城轨列车LCU应用现场CAN总线通讯质量评估技术研究.pdf

2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 47 收稿日期：2022-01-11 作者简介：吴彩秀（1986），女，江苏南京人，工程师，主要研究方向为轨道交通电气工程，E-mail：；孔令倩（1992），女，广东深圳人，硕士，主要研究方向为轨道交通电气工程；杨楠（1990），男，四川成都人，主要研究方向为轨道交 通电气工程。城轨列车 LCU 应用现场 CAN 总线 通讯质量评估技术研究 吴彩秀1，孔令倩1，杨楠2（1.深圳地铁集团有限公司，广东 深圳 518000；2.成都运达科技股份有限公司，四川 成都 611731）摘要：针对列车可编程逻辑控制单元产品应用现场采用 CAN 总线，从 CAN 通讯原理与产品通讯总线架构角度分析了 CAN 总线通讯质量问题的产生原因，总结了可能出现的通讯质量问题。通过通讯成功率评估、采样点测试、负载率测试、通讯质量评分等系列方法，形成一套针对现场 CAN 总线通讯质量的评估方法。通过设计 CAN 通讯协议符合性智能评估软件，对 CAN 通讯数据是否符合 CAN 通讯协议要求进行智能分析。最后结合产品运用现场数据，对 LCU CAN 总线通讯质量进行了评估。关键词：城轨列车；CAN 通讯；评估技术；可编程逻辑控制单元；智能数据分析 中图分类号：U285.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.007 文章编号：1006-0316(2023)08-0047-08 Research on Communication Quality Evaluation Technology of Urban Rail Train Logic Control Unit Application Field CAN Bus WU Caixiu1，KONG Lingqian1，YANG Nan2(1.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd,Shenzhen 518000;2.Chengdu Yunda Technology Co.,Ltd.,Chengdu 611731)Abstract：Aiming at the situation that the CAN bus is used in the application field of train programmable logic control unit products,this paper analyzes the causes of CAN bus communication quality problems from the perspective of CAN communication principle and product communication bus architecture,and summarizes the possible communication quality problems.Through a series of methods such as communication success rate evaluation,sampling point test,load rate test and communication quality score,a set of evaluation methods for the communication quality of on-site CAN bus are formed.By designing the intelligent evaluation software of CAN communication protocol compliance,an intelligent analysis on whether the CAN communication data meets the requirements of CAN communication protocol is conducted.Finally,on the basis of the field data of the product,the communication quality of LCU CAN bus is evaluated.Key words：urban rail train；CAN communication；evaluation technology；programmable logic control unit；intelligent data analysis 48 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 城轨列车可编程逻辑控制单元（LCU，Logic Control Unit）各车机箱间通过控制器局域网络（CAN，Contrller Area Network）进行数据共享，CAN 总线通信质量直接关系到列车控制数据的准确性与可靠性。