何曄 陳健 楊楠 陳翔 鄭少彬

摘要：針對列車三取二邏輯控制單元產(chǎn)品采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)部、外部通信，產(chǎn)生大量通信過程數(shù)據(jù)的情況，分析了CAN總線質(zhì)量對通信數(shù)據(jù)可能造成的干擾，提出一種更高效的CAN通信智能監(jiān)測方法。目前經(jīng)過測試，該三取二LCU系統(tǒng)已示范應(yīng)用于廣州市軌道交通二十一號線兩列車，應(yīng)用情況良好。

關(guān)鍵詞：城軌列車;三取二邏輯控制單元;CAN通信數(shù)據(jù)測試技術(shù);機(jī)器學(xué)習(xí)

0 ? ?引言

城軌列車三取二LCU為實時同步控制系統(tǒng)，各模塊間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，這些數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量直接關(guān)系到LCU系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和穩(wěn)定性。LCU的存儲模塊，由于存儲空間限制，只能記錄LCU輸入、輸出、故障等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不能對系統(tǒng)整體協(xié)議做出符合性檢測。人工分析雖然能夠在明確目標(biāo)時針對性找出錯誤，但針對海量報文會耗費大量人力和時間。同時，LCU在不同配置下會產(chǎn)生不同報文，人工分析不具備經(jīng)濟(jì)可行性。軟件應(yīng)能自動、實時監(jiān)測通信報文，識別出與協(xié)議不符的報文、錯包、重包、亂序、篡改等錯誤，解決人工分析重復(fù)性、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性差，效率低等問題。

1 ? ?通信架構(gòu)與CAN通信報文設(shè)計思想

三取二LCU包含三類通信總線：級聯(lián)CAN總線、組間CAN總線、組內(nèi)CAN總線。級聯(lián)CAN總線用于多個LCU間數(shù)據(jù)通信;組間CAN總線用于單臺LCU內(nèi)部主控板、IO板、CAN板、MVB板不同功能板卡間數(shù)據(jù)通信;組內(nèi)CAN總線用于LCU同組功能板卡間通信。

為防止通信報文在通信過程中發(fā)生重復(fù)、刪除、插入、重排序、損壞、延時錯誤，影響LCU功能和性能，三取二LCU級聯(lián)CAN、組間CAN、組內(nèi)CAN通信協(xié)議均采用了序列號、報文校驗、超時識別等防護(hù)措施。

2 ? ?通信智能監(jiān)測軟件架構(gòu)

三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件按功能分為通信報文采集處理模塊、通信報文智能分析模塊、UI模塊。配合軟件工作的外部設(shè)備還包括CAN通信終端。

2.1 ? ?通信報文采集處理模塊

2.1.1 ? ?功能

智能監(jiān)測軟件可以連接三取二LCU級聯(lián)CAN總線、組間CAN總線、組內(nèi)CAN總線，智能識別和關(guān)聯(lián)相應(yīng)CAN總線。連接CAN通信終端后，智能監(jiān)測軟件根據(jù)配置數(shù)據(jù)，自動采集相應(yīng)報文，并將采集的報文按照采集到的時間先后順序存儲，供智能分析模塊分析。

2.1.2 ? ?結(jié)構(gòu)

通信報文采集處理模塊分為CAN報文采集、CAN報文存儲。CAN報文采集通過連接到CAN總線的CAN通信終端接收CAN報文，并為CAN報文打時間戳。CAN報文存儲將CAN報文ID、報文數(shù)據(jù)、報文時間戳存儲到數(shù)據(jù)庫。

2.2 ? ?通信報文智能分析模塊

2.2.1 ? ?功能

三取二LCU根據(jù)應(yīng)用場景不同，其配置的IO板組數(shù)存在差異，不同配置的LCU在級聯(lián)CAN、組間CAN、組內(nèi)CAN的通信報文的時間間隔、報文ID、報文數(shù)據(jù)量會產(chǎn)生較大差異。三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件通過智能學(xué)習(xí)，以CAN通信協(xié)議為基準(zhǔn)，從LCU被測CAN總線采集的訓(xùn)練報文樣本為輸入，智能生成CAN總線通信模型，比如各報文期望間隔、數(shù)據(jù)期望內(nèi)容等，供對應(yīng)LCU的該CAN總線通信海量數(shù)據(jù)分析使用。

離線分析：先將采集的通信報文存儲起來，智能分析系統(tǒng)不與LCU聯(lián)機(jī)的情況下，分析存儲的通信報文。離線模式常用于LCU在地鐵車輛運(yùn)行、環(huán)境試驗等不方便實時監(jiān)控的時候。

