（控制科学与工程专业论文）混合动力电动汽车车载网络canopen协议及其应用研究.pdf

j i ；| ； 7 ： i | 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：耋垄! 车：导师签名：叁盖：盔兰 日期： 如( 矿。厂加 。， j ， 1tf，r 摘要 摘要 燃油汽车对石油消耗和环境污染日益严重的今天，融合了内燃机汽车和电动 汽车优点的混合动力电动汽车( h y b n de l e c t r i cv e l l i c l e s ，h e v ) ，是解决排污和能 源问题最具现实意义的途径之一。另外，汽车内部电子控制器件的不断增加使网 络化的汽车整体控制成为当前汽车电子产业的主要发展方向之一。c a n ( c c i n t r o l l e r 觚an e 铆o r k ) 总线由于其低成本、高可靠性、高抗干扰能力和高实 时性等特点，成为汽车内部控制网络的主要载体。作为c a n 总线的应用层协议 之一，c a n o p e i l 具有高度的灵活性和可配置性，成为电动汽车和混合动力汽车 控制网络的首选标准协议。本课题的研究目的就是设计并实现混合动力电动汽车 的c a n o p e n 协议。 本文首先概要介绍了车载总线网络的发展，对c a n 总线以及c a n o p e n 高 层协议进行了分析；以串联式混合动力电动汽车( s h e v ) 为对象，对其驱动系 统结构进行了分析，构建了基本的c a n o p e i l 网络框架。 其次在基于e c o s 嵌入式实时操作系统的p o w e r p c 处理器硬件平台上，设计 实现了串联式混合动力电动汽车动力总成控制器的c a n o p e i l 从节点协议栈，其 中对象字典的构建采用主索引定位，子索引确定对象的思想设计，提高了搜索效 率，加快了对象字典的读写速度。 然后在c a n o p e i l 协议中引入了网络动态调度算法最早时限优先级调度算 法( e a l l i e s td e a d l i n ef i r s t ，e d f ) ，实现了c a n o p e n 协议与高级调度算法的有 效结合。实验结果表明，该方法提高了网络带宽利用率和整个网络信息的实时性， 降低了网络负载。 最后，给出了基于c a n o e 环境的c a n o p e n 网络系统开发与测试的方法， 并对建立的c a n o p e n 从站进行了一致性和实时| 生测试。测试结果表明，本文所 设计的c a n o p e n 从站协议栈基本符合c a n o p e l l 应用层协议标准( c i ad s 3 0 1 ) ； 并且从站的数据更新率达到2 k h z ，满足混合动力汽车车载网络对实时性的要求。 关键词混合动力电动汽车；c a n 总线；c a n o p e n 协议；e d f 调度算法 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t o d a y ，a so i lc 0 n s u m p t i o na i l de n v i r o i l i l l e n t a lp 0 1 l u t i o nb y 向e lv e h i c l e sh 嬲 b o m ei n c r e a s i n 西ys 嘶o u s a n dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h y b n de 1 e c t r i cv e h i c l e s ， h e ，w h i c hc o m b i n ea d v a l l t a g e so fi n t e m a lc o m b u s t i o ne 1 1 百n e s 觚d e l e c t r i c v e h i c l e s ，i so n eo fm em o s tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ew a y st os o l v em ep r o b l e mo f w a g e 锄de l l e r g y f u m l e n n o r 岛1 e 钯1 dt 0r e p l a c e 1 em e c h 觚i c a lp a r t si i lv e h i d e b ym i c r o c o n t 1 l e r sm a k e st l l en e t w o 越i z e ds y s t 锄a t i cc o n 仃d 1 l i n ga ni m p o r t a l l _ t n 癸汜a l hf i e l di nc u l l e n tv 锄c l ei c s e a i c