因列车级 CAN 总线长度可能超过 150 m，且应用时不设计有源中继装置，在实验室环境测试与实车复杂电磁环境下存在实验室无法模拟的环境差异。可能在实车运用环境下产生与协议不符的报文、错包、重包、乱序、篡改等错误，最终引起 LCU 列车级 CAN 总线出现丢帧、校验错误甚至安全导向导致列车退出运营。为在装车、调试阶段量化评估 LCU 列车级CAN总线通讯质量，需研究建立一套LCU CAN总线通讯质量评估技术。及早发现 LCU 级联CAN 总线隐患，同时通过对海量 CAN 报文进行分析，智能地评估通讯质量。解决人工排查CAN 质量问题效率低、无法量化、无法可视化等问题，降低装车调试难度，排除 CAN 总线隐患，提升 CAN 总线通讯质量。1 LCU 级联 CAN 通讯架构 LCU 级联 CAN 总线用于多个 LCU 间数据通信。这些 LCU 一般分布在列车各个车厢电气柜，用于共享 LCU 控制指令、列车控制指令、校时指令、列车车号，及其他需显示信息1。LCU 级联 CAN 通信网络拓扑如图 1 所示。LCU3LCU4 图 1 LCU 级联 CAN 通信拓扑示意图 为避免在 CAN 通信过程中发生重复、删除、插入、重排序、损坏、延时错误2，影响LCU 功能和性能，LCU 级联 CAN 通信协议使用增加报文校验、超时识别、序列号等防护措施，并使用双冗余 CAN 增加可用性3。CAN 通讯是小范围实时通信网络，通信距离与速率成反比。如图 2 所示，LCU 级联 CAN通讯速率设计与通讯距离负相关。图 2 CAN 通讯速率与通讯距离特性曲线 2 LCU 级联 CAN 总线通讯质量评估 根据 LCU 装车调试经验，LCU 级联 CAN总线通讯质量评估分为通讯成功率评估、采样点测试、CAN 幅值评分、CAN 扰动评分、CAN斜率评分。最终通过 CAN 通讯质量智能评估确认级联 CAN 通讯数据内容与周期正确性。图 3 LCU 级联 CAN 通讯质量评估流程 2.1 通讯成功率评估 LCU 级联 CAN 在较高通讯负载率下，对错误容忍度较低。当出现 CAN 总线硬件终端电阻设计错误、斜率电阻参数设计错误、软件驱动设计错误等情况时，将导致 CAN 总线通信错误。此时能够在 CAN 总线上监测到错误帧，同时 CAN 通信成功率将低于 100%。故通讯成功率是LCU级联CAN通讯质量重要的评估因素。2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 49 如图 4 所示，现场质量评估中，监测到通讯成功率为 100%。由于通讯成功率一般与硬件特性、CAN 总线布线、EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）特性等有关，故质量评估中若发现 CAN 通讯成功率低于 100%，则视为 CAN布线质量不合格。即通讯成功率为 CAN 通讯质量 KO（Key Objective，关键任务）项。CAN 通信成功率评估分为错误帧抓取和发现异常后的排查措施。CAN 错误帧抓取通过连接到 CAN 总线的 CAN 通信终端接收 CAN报文，并通过上位机软件实时分析错误帧出现情况。CAN 通信成功率评估流程如图 5 所示9。图 4 现场 LCU 级联 CAN 通讯成功率监测 图 5 LCU 级联 CAN 通信质量评估通信成功率评估及异常处置流程 当发现错误帧时，应检查终端电阻情况，并检查级联 CAN 线路连接是否稳固。2.2 CAN 通讯采样点测试 CAN 通讯总线采用差分线通讯，无需时钟信号线并由接收端内部定时触发采集，虽避免了同步串行通信需要时钟信号线的缺点，但也引入了波特率误差会产生通信错误的问题8。对此，CAN 通讯总线规定信号的跳变沿时刻进行同步，将累计误差限制在两个跳变沿之间。并在发送多个相同位时，为避免误差累计，在连续 5 个相同位后插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。通过位填充提供同步信号，从而消除累计误差8。CAN 采样点位置是否标准且一致是评估 CAN 通讯硬件、布线等是否正常的依据之一，图 6 是调试现场测试的采样点。由于 CAN 通讯采样点测试与 CAN 总线上各通讯节点硬件设计、制造、时钟准确性及总线上干扰、通讯波特率等因素相关。故发现采样点异常时，则视为现场 CAN 总线通讯质量不合格，即 CAN 采样点为 CAN 通讯质量 KO 项。CAN 总线采样点测试及异常处置排查流程如图 7 所示。图 6 CAN 通讯采样点测试 发现采样点异常时，应重新检查该总线上通讯的所有节点，包括其软件版本、通讯波特率、工作频率等。在对经检测发现异常的节点进行修正后，再次测试，直至测试通过。