將A幀故障等級置為零級。

③對幀B的診斷流程同幀A，但需要將故障閥值更換為幀B的故障閥值。若還有其他幀，診斷以及處理方法同上。

圖2 幀接收故障診斷流程

1.3 節(jié)點心跳監(jiān)控方法

該方法需要各節(jié)點自身創(chuàng)建一個周期性的心跳任務［7］，在該任務里對自身心跳值進行自增，然后將心跳值發(fā)送至CAN總線上。整車控制器會對各節(jié)點的心跳值進監(jiān)控，若某節(jié)點心跳值在規(guī)定的時間范圍內(nèi)未發(fā)生變化，則說明該節(jié)點出現(xiàn)故障導致心跳值停止更新。

1)接收處理。整車控制器接收到某一幀報文后，會離開當前任務進入接收中斷對接收到的幀進行判斷，若為心跳幀，則對其相應的節(jié)點心跳值進行更新?，F(xiàn)以表2中的4幀為例對該監(jiān)控方法進行闡述。

表2 CAN節(jié)點及其數(shù)據(jù)幀

首先對幀ID進行判斷，若幀ID為A，說明該幀數(shù)據(jù)為驅(qū)動控制器(MCU)發(fā)送至整車控制器的電機轉(zhuǎn)速，非心跳幀，故只對該幀進行數(shù)據(jù)解析及更新;若幀ID為B，說明該幀為MCU發(fā)送至整車控制器的心跳值，故對該心跳幀進行數(shù)據(jù)解析并更新MCU心跳值;若幀ID為C，說明該幀數(shù)據(jù)為BMS發(fā)送至儀表的單體電壓，由于該幀非心跳幀且整車控制器不需要采集該數(shù)據(jù)，故將該幀進行過濾，不對其進行處理。若還有其他幀，處理方法同上。

2)故障診斷。在周期性執(zhí)行的故障診斷任務中依次對各節(jié)點的心跳值進行診斷，診斷流程如圖3所示，主要有:

①首先判斷A節(jié)點當前的心跳值與其在上一次故障診斷任務中的心跳值是否相等，若相等，說明從上次故障診斷任務到本次故障診斷任務之間的這段時間內(nèi)A節(jié)點的心跳值未發(fā)生變化，則將A節(jié)點計數(shù)變量值加1。

②若不相等，說明這段時間內(nèi)接收到了A節(jié)點發(fā)出的新心跳值，則可判斷出A節(jié)點仍然在線且正常工作，將A節(jié)點的計數(shù)變量值減1。

③若節(jié)點心跳一直正常，計數(shù)變量值將不斷自減，為保證計數(shù)變量值始終大于等于零，需要對計數(shù)變量進行處理，即當判斷出計數(shù)變量值為負值時，對其清零。

④處理完節(jié)點計數(shù)變量后，還需要對其進行診斷。若其值大于等于二級閥值，則將節(jié)點A的通訊故障等級置為二級;若其值大于等于一級閥值，則將通訊故障等級置為一級;若其值小于一級閥值，則說明當前未監(jiān)控到A節(jié)點通訊異常，將故障等級置為零級。

⑤若還有其他節(jié)點，可按上述方法繼續(xù)進行診斷。但各節(jié)點心跳周期可能有所不同，因此故障閥值要進行相應的變更。

圖3 節(jié)點心跳故障診斷流程

2 監(jiān)控方案設計

2.1 兩種監(jiān)控方法對比分析

兩種監(jiān)控方法的出發(fā)點不一樣，故監(jiān)控效果也有所不同:

1)節(jié)點心跳監(jiān)控方法以節(jié)點作為監(jiān)控對象，通過節(jié)點發(fā)出的心跳幀來監(jiān)控節(jié)點是否掉線，但無法監(jiān)控到除心跳幀以外的丟幀故障。而幀接收監(jiān)控方法則是以節(jié)點發(fā)出的幀作為監(jiān)控對象，除了節(jié)點故障外，還能監(jiān)控丟幀故障。因此幀接收監(jiān)控更加細致，有利于整車控制器根據(jù)故障幀對車輛行駛的重要程度，作出不同的故障處理策略。