hd o n l a i n a so n eo fm en l a i nn e t 、v o r k p l a 渤m s ，c a n ( c o n t r 0 1 1 e ra r e an e 呐o r k ) b u s ，b e c a u s eo fi t sl o wc 0 s t ，h i 曲 础a b i l i 坝h i g l la n t i i n t e r 向e i l c ea b i l i t ) ，觚dh i 曲r e a l t i m ec h a r a c t 舐s t i c s ，h a sb e e i l m em a i nc a m e rw i “nav e h i c l ec o n t ：m ln e t w o f k a m o n gt h ee x i s t e dh i 曲l e v e l 州o c o l sb a s e do nc a n ，m ec a n o p e l la p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lp o s s e s s e se x c e l l e n t n e 】【i b i l i t ya i l dc o n f i g u r a t i o nc a p a b i l i t ) ，t h u si ti st l l ef i r s tc h o i c eo fn o w a d a y sc o n t r d l n 柏o r k si ne l e c t r i cv e h i c l e s 锄dh y b r i dv e h i c l e s s om e9 0 a lo f0 1 1 rr c s e a r c hi st o d e s i 印a 1 1 di m p l e i l l e n tm ep m f i l eo nh e v sc a n o p e n t l l i sp 印e rj f i r s to u t l i n e sm ev e l l i c l e sn e 铆o r k s d e 、，e l o p m e n tb a c k 鲫m d ， i n 纽o d u c e st h ec a na 1 1 dc a n o p e nh i 曲e rl a y e rp r o t o c o l s a r e rad e t a i l e ds t u d yf o r t h e 嘶v i n gs y s t e ms t r u c t u r eb a s e do ns 甜e sh y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ( s h e v ) ，ab a s i c h e v sc a n 叩e np r o t o c o l 行锄e w o r ki sb u i l t s e c o n d l y ，ac a n o p e l lp m t o c o ls t a c ko ns h e vp o w e r t r a i nc 0 i l t l o l l e rn o d e ， 谢l i c hb a s e do nm ep o w e r p cp r o c e s s o ra n de m b e d d e dc o n f i g l l r a b l eo p e r a t i n gs y s t 锄 ( e c o s ) ， i sd e s i 髓e da n di m p l e m e n t e d a n dt h ei d e a ，o r i e l l t a t i o nw i t ht h ei n d e xa n d d e t 黜i n i n gm eo b j e c tw i mas u b i n d e x ，i su s e df o r t h eo b j e c td i c t i o n a 巧sc o n s t m c t i o n t h i sm e t h o dc a nr a i s em es e a r c he 伍c i e n c ya 1 1 d s p e e du pt ot h eo b j e c td i c t i o n a r y r d w 矗t es p e e d t 1 1 e n ，d y n 锄i cs c h e d u l i n ga l g o 瑚瑚- t h ef i r s tt i m e 埘o d t ys c h e d u l i n g a l g o r i t l l i l l ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ，e