用于隔离控制器局域网络中的故障的方法和装置制造方法

用于隔离控制器局域网络中的故障的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种用于隔离控制器局域网络中的故障的方法和装置。一种移动系统上的控制器局域网络（CAN）具有包括通信总线和节点的多个CAN元件。一种用于监测CAN的方法包括检测CAN的无效节点，并且基于CAN的无效节点和用于CAN的网络拓扑，采用车外控制器来识别CAN中的候选故障。基于候选故障隔离CAN中的故障。
【专利说明】用于隔离控制器局域网络中的故障的方法和装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及控制器局域网络中的通信以及与其相关联的故障隔离。

【背景技术】
[0002] 在本部分中的叙述仅提供与本发明相关的背景信息。因而，这样的叙述不是意在 构成承认是现有技术。
[0003] 车辆系统包括多个子系统，举例说明包括发动机、变速器、车座/操纵部、制动器、 HVAC以及乘员保护。可以使用多个控制器来监测和控制子系统的操作。控制器可以构造为 经由控制器局域网络（CAN)进行通信，以响应于操作者指令、车辆操作状态以及外部条件协 调车辆的操作。在其中一个控制器中可能发生故障，故障经由CAN总线影响通信。
[0004] 网络例如CAN的拓扑是指网络元件之间的连接布置，并且优选地包括具有互连或 分散的电源、接地或者在它们之间的通信链路的多个节点。物理拓扑描述包括链路和节点 的物理元件的布置或布局，其中节点包括控制器和其他连接设备，并且链路包括电源线、接 地线或通信线。逻辑拓扑描述数据消息或电力在采用链路的节点之间的网络内的流动。已 知的CAN系统对所有控制器采用电源线和地线的分离的电源和接地拓扑。已知的控制器通 过在不同周期在CAN总线上发送的消息互相通信。
[0005] 已知的系统在消息接收控制器处检测故障，其中在控制器的交互作用层处使用信 号监督和信号暂停监测来完成对消息的故障检测。故障可以报告为通信丢失，例如传送数 据消息的丢失。这种检测系统一般不能识别故障的根源，并且不能区分瞬时故障和间歇性 故障。一种已知的系统需要单独监测网络的物理拓扑的硬件和尺寸细节，以有效地监测和 检测网络中的通信故障。


【发明内容】

[0006] 一种在移动系统上的控制器局域网络（CAN)具有多个CAN元件，其包括通信总线 和节点。一种用于监测CAN的方法包括检测CAN的无效节点，并且基于CAN的无效节点和 CAN的网络拓扑采用车外控制器来识别在CAN中的故障。基于候选故障隔离在CAN中的故 障。
[0007] 本发明还提供如下方案： 1. 一种监测移动系统上的包括多个控制器局域网络（CAN)元件的CAN的方法，所述CAN元件包括通信总线和多个节点，所述方法包括： 检测CAN的无效节点； 基于所述CAN的无效节点和用于所述CAN的网络拓扑，采用车外控制器来识别所述CAN中的候选故障；以及 基于所述候选故障隔离所述CAN中的故障。
[0008] 2.如方案1所述的方法，其中采用车外控制器来识别所述CAN中的候选故障包 括： 将所述CAN的无效节点和与用于所述CAN的网络拓扑相关联的多个故障特征矢量进行 比较； 识别与所述CAN的无效节点对应的所述故障特征矢量中的一个； 确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状；以及 基于所述故障症状识别所述CAN中的候选故障。
[0009] 3.如方案2所述的方法，其中确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括 采用CAN的网络拓扑的可达性分析，其中监测通信来确定哪个节点是对所述故障症状无效 的。
[0010] 4.如方案2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在电 源与节点之间的断开链路。
[0011] 5.如方案2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在电 接地与节点之间的断开链路。
[0012] 6.如方案2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在第 一节点与第二节点之间的断开通信链路。
[0013] 7.如方案2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括节点 中的故障。
[0014] 8.如方案2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在第 一节点与第二节点之间的通信链路中的短路。
