车载网关丢帧故障分析

王孔龙，韩 宇，冯 程，李雪姣，冯 娜，陈 音Wang Konglong，Han Yu，Feng Cheng，Li Xuejiao，Feng Na，Chen Yin

车载网关丢帧故障分析

王孔龙，韩 宇，冯 程，李雪姣，冯 娜，陈 音
Wang Konglong，Han Yu，Feng Cheng，Li Xuejiao，Feng Na，Chen Yin

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

随着智能化、网联化发展，汽车上采用的控制器越来越多，控制器间协同工作对车载网关非常重要，这对网关信号转发的实时性及完整性提出了更高要求，针对某车载网关出现的丢帧故障进行分析，优化网关缓存区分配机制。

车载网关；通信丢帧；缓存区；分配机制

0 引 言

汽车电子电气架构中的核心部件车载网关起着报文和信号的路由功能，作为不同网络间的物理隔离和不同通信协议之间的翻译，实现数据共享。车载网关功能包括电源管理、网络休眠唤醒协同工作等整车网络管理，入侵检测、秘钥管理等整车网络防火墙，以及整车网络故障诊断与刷新等。随着智能化、网联化的发展，汽车上的控制器数量越来越多，相应的通信节点配置及通信需求也越来越高，网关的重要性越来越凸显。一方面，作为通信枢纽，网关承担着整车网络巨大量数据交互，使CAN（Controller Area Network, 控制器局域网络）、LIN（Local Interconnect Network，局部互联网络）、MOST（Media Oriented System Transport，面向媒体的系统传输总线）、FlexRay（FlexRay联盟发布的一种具备故障容错的高速可确定性车载总线系统）等数据在不同网络中路由；另一方面，独立的网关使得电子电气架构优化成为可能，研发工程师借助网关路由能力，不断扩展汽车拓扑结构，持续提升车辆安全性，增强车辆网络数据的保密性，使汽车智能化、网联化性能越来越强大。

不同网络速率下各种控制器对信号传输的速度及需求的紧急程度不同，车载网关对于各个控制器传来的数据进一步处理，必要时缓冲存储，同时进行故障监控和诊断。如何保证车载网关及时准确并可靠地转发信息，避免信号故障，有不少学者对此进行研究。有学者针对数字电能计量采集值丢帧问题进行分析，采用对丢帧参数的插入处理以及延续化的数值使用，来降低丢帧对相应控制误差的影响[1]；有学者分析网关控制器的自动化测试方法，利用模拟信号输入等方法来验证网关的可靠性[2]；有学者结合车载总线网络架构的演进，按照网络实际需求提出一种车载网关设计方法，用自动化验证测试方法对网关协议转换、流量控制和网络管理等功能进行验证[3]；有学者针对CAN通信丢帧及延时补偿进行分析，提出一种分布式补偿方案，采用线性单输入单输出补偿方法进行通信丢帧处理[4]；有学者针对电磁干扰导致的CAN通信丢失故障进行分析，利用网关统计丢帧率，结合丢帧率对通信故障导致的危害程度进行分级，在不改变现有设计方案及硬件选型的基础上，对控制器通信丢失故障分级处理[5]。

目前的车载网关多采用中心化架构，所有控制器的通信请求需要通过车载网关，当通信流量突增时，网关可能会成为性能瓶颈；在通用化、系列化、标准化作为设计趋势的前提下，如何利用原有车载网关解决通信流量增大引起的丢帧问题，是实际开发过程中面临的突出问题。

1 问题提出

某车型在改款设计中扩展了部分功能，加装了数个控制器，经网络负载分析，利用原有的车载网关可以满足流量要求；但在实际运行中，不定时地出现某控制器报出故障，故障会很快消失、控制器恢复正常，读取历史故障记录，发现每次故障都是由关联控制器故障引发，并且每次的关联控制器不同，对关联控制器调取历史故障记录发现控制器自身没有任何故障记录。

2 问题分析

控制器常见的故障有3类：控制器自身软件或硬件导致的主动故障；控制器所监控的传感器硬件导致的主动故障；通信干扰或关联控制器通信异常等引起的被动故障。

故障控制器的历史记录都显示为关联控制器故障，可以排除控制器自身质量问题；读取关联控制器的历史故障记录，没有发现故障记录，说明关联控制器硬件正常。排除了控制器硬件自身问题，结合故障偶发，大部分时间工作正常，可以排除通信干扰因素，重点对通信异常进行分析。

偶发故障的控制器采用CAN通信，为保证其可靠性，设定信号监控逻辑为连续丢失3帧则进入故障保护，故障保护模式下连续5帧信号均正常则恢复正常工作模式。与故障控制器有信号交互的控制器的安全级别有差异，出现10～50帧不等的连续丢帧才会进入故障保护模式。

与故障控制器有信号交互的控制器不全处于同一网段，需要车载网关进行信号频率的统一和转发。通过对一段时间内故障控制器发出的ID 350信号在不同网段内的帧数统计发现，不同网段的帧数有差异，如图1所示。

图1 不同网段内信号帧统计

从图1可知，ID 350信号在CAN1和CAN2的帧数分别为30 310和30 298，相差12帧，已经出现明显丢帧，是否达到连续丢帧临界值，需要对故障发生时刻的信号动态进行分析，得到信号动态图，如图2所示。