d f ) i si n t r o d u c e d i nt l l e c a n o p e np r o t o c 0 1 n e t 、o r k ，a i l dt h ee f f e c t i v ei n t e 孕a t i o no fc a n o p e np r o t o c o la n de d fa d v a n c e d s c h c d u l i n ga l g o 订皿s i s a c l l i e v e d e x p 甜m e n t a lr e s u l t ss h o wm a t m i sm e m o d i i i l l ，r o v e st h en 娟o r kb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dr e a l t i m ei n f o m a t i o nt h r o u 曲o u tt h e i 斌w o r k ，r e d u c i n gn e t w o r kl o a d f i n a l l y ，c a n o p e nn e t w o r k ss y s t e md e v e l o p m e n ta n dt e s t i n g s ，w h i c ha r eb a s e d i l i 北京工业大学工学硕士学位论文 o nc a no ee n v i r o 】m e n t ，a r es t u d i e d a n dt h e n c o n s i s t e n c ya n dr e a l t i m eo ft h e c a n o p e l ls l a v es t a t i o ne s t a b l i s h e da b o v ea r et e s t e d t e s tr e s u l t ss h o wm a tm e c a n o p e l ls l a v es t a c kd e s i 印e di nt h i sp a p e rb a l s i c a l l ym e e tm ec a n o p 饥a p p l i c a t i o n l a y 盯p r o t o c o ls t a i l d a r d ( c i ad s 3 0 1 ) a n di tc a l lw o r ka tam a x i l l l a l2 k h zd a t a u p d a t m gr a t e ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r 钮1 e i l t sf o rr e a l t i m ei i l h v b r i de l e c t r i c v e h i c l e sn e t w o r k k e y w o r d sh e v ；c a nb u s ；c a n o p e l lp r o t o c o l ；e d fs c h e d u l i n ga 1 9 0 硎：l i l l i v 一 静 l f j _f 目录 目录 摘要1 a 8 s t r a c t i ll 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 车载总线的发展1 1 1 2c a n 总线应用现状- 2 1 1 3c a n o p e i l 协议的发展及研究现状3 1 1 4 分布式控制网络中动态调度算法6 1 2 课题的任务及意义7 1 3 论文结构。7 第2 章c a n o p e n 协议分析及h e v 网络框架9 2 1c a n o p e n 协议介绍9 2 1 1c a n 总线协议概述9 2 1 2c a n o p e l l 应用层协议1 0 2 2 混合动力电动汽车体系结构15 2 2 1 混合动力电动汽车分类15 2 2 2 串联式h e v 动力系统结构1 6 2 2 3 串联式混合动力汽车动力系统构成1 7 2 3c a n o p e n 网络框架及通信参数18 2 3 1 串联式h e v 控制系统结构l8 2 3 2 混合电动汽车控制网络通讯参数2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章c a n o p e n 从站的设计与实现2 3 3 1 硬件平台2 3 3 2 基于m p c 5 6 5 的e c o s 移植2 5 3 2 1e c o s 开发环境建立2 5 3 2 2e c o s 引导程序的移植2 6 3 2 3e c o s 的配置和安装2 7 3 3c a n o p e n 从站总体框图2 8 3 4c a