摘要：CAN总线以其传输速率高、性能好、减少车身线束使用量，广泛用于汽车电子控制系统，但随着需要传输的数据量越来越大，电子配件越来越多，使得总线负载越来越高，高负载率影响网络传输稳定性，因此，优化负载、优化网络拓扑至关重要。
    CAN是一种串行总线式通信协议，当传输速率设置为1 Mb/s时，最大理论传输距离40 m，每帧报文可传输0～8byte的数据，是目前整车最常用的局域网之一。常用的High speed CAN波特率为500 kb/s ,按此速率下的网络通信环境，最大承载能力受限于：当一条网段上所载节点发送报文量超过一定程度时，容易造成网络拥堵、信号传输延迟，甚至导致低优先级的报文传输丢失。
    1.常用CAN协议数据帧简介
    目前常用的 CAN协议为Bosch CAN 2.0 A和CAN2.OB。其中数据帧由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾构成，对于标准数据帧，除数据场外，其他场格式固定，占用位数为47个bit，数据场由0至8个字节组成。
    由于仲裁场和控制场格式被预定义成固定格式，因此理论上的最大位填充在实际情况下不会出现。最贴合实际的负载率计算应考虑50%的位填充，即一帧数据帧应由47～124 bit组成。

    2 总线负载率计算及对传输稳定性影响分析
    2.1总线负载率计算
    总线利用率定义为使用的总位数/可用的总位数。若一条网段传输周期为Tn的报文有ain条，周期为T2的报文有ai2条，周期为Tn的报文有ain条，定义一帧报文长度为Lf，总线传输速率为Ba，则总线负载率为

    取各报文数据场长度为8 byte, Ba= 500 kb/s，则各周期内报文帧数及负载率如表1所示。

    2.2 总线负载率对传输稳定性影响分析
    随着驾驶性能以及安全等级的不断提高，对各类电控系统采集和执行的信号精准的要求越来越高，这使得各ECU之间交互的信息量越来越大，报文不断增多，负载不断增大。
    一般情况下，为保证低优先级的报文传输延迟在可接受的时间范围内，总线利用率不应超过30%。根据Matlab-CANoe仿真分析，当负载率大于38%～40％时，稳定性开始衰减，超过55％后存在影响驾驶性及安全性风险，大于65％时，稳定性衰减加剧，超过98％时，网络将不堪重负，如图1所示。

    根据经验，负载率应控制在50％以内，有较为完善的网络管理策略时，网段负载率应不超过70%。表1所示网段负载率理论值为59.3464%，存在报文丢帧的风险。

    3 总线负载率优化方案
    3.1 信号压缩及调整
    对各信号的接收逐一确认，确定合适的信号精度及周期。
    例1: EMS发送的净扭矩、驾驶员期望扭矩、发动机燃烧扭矩、扭矩损失、飞轮端实际扭矩给TMS、ESC、ACC等，优化前，上述信号的长度为16 bit，精度为0.0138，物理值范围-600～600 Nm ,而接收方实际所用扭矩需求为±5 Nm或±5%（不超过20 Nm ）。取±5 Nm时，需8 bit即可满足需求。
    以此计算，上述5个信号全部由16 bit缩减为8 bit，则共节约40 bit。
    总结：所有占用字节数较多的信号按需重新分配信号长度。
    例2：枚举型信号重排布。ESC发送的左前、右前、左后、右后轮轮速标志位，ABS故障灯、ABS激活等枚举型信号，原定义每个信号一个1或若干个位，上述信号共占用6 bit。如果将以上信号合成一个信号，需表示12种状态，则4 bit即可完成对上述信号的定义。
    例3：压缩式数据加密算法的运用。发送方按照加密算法将数据进行压缩保护，接收方根据对应的解密算法进行解压缩。对压缩和解压缩算法的选取，需保证收发双方数据的一致性。根据压缩的本质，不同功能信号的合理排布，有利于提高压缩效率。
    总结：一个节点所发送的同一周期的枚举型信号，尽可能地合并起来。调整后优化出来的空间，可以被其他信号所用，进而减少报文数量。网关路由的信号，非必要的情况下不用报文路由的方式路由信号。利用压缩式数据加密算法不仅能够有效压缩信号，优化负载，还能提高整车的安全性，防止外部入侵。

    3.2 报文周期调整
    报文发送周期取决于接收方的功能需求，考虑传输延迟的情况下，合理的制定报文发送周期有利于功能的良好实现，使驾驶感更加舒适。
    经调查发现某ECU软件循环周期为7.8xn，则接收5 ms的报文可以改成7 ms，接收10 ms的报文可以改成15 ms。
    报文周期的确定应根据功能需求及ECU软件处理周期来定。

    3.3 基于网段划分的拓扑结构优化
    当一条网段无法满足需求时，常考虑增加网段，对于网段合理的划分至关重要。
    1）经验式网段划分。由于网关路由报文需要先接收再发送，造成一定的延迟，对报文实时性要求较高的节点，不能分开网段布置。对于信息交互量大的节点，也不建议分开网段布置。比如EMS、TMS，一般情况下布置在一条网段上较为合适。
    2）利用遗传算法优化网关划分。利用遗传算法，从若干个待划分的ECU群体开始，一代一代地寻找问题的最优解，直至满足收敛判据或预先设定的迭代次数为止。先将ECU进行编号并排序，然后将ECU对应的未知数取值作为染色体基因，同为0或同为1的ECU表示在同一个网段上，因此染色体的长度就等于网络ECU数，每一个染色体表示一种拓扑设计方案。

   3.4 网络类型调整
    目前常用的车载总线有CAN和LIN , High-CAN传输速率500 kb/s, LIN总线传输速率为19.2 kb/s。加上表1其他功能配置，考虑上述章节3.1-3.3等项优化后，负载率仍较高时，就需要调整总线类型或单ECU引出多条CAN总线。目前常见的有CAN-FD、Flexray, Most, Ethernet等总线，其传输速率及单帧报文传输数据量均高于普通的CAN总线。

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