2)節(jié)點心跳監(jiān)控需要為每個節(jié)點增加一幀心跳幀，增加了總線的負載率［8－9］;而幀接收監(jiān)控在原有的通訊基礎上即可實施，不需要增加額外的幀。

3)在故障診斷中，幀接收監(jiān)控只需要對幀的計數(shù)變量值進行判斷，而節(jié)點心跳監(jiān)控除了對計數(shù)變量值進行判斷，還需要對心跳是否發(fā)生變化進行判斷，所以在流程上幀接收監(jiān)控更為簡單。

4)車輛CAN總線上節(jié)點數(shù)量遠少于幀的數(shù)量，因此節(jié)點心跳監(jiān)控比幀接收監(jiān)控更節(jié)省處理器資源。

5)幀接收只對接收進行監(jiān)控，而不對幀內(nèi)部的數(shù)據(jù)做診斷，因而無法診斷出某些節(jié)點故障，如節(jié)點程序運行出現(xiàn)問題時，雖然節(jié)點能發(fā)送數(shù)據(jù)，但發(fā)送的數(shù)據(jù)為空值或無變化的值。節(jié)點心跳監(jiān)控則可診斷出該種類型的故障。

2.2 一種新的監(jiān)控方案設計

作為監(jiān)控單元的整車控制器若是出現(xiàn)故障，則會導致車輛失控，因此還需要對整車控制器進行監(jiān)控。由于整車控制器出現(xiàn)故障時，只能人為進行干預，因此這里采用儀表作為整車控制器的監(jiān)控單元，儀表一旦監(jiān)控到整車控制器出現(xiàn)故障，則通過蜂鳴報警的方式通知駕駛員采取緊急措施。由于儀表不在動力CAN總線上，因此其無法對整車控制器在動力CAN總線上發(fā)出的控制指令進行幀監(jiān)控，且儀表本身無法控制車輛行駛，即使監(jiān)控到了幀故障，也無法做進一步的處理，因此其只需監(jiān)控整車控制器是否正常工作即可，故這里采用節(jié)點心跳監(jiān)控方法來對整車控制器進行監(jiān)控。綜合考慮節(jié)點心跳監(jiān)控以及幀接收監(jiān)控這兩種方法的優(yōu)缺點，現(xiàn)制定出新的監(jiān)控方案，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控結(jié)構(gòu)

1)整車控制器只對影響車輛安全行駛的關(guān)鍵幀進行幀接收監(jiān)控，以節(jié)約處理器資源。一旦發(fā)現(xiàn)幀故障，整車控制器將根據(jù)故障等級進行如降功率、延時斷電等相應的處理。同時將該幀的故障碼通過CAN總線發(fā)送至儀表。儀表進行蜂鳴報警，提醒駕駛員采取安全措施，并顯示故障碼，便于維修人員排查故障。

2)整車控制器對無關(guān)鍵幀的節(jié)點進行節(jié)點心跳監(jiān)控。當監(jiān)控到節(jié)點故障時，整車控制器向儀表發(fā)送該節(jié)點對應的故障碼，儀表點亮故障燈并對接收到的故障碼進行顯示［10－12］。

3)整車控制器向儀表發(fā)送自身心跳，儀表對其進行心跳監(jiān)控。當監(jiān)控到整車控制器心跳停止時，儀表進行蜂鳴報警，提醒駕駛員進行緊急制動。

上述方案既能減小幀監(jiān)控所帶來的的資源占用，又能將監(jiān)控覆蓋到包括作為監(jiān)控單元的整車控制器在內(nèi)的所有節(jié)點。且當通訊故障發(fā)生時，還可通過儀表對其進行顯示與報警，提醒駕駛員采取應急措施，幫助維修人員快速對故障進行定位。

3 結(jié)束語

本文以電動汽車為例，分別對CAN通訊節(jié)點監(jiān)控方法以及幀監(jiān)控方法進行了闡述，并對這兩種方法進行了對比分析，提出了一個適用于電動汽車的綜合性監(jiān)控方案，使電動汽車CAN通訊故障監(jiān)控更加全面可靠，能否為車輛的行駛提供安全保障還有待實際應用檢驗。