[0015] 9.如方案1所述的方法，其中检测CAN的无效节点包括采用车载控制器来监测来 自所述CAN的节点的通信、以及将在预定时间周期内不能在所述CAN上生成消息的所述CAN 的任何节点识别为无效。
[0016] 10.如方案1所述的方法，还包括： 采用车载监测程序来检测所述CAN的无效节点并且捕捉对应的时间戳；以及 响应于询问，将所述CAN的无效节点和对应的时间戳传送至所述车外控制器。
[0017] 11. -种监测移动系统上的包括多个控制器局域网络（CAN)元件的CAN的方法，所 述CAN元件包括信号地连接到通信总线的多个控制器，所述方法包括： 采用车载监测程序来将所述CAN的控制器中的每个识别为有效或无效； 响应于询问，将所述CAN的已识别的有效和无效控制器传送至车外控制器； 采用所述车外控制器，基于所述CAN的无效控制器和用于所述CAN的网络拓扑，来识别 所述CAN中的候选故障；以及 基于所述候选故障隔离所述CAN中的特定故障。
[0018] 12.如方案11所述的方法，其中采用车外控制器来识别所述CAN中的候选故障包 括： 将所述CAN的无效控制器和与用于所述CAN的网络拓扑相关联的多个故障特征矢量进 行比较； 识别与所述CAN的无效控制器对应的所述故障特征矢量中的一个； 确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状；以及 基于所述故障症状识别所述CAN中的候选故障。
[0019] 13.如方案12所述的方法，其中确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包 括采用CAN的网络拓扑的可达性分析，其中监测通信来确定哪个控制器是对所述故障症状 无效的。
[0020] 14.如方案12所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在 电源与控制器之间的断开链路。
[0021] 15.如方案12所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在 电接地与控制器之间的断开链路。
[0022] 16.如方案12所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在 第一控制器与第二控制器之间的断开通信链路。
[0023] 17.如方案12所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括控 制器中的故障。
[0024] 18.如方案12所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在 第一控制器与第二控制器之间的通信链路中的短路。
[0025] 19.如方案11所述的方法，其中将所述CAN的控制器中的每个识别为有效或无效 包括采用车载控制器来监测来自所述CAN的控制器的通信、以及将在预定时间周期内不能 在所述CAN上生成消息的所述CAN的任何控制器识别为无效。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 现在将参考附图举例描述一个或多个实施例，其中： 图1示出了根据本发明的包括控制器局域网络（CAN)的移动车辆，CAN包括CAN总线和 多个节点例如控制器以及车外设备； 图2示出了根据本发明的示例性CAN，其包括控制器、监测控制器、电源、电池星状体和 地，每个如图所示经由链路连接； 图3示出了根据本发明的检测CAN中的无效控制器的车载CAN监测程序；以及 图4示出了根据本发明的确定候选故障的车外故障隔离程序，S卩，断开链路、线路短路 或者采用故障特征矢量的故障控制器。

【具体实施方式】
[0027] 现在参考附图，其中附图仅是为了示出某些示例性实施例，而不是为了限制本发 明，图1示意地示出了包括控制器局域网络（CAN)的移动车辆8,控制器局域网络（CAN)包 括CAN总线15和多个节点，S卩，控制器10、20、30和40。术语"节点"是指信号地连接到CAN 总线15并且能够通过CAN总线15发送、接收和/或转发信息的任何有源电子设备。每个 控制器10、20、30和40信号地连接到CAN总线15并且电连接到电力网60和接地网70。每 个控制器10、20、30和40包括电子控制器或者其他车载设备，其构造为监测或控制车辆8 的子系统的操作，并且经由CAN总线15进行通信。在一个实施例中，其中一个控制器例如 控制器40构造为监测CAN50和CAN总线15,并且在本文中可以称为CAN控制器。控制器 40信号地连接到通信设备42,其构造为采用直接硬件线路连接43和/或无线远程通信连 接44将数字消息传送至车外设备45。直接硬件线路连接43和无线远程通信连接44采用 任何适当的通信协议。