2.2.2 ? ?智能學(xué)習(xí)模塊

智能學(xué)習(xí)模塊通過逐條提取CAN報文學(xué)習(xí)樣本中的CAN ID加數(shù)據(jù)內(nèi)容，去除重復(fù)部分后，將該條CAN報文ID與CAN通信協(xié)議中的ID對比，當(dāng)ID合法時，產(chǎn)生CAN通信期望周期，并將CAN ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容、期望周期輸出至智能監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)期望區(qū)。當(dāng)ID非法時，向UI模塊輸出錯誤。如此循環(huán)，直至完成CAN總線報文學(xué)習(xí)樣本解析。

2.2.3 ? ?數(shù)據(jù)分析模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)分析模塊接收到來自智能學(xué)習(xí)模塊的允許運(yùn)行通知及開始分析指令后，開始從最舊一個待分析CAN總線數(shù)據(jù)存儲文件進(jìn)行分析。分析開始后，首先進(jìn)行本文件異常ID剔除。對比來自智能學(xué)習(xí)模塊輸出的數(shù)據(jù)期望區(qū)期望CAN ID與待分析文件所有CAN ID，如果發(fā)現(xiàn)不一致，則將存在不一致的CAN ID報文全部內(nèi)容輸出至UI模塊。

2.3 ? ?UI模塊

監(jiān)測結(jié)果輸出用于持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊是否有異常數(shù)據(jù)報告，這些報告包括：樣本中存在非法ID、被分析文件中CAN ID與期望不一致、被分析文件中數(shù)據(jù)內(nèi)容與期望不一致、被分析文件中數(shù)據(jù)周期與期望不一致等。同時報文CAN ID、接收時間、數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容將作為唯一特征被一并記錄。這些數(shù)據(jù)將被實時顯示、刷新，并記錄在一個日志文件中，以備后續(xù)數(shù)據(jù)異常原因排查。

3 ? ?三取二LCU CAN通信智能監(jiān)測軟件對通信異常驗證測試

根據(jù)對CAN通信波形分析，如圖1所示，箭頭處CAN通信差分信號在高電平期間應(yīng)持續(xù)為1，但波形產(chǎn)生了畸變。該幀CAN報文由于數(shù)據(jù)區(qū)與校驗區(qū)不一致，導(dǎo)致CRC校驗錯誤，產(chǎn)生重發(fā)或丟幀現(xiàn)象。

類似地，下方CRC校驗因波形異常影響采樣點，導(dǎo)致校驗失敗。同樣在監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)CAN報文丟幀現(xiàn)象。CAN通信波形異常導(dǎo)致的錯誤，會體現(xiàn)在通信成功率上，若造成校驗錯誤，可能導(dǎo)致CAN通信丟幀。當(dāng)CAN通信接收終端采樣點處受到的干擾在同一幀報文多個波形處達(dá)到一定數(shù)量和幅度時，該幀CAN報文可能由于數(shù)據(jù)區(qū)與校驗區(qū)同時受干擾，導(dǎo)致CRC校驗異常通過，將產(chǎn)生CAN報文數(shù)據(jù)跳變，通過監(jiān)測軟件測試，該異常表現(xiàn)為報文數(shù)據(jù)異常。

對報文數(shù)據(jù)異常的設(shè)備進(jìn)行眼圖測試，發(fā)現(xiàn)CAN通信上升沿、下降沿散亂，影響采樣點，其表現(xiàn)為CAN通信波形眼圖不收斂，長時間監(jiān)測仍然離散形態(tài)。在較高總線負(fù)載下，易導(dǎo)致CAN通信丟幀、數(shù)據(jù)跳變等問題。

眼圖不收斂的現(xiàn)象經(jīng)過充分調(diào)測，CAN通信波形眼圖可表現(xiàn)為清晰、收斂。相同環(huán)境下運(yùn)行測試，其長時間監(jiān)測丟包率等于0。同時通過智能監(jiān)測軟件再次測試，丟幀、數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

4 ? ?結(jié)語

本文針對城軌列車三取二LCU提出一種更高效、更準(zhǔn)確的CAN數(shù)據(jù)監(jiān)測分析方法——基于軟件智能學(xué)習(xí)的CAN通信智能監(jiān)測軟件。通過學(xué)習(xí)、提取樣本報文，實現(xiàn)快速、低成本的對CAN通信報文的監(jiān)測，提升了三取二LCU在單板測試、集成測試、裝車聯(lián)調(diào)、初期運(yùn)營等不同運(yùn)用、調(diào)測階段定位和排除CAN通信問題的效率。

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收稿日期：2020-08-03

作者簡介：何曄（1964—），男，廣東廣州人，教授級高工，研究方向：城市軌道交通車輛技術(shù)。