50 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 图 7 CAN 总线采样点测试及异常处置排查流程 2.3 CAN 通讯负载率测试 对 LCU 产品而言，CAN 通讯负载率一般是确定且稳定的，正常情况下不会出现较大波动。以 CAN 总线扩展帧为例：假设数据长度为8 byte，其组成包括帧起始（1 bit）、仲裁域（32 bit）、控制域（6 bit）、数据域（88 bit）、循环冗余码域（15 bit）、分隔符（1 bit）、应答域（2 bit）和帧结尾（7 bit）。故对 CAN 扩展帧而言，帧最大长度共计 128 bit。当通信波特率为 1 Mb/s 时，有：KN0.0128%（1）式中：K 为 CAN 总线负载率；N 为总线上每秒扩展帧数量。在已知每秒帧数量的情况下，能够通过式（1）计算出每秒的总线负载率。根据对现场级联 CAN 总线测试得到的每秒帧数量计算得到的 CAN 总线负载率波动情况如图 8 所示。负载率/%图 8 CAN 总线负载率 一般而言，CAN 通信负载率应在一个稳定区间内小幅波动，通过不同车间 CAN 负载率对比，能较为直观地观察出是否整列车设备都正常启动并向总线上发送报文。2.4 CAN 通讯质量评分 CAN 通讯差分信号电平幅值，对信号的产生与接收非常重要，是 CAN 总线上收发器在逻辑信号与物理信号间转换的依据。当差分电平为隐性时，表示逻辑“1”，当差分电平为显性是，表示逻辑“0”。ISO 11898 标准下高速 CAN差分电平如图 9 所示4。电平/V 图 9 ISO 11898 高速 CAN 电平 当幅值稳定时，CAN 收发器很容易解析出逻辑值，但如果幅值较低，导致差分信号压差低于收发器解析阈值，收发器可能误判，从而导致 CAN 通讯异常11。CAN 总线一般采用双绞线传输差分信号，如图 10 所示，如果出现共模干扰，则会使信号线上产生相同幅度和相位的干扰脉冲。线路受到共模信号干扰后，信号差值不变，信号依然正确传输。但当线缆双绞圈数不足、布线环境电磁干扰过大或其他情况下，容易产生过多、过大幅2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 51 度干扰或干扰只在某一条差分线上的情况，导致差分信号在受干扰位置被 CAN 收发器解析出错误逻辑值，从而通讯失败5。所以需进行通讯干扰幅度监测与横向对比，发现通讯质量薄弱环节并加以改进，以改善 CAN 通讯质量。图 10 双绞线对干扰脉冲的作用 当出现终端电阻异常等状况时，CAN 通讯差分线斜率往往会出现异常，产生上升沿/下降沿变化缓慢的情况。如图 11 所示，上升缓慢对持续时间较短的逻辑 1 信号，会导致采样点采集到的电平不满足高电平电压值，从而导致通讯异常。一般而言，距离测试点越远的通讯节点，差分信号幅值越低、收到干扰越大、斜率越小。当 CAN 通讯幅值不足时，需检查对应通讯节点幅值。发现干扰较多时，需对比其他列车在相同距离上 CAN 通讯干扰情况。若存在明显异常，则需检查 CAN 通讯布线。当斜率异常时，需检查 CAN 通讯终端电阻及挂载在总线上的节点 BOM（Bill of Material，产品结构表）是否正确。信号质量测试与量化评分对比如图 12所示。图 11 上升沿镰刀状波形 图 12 幅值、扰动、斜率综合质量评分 2.5 CAN 通讯协议符合性智能评估 当 LCU 级联 CAN 总线布线完成，并完成物理层通讯质量评估后，需针对 LCU CAN 通讯报文数据内容与周期是否符合通讯协议进行评估6。人工分析虽然能够在明确知晓异常目标时针对性找出错误，但对海量报文的正确性与周期正确性进行分析却会消耗过多资源。同4365 个分类 706050403020100质量/%01390100 01390101 01390103 01390104 01390105 01390107 01390108 01390109 0139010B 0139010C 0139010D 0139010F 01390110 01390111 01390113 01390114 01390115 01390117 01390118 01390119 0139011B 0139011C 0139011D 0139011F 01390120 01390121 01390123 01390124 01390125 01390127 01390128 01390129 0139012A 0139012B 0139012C52 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 时，不同列车方案下产生的 LCU 报文不同，无法进行简单通用的对比7。LCU CAN 通讯协议符合性智能评估软件界面如图 13 所示。软件设计通过现场采集十万帧报文，智能学习被测 LCU CAN 总线上的 LCU 配置，并根据报文类型、周期、数据内容，产生报文周期期望值与报文数据区期望。智能学习过程如图14 所示。当软件接收到来自智能学习模块的允许运行通知及开始分析指令后，开始对待分析 CAN报文的分析。