[0028] CAN 50的图示实施例是CAN的非限制性示例，其可以以多种系统配置中的任意一 种使用。每个CAN描述为采用包括电源、地和在包括控制器和其他电子设备的节点之间的 通信链路的物理布置的网络拓扑。网络拓扑例如CAN是指网络元件之间的连接布置，并且 优选地包括具有互连或分散的电源、地或者在它们之间的通信链路的多个节点。拓扑图发 展为包括通信拓扑、电源拓扑和接地拓扑。网络拓扑涉及在节点和其他元件例如电源和地 源之间的信号、电力和接地连接性，并且在节点之间的物理或直线距离、物理互连、传输速 率、和/或信号类型是其次考虑的。因此，在不同车辆配置上可以发现提供通用功能的通用 网络拓扑。
[0029]CAN总线15包括多个通信链路，包括在控制器10和20之间的第一通信链路51、在 控制器20和30之间的第二通信链路53、以及在控制器30和40之间的第三链路通信55。 电力网60包括电源62,例如电池，其电连接到第一电源总线64和第二电源总线66,以经由 电源链路向控制器10、20、30和40提供电力。如图所示，电源62经由以串联配置布置的电 源链路连接到第一电源总线64和第二电源总线66,其中电源链路69将第一电源总线64 和第二电源总线66相连。第一电源总线64经由以星型配置布置的电源链路连接到控制器 10和20,其中电源链路61将第一电源总线64和控制器10相连，并且电源链路63将第一 电源总线64连接到控制器20。第二电源总线66经由以星型配置布置的电源链路连接到 控制器30和40,其中电源链路65将第二电源总线66和控制器30相连，并且电源链路67 将第二电源总线66连接到控制器40。接地网70包括车辆接地线72,其连接到第一接地总 线74和第二接地总线76,以经由接地链路向控制器10、20、30和40提供电接地。如图所 示，车辆接地线72经由以串联配置布置的接地链路连接到第一接地总线74和第二接地总 线76,其中接地链路79将第一接地总线74和第二接地总线76相连。第一接地总线74经 由以星型配置布置的接地链路连接到控制器10和20,其中接地链路71将第一接地总线74 和控制器10相连，并且接地链路73将第一接地总线74连接到控制器20。第二接地总线 76经由以星型配置布置的接地链路连接到控制器30和40,其中接地链路75将第二接地总 线76和控制器30相连，并且接地链路77将第二接地总线76连接到控制器40。可以采用 具有相似效果的用于控制器10、20、30和40和CAN总线15的通信、电源和接地的分布的其 他拓扑。
[0030] 车外设备45可以包括在车辆诊断和维修中心的服务区使用的手持式扫描工具。 车外设备45也可以包括远程定位服务中心。车外设备45构造为与通信设备42通信，包括 向控制器40交互询问消息。车外设备45优选地包括控制器元件、包括可以与CAN50相关 的网络拓扑的存储器元件、以及如本文描述地执行以远程识别CAN50中的故障的分析元 件。
[0031] 控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下部件中 的一个或多个的任何一种或各种组合：专用集成电路（ASIC)、电子电路、执行一个或多个 软件或固件程序或者例行程序的中央处理单元（优选微处理器）及相关联的内存和存储器 (只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/ 输出电路和设备、适当的信号调节缓冲电路、以及提供所述功能的其它部件。软件、固件、程 序、指令、例行程序、代码、算法以及类似的术语表示包括校准和查找表在内的任何指令集。 所述控制模块具有一组控制例行程序，通过执行这组例行程序来提供期望的功能。例行程 序由例如中央处理单元执行，例行程序是可操作的以监测来自感测设备和其它联网控制模 块的输入，并执行控制和诊断例行程序来控制致动器的操作。在正在进行的发动机工作和 车辆运行期间，可以以定期间隔（例如每100微秒、3. 125、6. 25、12. 5、25和100毫秒）执行 例行程序。替代地，可以响应于事件的发生来执行例行程序。
[0032] 控制器10、20、30和40每个经由CAN总线15跨过CAN50发送和接收消息，对于不 同的控制器，消息传输速率可以以相同或不同的周期发生。CAN消息具有已知的预定格式， 在一个实施例中，其包括帧开始（S0F)、标识符（11位标识符)、单向远程发送请求（RTR)、 主导单向标识符扩展（IDE)、保留位（r0)、4位的数据长度代码（DLC)、长达64位的数据 (DATA)、16位的循环冗余校验（⑶C)、2位的应答（ACK)、7位的帧结束（EOF)以及3位的帧间 间隔（IFS)。CAN消息可能被破坏，其中已知的错误包括填充错误、格式错误、ACK错误、位1 错误、位0错误以及CRC错误。使用错误来产生错误警报状态，包括主动错误状态、被动错 误状态、以及总线掉线错误状态中的一个。主动错误状态、被动错误状态以及总线掉线错误 状态是基于增加数量的已检测总线错误帧即增加的总线错误计数来分配的。已知的CAN总 线协议包括提供整个网络数据一致性，这会导致本地错误的全局化。这样允许故障的非静 止控制器在CAN总线15上破坏来源于另一个控制器的消息。