n o p e n 协议驱动层3 0 3 5c a n o p e n 协议栈的实现3 2 3 5 1 数据类型定义3 2 3 5 2 协议相关的基本定义3 4 3 5 3 状态机和网络管理3 5 3 5 4 对象字典建立3 8 3 5 5s d o 通讯对象4 2 3 5 6p d o 通讯对象4 5 v 北京工业大学工学硕士学位论文 3 5 7 节点状态的维护4 9 3 5 8 其他通讯对象51 3 6h e v 动力总成控制器协议5 2 3 7c a n o p e i l 从站功能测试5 4 3 8 本章小结5 7 第4 章e d f 算法在h e v 控制网络中的应用研究5 9 4 1c a n 总线仲裁机制5 9 4 2e d f 调度算法介绍6 0 4 3 改进的e d f 算法6 1 4 4e d f 调度算法与c a n o p e l l 协议的结合6 1 4 4 1c a n o p e n 网络消息模型6 2 4 4 2p d o 报文标识符分配6 3 4 4 3e d f 调度算法实现。6 4 4 4 4e d f 算法在混合动力汽车c a n o p e l l 网络中的应用6 6 4 4 5e d f 调度算法测试6 9 4 5 本章小结7 2 第5 章c a n o p e n 网络系统的开发与测试7 3 5 1c a n o e 开发工具介绍7 3 5 1 1 利用c a n o e 开发c a n o p e i l 网络系统的方法7 3 5 1 2c a n o e 仿真测试的意义7 6 5 2c a n o p e i l 从站的一致性测试7 8 5 2 1 从站协议级测试7 9 5 2 2 通信级测试8 3 5 3 利用c a n o e 工具测试c a n o p e i l 从站的实时性8 4 5 4 本章小结8 6 结论8 7 参考文献8 9 附录9 3 攻读硕士学位期间所发表的学术论文9 9 致谢1 0 1 第l 章绪论 第1 章绪论 随着电子技术的迅速发展及其在汽车工业上的广泛应用，汽车电子化的程度 越来越高，传统的线束连接方式已远远不能满足车内外大量信息交换及共享的需 要。因此，各种适用于汽车环境的汽车网络技术应运而生。众多国际知名汽车公 司在2 0 世纪8 0 年代初就致力于汽车网络相关技术的研究及应用，目前汽车总线技 术正处在高速发展和全面应用阶段。 1 1 课题的研究背景 1 1 1 车载总线的发展 从目前的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制 的技术平台均已基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术已成为可 能。近几年，网络技术在汽车中的应用将会逐步得到普及【l 引。 混合动力电动汽车融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，是解决排污和能源 问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车控制系统更加复杂，各控制单 元之间相互交换的信息量更大，所以采用网络控制技术成为其发展的必然趋势。 德国l 尊世( b o s c h ) 公司和美国英特尔( i n t e l ) 公司率先进行了汽车网络技 术的研究和开发。英特尔推出了s a ej 1 8 5 0 网络标准，为美国三大汽车公司采用， 而且得到了美国汽车工程师协会( s a e ) 的认可。博世公司制定了控制器区域网 络( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r l l r c a n ) 协议，目前c a n 不仅为一些汽车公司所采 用，也被世界上许多的专业控制设备制造商所采用，作为一种重要的现场总线 ( f i e l d b u s ) 协议而广为传播例。 迄今为止，汽车应用的网络标准很多，较典型的有l i n 、c a n 、j 1 8 5 0 、m o s t 、 t t c a n 、t t p 、f l e x r a v 、j 2 2 8 4 等。美国汽车工程师协会( s a e ) 按汽车网络系 统的性能，由低到高将网络划分为a 级、b 级和c 级。a 级网络主要应用于价 格要求低，数据传输速度、实时性、可靠性要求较低的情况，如车身系统的车门 窗和后背箱等系统，典型的a 级网络如u a i 玎，l i n 。b 级网络用于对数据传输 速度要求较高的系统，包括一些车身控制系统、仪表盘和一些低档的实时控制系 统以及故障诊断等，典型的b 级网络如j 1 8 5 0 和c a n b ( 低速c a n ) 。c 级网络 主要用于可靠性和实时性要求较高的系统，如发动机和动力传动系统的实时控制 系统等，典型的c 级网络如控制器局域网络( c a n c ，高速c a n ) 儿引。