应对海量数据挑战——CAN测量模块总线负载控制与X-Link以太网扩展策略

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背景

随着新能源汽车的飞速发展，整车系统日趋复杂，整车性能的可靠性也变得愈发重要。在车辆测试过程中，为应对更加多样的试验需求，传感器的种类和数量会随着测量种类而增加，数据量也会因此变得越发庞大，使得海量数据传输超出了CAN总线承载率，从而导致数据丢失的问题逐渐凸显。对此，需要对总线负载率进行控制。

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案例说明

这里以一个热管理试验来进行负载率的实际计算。

实验目标：

需针对热管理散热系统进行系统水阻、水流量、散热模块通风量和散热负荷等性能测试，以及各零部件之间的功能联调测试。

传感器：

K型温度传感器，采样频率一般为1~10Hz，数量为100个；风速传感器，采样频率为10~100Hz，数量为24个；压力传感器，采样频率一般为10~100Hz，数量为10个；流量传感器，采样频率一般为10~100Hz，数量为4个。

数采模块：

模拟量模块38通道，可支持4路水流量，10路水路压力，24路风速同时采集；温度模块100通道，可支持100个温度点同时采集。数采模块为IPETRONIK M系列模块。

（图1 数据采集系统实例）

（图2 单路CAN通道采集系统框图）

IPETRONIK M系列模块使用的是CAN总线进行通讯，且遵循CAN 2.0 A（11位标识符）和CAN 2.0 B（29位标识符）标准。其可通过适用的应用软件和合适的接口来检测CAN数据和设备数据，传输速率高达1Mbps。

（图3 远程帧CAN 2.0A <11位标识符>）

IPETRONIK M系列数采模块的数据输出报文为一个标准帧（即110位），数据段为8字节（即64位），包含四个通道的试验数据，单个通道数据为16位，且采集数据的波特率一般设置为500Kbps，可设置的上限为1Mbps。

(图4 IPEmotion软件中创建采集通道）

• 温度模块的采样率为10Hz，采集通道为100；

• 风速传感器的采样率为100Hz，采集通道为24；

• 压力传感器的采样率为100Hz，采集通道为10；

• 流量传感器的采样率为100Hz，采集通道为4。

(图5 CAN硬件选项卡)

在IPEmotion软件中完成上述采集通道的配置后，系统自动对当前CAN总线的数据流量进行了实时监测与负载率计算。结果显示，此时总线负载率为29.8%，处于系统建议的合理运行区间内，能够满足当前试验的数据传输需求。

根据以上数据，CAN总线目前满足试验数据量的传输要求。但系统扩展余量小，一旦增加传感器或提高采样率，负载率容易进入临界范围。

(图6 CAN总线过载报警功能)

根据实验表明，负载率在30%的情况下，优先级高节点的平均报文传输时间和理论传输时间相差无几；而优先级低的，存在20%左右的延时；当负载率达到60%的情况下，优先级至高的节点都有至少25%的延时，而优先级至低的延时达到了4倍，可见其根本无法满足实时性；当总线的平均利用率达到70%以上时，总线的通信将可能出现拥堵的现象，且在极端的情况下，将可能造成错误帧的出现。由此，30%左右的负载率是比较好的。

控制策略与系统扩展

为应对高负载率并确保系统可扩展性，可采用以下策略：

1.多CAN通道分配

为应对负载率过高的问题，可通过IPETRONIK的数据记录仪或CAN卡来将传感器进行合理分配。通过多路CAN通道进行数据采集传输，可在降低单路CAN总线负载率的同时，提升数据传输的可靠性。

(图7 多路CAN通道采集系统框图)

2. X-Link模块与以太网集成

对于数据吞吐量要求更高或需要未来扩展的系统，X-Link模块通过利用以太网通信提供了一个更优的解决方案……

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