[0033] 导致在CAN总线上的消息丢失的通信故障可以是其中一个控制器中的故障、CAN 总线的其中一个通信链路中的故障、电力网的其中一个电源链路中的故障、和接地网的其 中一个接地链路的故障的结果。拓扑图可以展开为包括通信拓扑、电力拓扑以及接地拓扑。 通过去除断开链路，对每个拓扑图进行可达性分析。参考图2描述了拓扑图的可达性分析 的一个实施例。
[0034] 图2示出了示例性CAN400的网络拓扑，示例性CAN400包括控制器402、404和 406、监测控制器408、电源410、电池星状体412以及地414,每个如图所示经由链路连接。监 测控制器408观察指示各个故障集的症状，其中每个故障集具有包括一组无效控制器的对 应故障特征。监测功能显示为由控制器408执行，但可以理解在通信总线上的控制器402、 404、406和408中的任意一个或所有可以构造为执行故障诊断，因为CAN总线上的任何消息 可以在所有控制器节点处观察。
[0035] 为网络拓扑生成故障模型，并且故障模型包括由监测控制器对多个故障的每个观 察的多个症状、以及对应的故障特征矢量Vfinarti'其包括与之相关联的一组被观察的无效 控制器。与参考图2描绘的网络拓扑相关联的示例性故障模型包括如下，其中CAN400的 网络拓扑包括控制器402 [1]、404 [2]和406 [3]、监测控制器408 [0]、电源410 [4]、电池星状 物412 [5]以及地414 [6]。故障模型是采用网络拓扑的可达性分析来得出的，其中归纳症状 并且监测通信来确定哪个控制器对于该症状是无效的。

【权利要求】
1. 一种监测移动系统上的包括多个控制器局域网络（CAN)元件的CAN的方法，所述CAN 元件包括通信总线和多个节点，所述方法包括： 检测CAN的无效节点； 基于所述CAN的无效节点和用于所述CAN的网络拓扑，采用车外控制器来识别所述CAN 中的候选故障；W及 基于所述候选故障隔离所述CAN中的故障。
2. 如权利要求1所述的方法，其中采用车外控制器来识别所述CAN中的候选故障包 括： 将所述CAN的无效节点和与用于所述CAN的网络拓扑相关联的多个故障特征矢量进行 比较； 识别与所述CAN的无效节点对应的所述故障特征矢量中的一个； 确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状；W及 基于所述故障症状识别所述CAN中的候选故障。
3. 如权利要求2所述的方法，其中确定与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括 采用CAN的网络拓扑的可达性分析，其中监测通信来确定哪个节点是对所述故障症状无效 的。
4. 如权利要求2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在电 源与节点之间的断开链路。
5. 如权利要求2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在电 接地与节点之间的断开链路。
6. 如权利要求2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在第 一节点与第二节点之间的断开通信链路。
7. 如权利要求2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括节点 中的故障。
8. 如权利要求2所述的方法，其中与所识别故障特征矢量相关联的故障症状包括在第 一节点与第二节点之间的通信链路中的短路。
9. 如权利要求1所述的方法，其中检测CAN的无效节点包括采用车载控制器来监测来 自所述CAN的节点的通信、W及将在预定时间周期内不能在所述CAN上生成消息的所述CAN 的任何节点识别为无效。
10. -种监测移动系统上的包括多个控制器局域网络（CAN)元件的CAN的方法，所述 CAN元件包括信号地连接到通信总线的多个控制器，所述方法包括： 采用车载监测程序来将所述CAN的控制器中的每个识别为有效或无效； 响应于询问，将所述CAN的已识别的有效和无效控制器传送至车外控制器； 采用所述车外控制器，基于所述CAN的无效控制器和用于所述CAN的网络拓扑，来识别 所述CAN中的候选故障；W及 基于所述候选故障隔离所述CAN中的特定故障。
【文档编号】H04L12/40GK104468175SQ201410470400
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】S.蒋 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司