另外，随 北京工业大学工学硕士学位论文 着车载网络标准的不断发展，出现了传输速率更快，实时性和可靠性更高的网络 协议标准，例如f l e x r a y ，主要用于线控操作( 线控转向、线控刹车等) ；还有 m o s t 和d 2 b 等，主要应用于汽车娱乐系统的数据传输。因此出现了新的分类标 准如表1 1 所示【1 4 】。 表1 1 汽车网络分类 t a b l e l 一lc a t e g o r i e so f 、，r e h i c l en e t w o r k 分类通信速率应用 l i nc a n f l e x r a y m o s t 1 3 9 4 a 类 1 k 一1 0 k b p s 车灯、车门，车座等车身 控制系统 b 类 1 0 k 一1 2 5 k b p s电子指示、故障诊断等 c 类 1 2 5 k 一1 m b p s发动机，电动机，动力总 成，电池管理单元等 d 类 1 m b p s线控转向、a b s 、多媒体等 系统 虽然建立一个统一的汽车网络协议体系是一件十分复杂和困难的工作，但在 汽车制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致：在a 类网络中使用l i n ； 在b 类网络中低速c a n 已成为事实上的标准协议；在c 类网络中，对传统的实 时分布控制( 对应于x - b y - w i r e 技术而言) ，高速c a n 将作为事实上的标准，在采 用x - b y 谢r e 技术的下一代汽车中，f l e x r a y 已经逐渐显现出其巨大的优势【。 1 1 2c a n 总线应用现状 为了解决汽车内部众多控制器与测量设备之间的数据交换问题，德国 b o s c h 公司于1 9 8 6 年开发了一种新的串行数据通信总线a n ( c o 蛐1 1 e r 觚an e t 、) i r o r k ) 总线【5 1 。 由于c a n 总线使用了1 1 位的标识符，并通过位同步机制，迫使低优先级 的报文自动放弃对总线的驱动，实现了冲突避免机制。和基于冲突检测机制的现 场总线相比，c a n 总线的冲突避免机制保证了在高网络负载情况下的高总线有 效使用率，从而能够有效地支持分布式控制系统或实时控制系统，具有低成本、 高可靠性、高抗干扰能力和高实时性等特点。此后，于1 9 9 3 年颁布的i s 0 1 1 8 9 8 国际标准【5 】为c a n 总线的规范化和应用系统设计铺平了道路。同时，各种基于 c a n 协议的高层协议开发使得c a n 总线功能更强，应用范围更广，不仅在汽车 工业、过程控制、数控机床和纺织机械等领域已取得广泛运用，而且正在向医疗、 电力、海运电子设备等方面发展。 c a n 总线的设计初衷就是针对汽车控制网络的运用。在国际上，许多汽车 公司早在8 0 年代就积极致力于c a n 总线技术的研究。从1 9 9 2 年开始， 第l 章绪论 m e r o e d e s b e n z 在他们的高级轿车中使用c a n 技术。在现代汽车设计中，c a n 已 经成为必须采用的装置，继v o l v o 、s a a b 、v 0 l k s w a g e n 和b m w 之后，r c n 肌l t 和f i a t 公司也在他们的车辆产品中使了c a n 总线，在欧洲，几乎每一辆新客车上均装 配有c a n 总线【6 】【7 1 。由于我国中高级车以欧洲车型为主，因此欧洲车应用最广泛 的c a n 总线技术，也是国产车引进的技术项目之一。目前国产的很多汽车上也 开始引入了c a n 总线技术，如大众途安、帕萨特等【3 巧】。 中国单片机公共实验室( b o l ) 的主任吕京建提到，目前c a n 总线在汽车 动力总成中占了8 5 的市场份额，2 0 0 8 年全球主要汽车生产厂商生产欧i i i 欧 排放标准以上的汽车后，采用c a n 总线的汽车将超过9 5 【5 】。 1 1 3c a n o p e n 协议的发展及研究现状 然而，c a n 本身是一个底层协议，仅详细定义了物理层和数据链路层，本 身并不完整。很多复杂的应用问题需要更高层次的定义来解决。比如，c a n 数 据帧一次最多只能传送8 字节，而不能传输大于8 字节的长帧；c a n 只提供了 非确认的数据传输服务，而无法提供有确认的数据传输，等等。所以，c a n 协 议允许各厂商在c a n 物理层的基础上自行开发高层应用协议，以满足不同应用 的需要。这种做法使得c a n 能够灵活地运用到工业控制的各个领域，但是也造 成了c a n 应用层协议的不统一。 在这种情况下，1 9 9 2 年在德国成立了名为自动化c a n 用户和制造商协会 ( c i a ，c a nha u t o m a t i o n ) 的非赢利组织。该协会制定并标准化了一系列的 c a n 高层协议，并向其用户提供所有关于c a n 的标准、使用和测试的咨询服务。 