分析开始后，首先进行本文件异常 ID 剔除。对比来自智能学习模块输出的数据期望区期望 CAN ID 与待分析文件所有 CAN ID，如果发现不一致，则将存在不一致的 CAN ID 报文全部内容输出至 UI 模块。若不存在异常 CAN ID，则继续对比 CAN数据区与 CAN 报文周期，并输出显示不符合项。图 13 LCU CAN 通讯协议符合性智能评估软件界面 图 14 LCU CAN 通讯协议符合性智能评估软件智能学习过程 3 LCU 现场 CAN 通讯质量评估 针对 LCU 在深圳地铁一号线列车上的应用，装车调试时使用 LCU CAN 总线通讯质量评估技术对LCU级联CAN通讯状态进行评估。深圳地铁一号线 109 车 LCU 级联 CAN 实车通讯数据成功率及采样点测试如图 15 所示。可以看出，现场接收一万帧数据测试，成功率100%，无错误帧，采样点位置正常。2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 53 （a）通讯成功率测试 （b）采样点测试 图 15 现场 CAN 质量评估 深圳地铁一号线 109 车 LCU 级联 CAN 实车通讯负载率测试通讯负载率 36%40%，无异常波动。现场装车不同 LCU 在 CAN 总线上位置关系如图 16 所示。图 16 装车现场 A1/B1/B2/A2 LCU 位置关系 不同车现场 CAN 通讯质量评分如图 17 所示。可以看出，B1 车 CAN 通讯质量明显偏低。根据现场分析，通讯质量与距离负相关，即在相同设备条件下 B1 车 LCU 作为中间车 CAN通讯节点，质量评分应高于 A1 车。根据这一情况，对 B1 车 LCU CAN 通讯板进行更换，然后再次测试，如图 18 所示，发现CAN 通讯质量评分恢复，CAN 通讯质量问题排除。LCU CAN 总线通讯质量评估技术提供了一套经过实践检验有效的LCU级联CAN装车、调试中的通讯质量评估方法。并针对各种现场CAN 总线问题，给出排查与解决方案。4 结束语 本文针对城轨列车 LCU 提出一套级联CAN 总线通讯质量评估技术。通过通讯成功率评估、采样点测试、CAN 幅值评分、CAN 扰动评分、CAN 斜率评分，以及最终的 CAN 通讯质量智能评估，提升了 LCU 在装车联调、初期运营等运用、调测阶段定位和排除 CAN 通讯问题的效率。54 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 （a）A1 车 （b）B1 车 （c）B2 车 图 17 不同车现场 CAN 通讯质量评分 图 18 B1 车 LCU 更换通信板备件后 CAN 通讯质量 参考文献：1郑玄，何晔，苏钊颐，等.城轨列车三取二逻辑控制单元设计J.电力机车与城轨车辆，2019，42（6）：21-23.2杨福宇.CAN 总线的功能安全问题J.单片机与嵌入式系统应用，2013，13（2）：17-20.3何晔，陈健，杨楠，等.地铁列车三取二逻辑控制单元 CAN 通信智能监测软件设计J.机电信息，2020（27）：108-109.4吕强.地铁列车 LCU 系统技术发展与应用J.科技创新导报，2016（28）：1-2.5蒋建文，林勇，韩江洪.CAN 总线通信协议的分析和实现J.计算机工程，2002，28（2）：219-220.6包寿红，张彤，余才光，等.混合动力总成台架 CAN 总线干扰分析J.安全与电磁兼容，2018（4）：67-71.7李才坤，劳启恒，陈文辉.车载 CAN 总线协议分析仪设计J.中国科技信息，2017（14）：82-84.8肖彬.CAN 总线载波侦听点位测量方法研究J.计测技术，2021，41（6）：59-65.9杨炯，丁常坤，郑彦朴.CAN 总线使用率和故障侦测系统设计研究J.现代信息科技，2019（15）：42-44.10田涌君，蔡其瑾，唐风敏，等.CAN 总线网络品质评价方法研究J.汽车电器，2021（3）：26-28.6050403020100质量/%023E0133 013E0332 0639028F 063901EA 013E0130 013903CD 013901F6 0835015F 013903D9 3871 个分类 50 40 30 20 10 0质量/%023E0133 013E0332 0639028F 063901EA 013E0130 013903CD 013901F6 0835015F 3871 个分类 6050403020100质量/%023E0133 013E0332 0639028F 063901EA 013E0130 013903CD 013901F6 0835015F 3871 个分类 80706050403020100质量/%023E0133 013E0332 0639028F 063901EA 013E0130 013903CD 013901F6 0835015F 013903D9 0339021F 0339014D 3689 个分类