图2 故障发生时刻的信号动态

通过对控制器故障发生时刻ID信号的监控发现，气囊工作状态、安全带状态在控制器工作状态跳变之前，出现了连续3帧信号丢失（如图2中框线所示），由此确定通信信号连续丢失达到了临界值引发了故障。

3 问题改进与验证

作为信号转换与分发的核心枢纽，车载网关需要保障所有控制器及时收到正确的信号并正常工作。理论上丢帧不应该出现，但是实际应用中，对于诊断或云端上传信号没有实时性要求，且这类触发事件的信号采样周期极长，允许存在一定程度丢帧。

不同网络的通信速率和协议不同，网关对应2类常见的报文收发处理类型：（1）等量转发，数据源停止发送信号，网关随即停止转发该信号；（2）倍量转发，数据源停止发送信号，网关持续转发一定倍数的帧数后才停止。对应信号丢帧常见情况也有2类：（1）数据源未停止，但网关提前终止信号转发；（2）数据源停止，网关未转发足够的信号帧数，提前停止信号转发工作。对于前者多是由于网络负载率过高所致，需要优化代码，譬如将信号由功能分配改为事件单独分配，通常事件信号的优先级更高；对于后者，可以通过缓存配置，改变丢帧信号通道的硬件资源优先级来解决。

出于成本考虑，车载网关基本采用16位或32位处理器设计开发，缓存区容量受限于处理器性能，不可能很大，而且考虑可扩展的需求，缓存区通常会预留10%左右的容量，对于余下的缓存区间，基于信号优先级和信号周期频率2个因素进行排序，并以1个频率高的信号搭配2～3个频率低的信号这种组合方式分配缓存区。当缓存区间充足时，为接收信号和发送信号分配独立缓存区，但更多地是发送信号和接收信号复用缓存区，也可根据信号数据段长度进行缓存区分配。缓存区分配可以预先人为设定将哪些信号组合到一起，也可以利用缓存区分配软件自动分配，前者可以获得更为合理可靠的缓存区分配形式，且便于查找每个信号所在的缓存区位置号，但工作量繁杂；后者是当前缓存区分配较为常用的方式，但难以找到每个信号所在的缓存区位置号，一旦出现严重丢帧现象，需要找到具体的丢帧信号并对其进行工程配置优化，耗时较久。车载网关为了开发便利，普遍采用软件进行信号缓存区自动分配，通过工程配置文件进行微调。

车载网关除了利用缓存区实现网络信号的处理和转发，还可以通过中断区实现信号的转发。这是一种利用事件触发的机制，不论是诊断还是正常收发信号，都认为是一种事件机制，但利用中断区进行转发信号，在网络上无法监控，一般中断区容量较小，通过中断转发的信号过多，会导致车载网关严重堵塞而宕机，因此这种方式较少采用。

在增加新的控制器之前，故障车型的车载网关丢帧现象控制较好，但其缓存区使用率已经达到74%左右，新增的控制器导致车载网关的缓存区使用率达到83%，如仍对新增信号自动分配缓存区，则会导致某些高通信频率的信号被分配到原本通信频率已经较高的信号所在的缓存区，使这些缓存区过于拥堵，从而出现严重的丢帧现象；因此，需要针对丢帧的信号重新分配缓存区。

通过分析丢帧信号可知，该类信号在车载网关上的转发类型为等量转发，因此采用修改缓存配置文件来分配该类信号的优先级，如图3所示。

图3 等量信号的网关缓存优先级修改

图3中对于丢帧信号勾选FullCAN属性锁定ID在通道中的优先级，优先分配缓存区硬件资源。配置文件修改后，优先级高的信号被优先保证帧数的准确性和及时性，对于诊断或事件触发的信号，以及一些采样频率极低的转发数据，则允许一定的丢帧量。优化后信号统计结果如图4所示。

图4 优化后通信信号在不同网段的通信帧数统计

从图4可知，经过长时间的通信信号帧数统计，ID 350在不同网段的通信帧数都一致，没有出现丢帧现象，其他ID信号在不同网段的通信帧数也都一致，经过2周实车测试，没有再出现控制器故障报警现象。

由此可见，网关经过优化后丢帧现象得到控制，没有出现信号丢失，改进方法验证有效。

4 结 论

对于影响车辆工作的高通信频率信号，不允许出现丢帧现象，因此对车载网关的缓存区分配，应为高通信频率信号赋予较高的优先级。

在进行车载网关适应性扩展时，应充分考虑预留缓存区的大小，如果增加后信号通信负载率超过预留缓存区的80%，应重新配置高通信频率信号的优先级，或者采用新的车载网关产品。

车载网关中断区可以实现网络信号转发功能，但通过中断区转发信号无法实现监控与诊断，因此应尽量避免此操作。

[1]胡婷婷，丁海丽，周媛奉.数字电能计量采样值丢帧处理方法研究[J].无线互联科技，2021，18（7）：77-78.

[2]巫辉燕，林汉雄.基于HIL的车载网关控制器的自动化测试研究[J].汽车实用技术，2021，46（5）：140-142.

[3]刘浩锐，钱亚容，王旭红.车载网关功能设计与测试浅析[J].汽车电器，2020（10）：38-40.

[4]郑宇，张健，施卫科，等.实时控制系统中CAN总线丢帧及延时的补偿研究[J].计算机测量与控制，2020，28（7）：107-111,116.

[5]李玮，王晶.纯电动汽车电机控制器CAN通信丢失故障处理方法[J].北京汽车，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