1 9 9 3 年，在c a n 的开发者德国b o s c h 公司的带领下，一个基于c a n 基本 协议的应用层协议规范c a n o p e l l 协议在欧盟的资助项目中设计并提出瞵j 。 c a n o p e l l 协议着重定义了应用层以及相关的通讯架构，详细内容包括对象 字典、网络管理、启动配置、各种传输对象的定义等等。 其中，对象字典是c a n o p e n 的关键，它保存了一个c a n o p e n 节点所有的 配置参数和通讯数据，也提供了c a n o p e n 应用层和用户程序交流的接口。正是 由于对象字典的存在，在c a n 总线上传输的报文不需要包含所传数据的格式定 义、类型与作用等附加信息，只需包含实际的数据。报文的接收端只需借助对象 字典的帮助，便可以解析c a n 报文内的信息，因为c a n 报文中的每一个比特 都被对象字典完全定义。所以，c a n o p e n 协议具有很高的数据传输效率。 网络管理和启动配置则体现了c a n o p e i l 协议的灵活性。c a n o p e n 协议并不 要求在启动网络时预知网络中的所有节点信息。根据启动配置过程，c a n o p e n 网络可以主动发现网络中的节点，并正确地检查和配置新节点。网络管理则提供 北京工业大学工学硕士学位论文 了灵活的节点维护机制。整个c a n o p e n 当中的所有节点都可以被其它节点监视 和控制，实现网络的动态管理。 各种传输对象则扩展了c a n 总线标准中对于标识符的定义。不同类型的通 讯对象完成不同的通讯任务，通讯任务的优先级则由标识符的优先级直接标识。 对象字典中对于不同通讯对象的配置则保证了该机制的高通讯效率。 总的来说，c a n o p e n 协议是一个具有高度灵活性和高通讯效率的c a n 应用 层协议。当然，c a n o p e i l 并不是唯一被c i a 认可的c a n 应用层协议。同样运用 于c a n 网络的应用层协议还有s a e j l 9 3 9 、d e v i c e n c t 、c a n k i n g d o m 和s d s ( s m a r td i 蛐u t e ds y s t e i l l ) 等。 s a ej 1 9 3 9 协议主要用于重型卡车控制系统，并使用了c a n2 o 扩展协议， 针对于重型卡车系统的通讯要求对标识符进行了重新定义，将报文和协议统一安 排设计，数据报文中包含了数据的类型和格式信息，便于解析但是通讯效率不高， 扩展性较差【9 1 。 d e v i c e n e t 和c a n o p e i l 类似，也具有相似的对象字典结构。不过d e v i c e n e t 的定义更为复杂和严格，有严格层次定义，物理层的接口设备要求严格，硬件设 备必须符合d e v i c e n e t 物理层协议标准，协议并不是完全公开的，节点开发成本 较高【1 0 1 。 c a n 硒n 酣o m 采用通用模块化的设计方法使得各种模块都能很容易地接入 c a n g d o m 网络当中，但是c a n 飚n 酣o m 的i d 是由飚n g 节点通过算法动态 分配的，相同i d 没有帧结构，并不适合车载网络的应用。s d s 适用于高效实时 的系统，采用标准的主从结构，由土控节点进行全权控制，其开发工作将付出昂 贵的系统性能和实现费用。 相比之下，c a n o p e i l 是一个完全开放的协议，开发者可以免费获得协议授 权，支持c a n l o 基本和c a n 2 o 扩展协议，支持从2 0 k b p s 到1 m b p s 的多种传 输速率，拥有和o s i 兼容的基本架构，具有高度的灵活性。相比d e v i c e n e t 协议， c a n o p e n 需要的代码量和运算量较小，特别适合于中小型的嵌入式系统【6 1 。 c a n o p e n 应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。在 欧洲，c a n o p e n 协议已被广泛的应用于医疗装置中，并进一步扩展应用到保安 控制系统中；尤其是c i a 协会会员丌发出一系列c a n o p 锄产品，在机械制造、 铁路、船舶、制药、食品加工、车辆等领域获得了广泛应用。在美国，c a n o p e n 协议已经成为装载机械和公共运输设备的协议标准，同时也应用于嵌入式系统的 控制。目前，国外已有许多大公司开发了c a n o p e i l 软件和硬件产品，一些公司 开发了c a n o p e n 协议的组态软件和配套的硬件下载工具，比如：飞利浦公司的 c a n o p e n i ad e v e l o p d s 硒t ，德国v e c t o r 公司由于c a n o p c l l 网络规划设计的 p m c a n o p e n 等【1 1 1 。 第l 章绪论 在国际上，c a n o p 吼协议提出之后，c a n o p e i l 协议栈的开发主要由现场总 线开发商推动。由于知识产权和产品化的问题，鲜有关于实现c a n o p e n 协议栈 的学术文章发表。大部分的c a n o p e l l 相关文章也都集中在如何在各种控制系统 中使用商业化的c a n o p e i l 节点。 目前国内关于c a n o p e n 的研究都停留在如何将c a n o p e i l 节点使用到现有 的控制网络当中。这些研究一般基于国外的商业节点和商业控制与仿真软件，强 调这些节点的使用，而非如何设计一个c a n o p e i l 节点。 从1 9 9 9 年起，中国单片机公共实验室( b o l ) 开始了对c a n o p 饥和s a e j 1 9 3 9 标准的研究工作，但是除了中国单片机公共实验室之外，鲜有其它的研究 机构进行相关深入的研究。在大学研究院所中，仅有天津大学和北京工业大学在 此方面有相应突出的研究成果。 比如，天津大学在c a n 0 p e i l 研究方面的成果有：( 1 ) 在单片机上实现了一 个c a n o p e l l 从节点；( 2 ) 将美国嵌入式系统协会提供的m i c r o c a n o p e i l 协议 树1 习实现在了a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式处理器平台上【1 2 】；( 3 ) 利用p c i c a n 转接卡 在p c 机上实现了一个不具备对象字典和动态可配置性的c a n o p e l l 监控主站【l 叭。 北京工业大学在c a n o p c i l 研究方面的成果有：( 1 ) 将受开源社区项目支持 的c a i l f e s t i v a lc a n o p e n 协议栈移植到了自主设计的a r m 9 平刽9 j ；( 2 ) 改进了 m i c r o c l l i p 公司提供的c a n o p e l l 从节点协议栈，并将其移植到了i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 平台，实现了一个功能较为完整的实时c a n o p e i l 电动机节点【1 4 j ；( 3 ) 实现了基 于散列表的对象字典设计和基于标准c 语言非抢占式任务调度机的c a n o p e n 主 站协议栈，功能比较完整，且具有很高的实时性【l 5 1 。 上述c a n o p e l l 节点开发的成果中，除了北京工业大学自主开发的c a n o p e n 主站协议栈功能比较完整，且具有很高的实时性外，其他节点的开发均是将现有 的开源c a n o p e i l 协议栈进行简单修改，实现在一定的硬件平台上。这样实现的 节点一般有两个局限性，一是功能不全，不支持通讯的可配置性；二是实时性较 差，通讯速度缓慢。 在开源社区项目的支持下，开源c a n o p e n 项目在近年逐步发展。不过在当 前阶段，开源的c a n o p e n 协议栈大多功能不全、实时性较差或不具备可配置性。 例如m i c r o c a n o p e n 协议栈本身并不是一个完整的c a n o p e i l 从节点协议栈，仅 支持部分的对象字典功能和最多8 个静态配置的过程通讯对象；c a n f e s t i v a l c a p e n 协议栈实时性较差，通讯速度缓慢，其基于数组的对象字典实现形式 也制约了节点的可配置能力；m i c r o c l l i p 公司的c a n o p 饥从节点协议栈通过代码 的方式静态支持过程数据通讯，可配置性较弱。所以，本课题所设计的具备实时 性、灵活性和可移植性的c a n o p e l l 从站具有极高的实用价值和现实意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 4 分布式控制网络中动态调度算法 c a n 总线所发信息帧的优先级和它的标识符是绑定的，因此c a n 总线无法 使所有的节点在发送优先级上处于平等的地位，当c a n 总线发送速率比较高或 系统中信息传输频繁时，c a n 总线则无法满足优先级较低节点的实时性要求。 针对这个问题，国外学者提出了不同的解决方案：k o p e t z 提出一种基于 t i m e d r i v e n 机制的调度方法来提高c a n 的实时性【1 6 1 ，例如t t c a n 协议是在 c a n 协议基础之上，将事件触发机制与实时性更高的时间触发机制相结合，提 高了网络实时性，t t c a n 的研究始于2 0 0 0 年，现已成为c a n 标准的第4 部分 i s o1 1 8 9 8 4 ，该标准目前处于c d ( 委员会草案) 阶段【1 7 】；n o l t e 在2 0 0 2 年提出了 一种s e e r - b a c s d 调度方法来提高c a n 的实时性【1 8 】；也有很多研究者提出了几 种动态优先级的调度算法的思想，比如e d f ( e 矾i e s td e a d l i n ef i r s t ) 动态优先 级调度算法，表示截止期最早的任务优先调度；l l f ( l e a s tl a x 晒f i r s t ) 动态优 先级调度，表示剩余时间最少的任务最先调度。前两种解决方案都是在c a n 总 线协议基础上对协议的扩展，实现比较复杂，后面的动态调度算法与标准的c a n 总线协议一致，通过软件设计的方法可以在现有c a n 节点控制器中就能够实现。 e d f 算法是调度理论中一个很重要的动态调度算法，是由l i u 和l a y l a n d 在 1 9 7 3 年的经典论文s c h e d u l i n ga l g o r i t l l l l l sf o rm u l t i p r o 酉锄i l l i n gi nah a r dr e a l t i m ee n v i r o 姗铋t 中提出的【1 9 】，其后动态实时调度算法研究领域的大量工作均 以改进e d f 调度为目的。e d f 调度算法对同步周期任务组是最佳调度算法【2 0 1 。 其中z u b 甜【2 1 】最早将e d f 谢度算法与c a n 协议结合，向后l i v a l l i 【2 2 】对z u b 鲥 的方法进行了改进。l l f 算法表示剩余时间最少的任务最先调度【2 3 】，l l f 算法 和e d f 算法可以看作是同类型的调度算法。国内也有很多学者开始研究总线控 制系统的调度算法，如天津大学的吕伟杰等将固定优先级算法与动态调度算法相 结合，提出了一种混合调度算法【2 4 】。目前，典型的动态调度算法有最早截止期 优先( e d f ) 和最小松弛度优先( l l f ) 算法，其他动态调度算法基本以这两种算法为 基础进行的改进，并且这些算法目前基本停留在理论研究阶段，还没有成熟的应 用背景。 混合动力电动汽车总线控制系统中的消息调度仍然沿用传统的固定优先级 调度方法【2 镏6 1 ，该方法虽然实施简单，但其灵活性差，是以牺牲网络的带宽利用 率来保证消息的实时性【2 4 】。随着汽车内部附加功能的增多，需要传输和共享的 消息越来越多，固定优先级调度方法已经不能满足其性能要求。在混合动力电动 汽车总线控制网络中引入动态调度算法可以提高网络带宽利用率，降低网络负 载，满足低优先级报文对实时性的要求。 第1 章绪论 1 2 课题的任务及意义 北京工业大学电动汽车项目的研究目标为：建立以中央监控系统为核心，基 于c a n o p e i l 总线通信的混合动力汽车控制网络系统。电动汽车项目的控制部分 主要分为五大块，即蓄电池管理单元、电机控制单元、辅助动力控制单元、a b s 控制单元和中央监控系统。 本课题的任务是通过分析串联式混合电动汽车的系统架构以及对c a n o p e n 协议的充分理解，设计混合电动汽车车载c a n o p e l l 通信网络系统框架；在以 f r e e s c a l e 公司的m p c 5 6 5 芯片为核心处理器的硬件平台上建立一个可配置、高 实时性的c a n o p e i l 从站协议栈，包括状态机的实现，p d o 、s d o 、n m t 、心跳 报文等通讯对象的设计与实现，构建一个可灵活配置的对象字典；研究总线控制 网络动态调度算法与c a n 0 p 高层协议的结合。 汽车开放系统架构( a u t o m o t i v eo p e i ls y s t e m 觚l l i t e 呶l r e ，a u t o s a r ) 联 盟是全球汽车行业主要原始设备制造商、供应商及工具和软件服务商的开发合作 联盟。该联盟提出的a u t o s a r 协议指出采用通行标准和通常架构，促进软件 重用、灵活集成，推动适用于汽车控制系统软件架构通用标准的建立。 科技部在“8 6 3 计划”中将“混合动力汽车标准的研究与制定 列为专项课 题，其有关工作受到国家发展和改革委员会、国家标准化管理委员会等部门的重 视和支持。 本课题提出将c a n o p e n 协议应用于混合动力汽车控制网络的通讯系统，可 以获得史好的通讯特性，也可以促进汽车网络通信的标准化和设备之间的互操作 性，符合现阶段汽车产业的发展方向。 另外，了解c a n 叩e i l 协议的产生背景和技术内容对c a n o p e l l 协议在我国 的推广和应用起到促进作用，同时对发展我国自主版权的现场总线协议标准、促 进国产现场总线产品的开发和产业化具有重要意义。 1 3 论文结构 本文将从以下几个部分展丌： 第一章概述了车载网络的发展现状，介绍了c