（电路与系统专业论文）车用can网络实时性与可靠性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子的发展，各部件之间通信量的增大，对汽车现场总线的实时 性和可靠性方面提出了更高的要求。c a n 总线在设计之初具有良好的实时性和 可靠性，使其在汽车电子系统中得到广泛的应用。但随着网络总线负载的增加， c a n 协议静态优先级分配策略和仲裁机制会导致网络节点传输延迟增大，系统 实时性和可靠性下降。 车用c a n 网络实时性方面，本文结合车用c a n 网络特点，在数据链路层 分析了网络负载对c a n 网络实时性的影响；借助控制网络的相关理论和评价指 标研究车用c a n 网络的实时性问题，通过建立数学模型推导出c a n 网络传输 数据帧的平均等待时间与网络负载率的函数关系，得出结论当网络负载率大于 0 9 时，c a n 总线上数据帧的平均等待时间接近无穷大。车用c a n 网络的可靠 性方面，引入可靠度函数比较了总线形、环形和冗余环形三种总线拓扑结构的 可靠度。其中冗余形总线拓扑结构的可靠度最高。为了提高车用c a n 网络的实 时性与可靠性，本文提出了针对车用c a n 网络的优化设计方案。优化设计方案 分为两个方面，一是将车用c a n 网络上周期性数据节点组成一个高速c a n 网 络，将事件型数据节点组成低速c a n 网络。这样可以有效降低总线负载，提高 总线数据传输的实时性，并且采用控制器级别的冗余设计来提高整个网络的可 靠性。二是在高速c a n 网络上采用时分复用t t c a n 协议，消除仲裁机制对系 统实时性的影响。低速c a n 网络上采用动态优先级管理机制。最后选用1 r i 公 司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片和m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 5 芯片，研究了 t t c a n 协议的实现方法，完成t t c a n 协议节点的设计，并对比不同网络负载 环境下传统c a n 总线与本文中所提出的优化设计方案在实时性和可靠性方面的 差别。通过分析实验数据发现，在网络负载率大于o 6 时，t t c a n 协议总线的 延时远小于传统c a n 总线的传输延时。在相同网络误码率下，冗余总线的可靠 运行时间比非冗余总线的可靠运行时间增加了近一倍。 通过在d s p 芯片上实现本文中所提出的方案，说明方案在技术上的可行性。 通过实验验证本文所提方案在大网络负载条件下，实时性和可靠性方面性能优 于传统c a n 总线，基本达到预期效果。 关键词：车用c a n 网络，实时性，可靠性，t t c a n ，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n dt h ei n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc o m p o n e n t s ，a u t o m o t i v eo n - s i t eb u sh a sb e e nh i g h e rd e m a n d e di nr e a l - t i m e a n dr e l i a b i l i t y a tt h eb e g i n n i n go ft h ed e s i g n , c a nb u sh a sag o o dr e a l - t i m ea n d r e l i a b i l i t y , s ot h a tt h ec a nb u sh a sw i d e l yu s e di na u t o m o t i v ee l e c t r o n i cf i e l d h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en e t w o r kc a nb u sl o a d , c a nb u sa r b i t r a t i o n a g r e e m e n ti t s e l fw o u l di n d u c en e t w o r kc o n g e s t i o na n dd e c r e a s er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e m o r e o v e r , t h ei n t e r a c t i o n so fc a n - p r o t o c o lv e r i f i c a t i o nm e c h a n i s m sc o u l da l s or e d u c e t h er e l i a b i l i t yo fc a nb u s a c c o r d i n gt ot h eb a s i cf e a t u r e so fc a n b u s c o m b i n e dw i t ht h ec l a s s i f i c a t i o no f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cn o d e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e ss o m et y p i c a lc a nb u ss y s t e m t h e n i nt h er e s p e c tt or e a l t i m e ，t h i sp a p e ru s et h ec o n c e p to fn e t w o r kr e a l t i m ec o n t r o la n d s o m ei n d i c a t o r st os t u d yt h ep r o b l e mo ft h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ei na u t o m o t i v e c a nn e t w o r k b ye s t a b l i s h i n gam a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a nb u sn e t w o r ka n d t h r o u g ht h e o r i e sa n a l y z i n g ，af u n c t i o nh a sb e e nd e r i v e db e t w e e nt h ea v e r a g ed e l a yo f c a nb u sd a t af l a m e sa n dn e t w o r kl o a dr a t e t h i sp a p e rh a sa l s oa n a l y z e dt h e l i m i t a t i o n so fc a nb u sp r o t o c o la r b i t r a t i o nm e c h a n i s mi nt h eh e a v yn e t w o r kl o a d c o n d i t i o n s f i n a l l y , i n t h er e l i a b i l i t y a s p e c t , i tr e s e a r c h e dt h e d e f i n i t i o no ft h e r e l i a b i l i t ya n de v a l u a t i n gs c a l ea n de l i c i t e dt h er e l i a b i l i t yo fs e v e r a lb u st o p o l o g i e sb y t h e o r e t i c a la n a l y s i s a g a i n s tp r e v i o u sa n a l y s i s ，i tp r o p o s e ds o m eo p t i m a l d e s i g n s o l u t i o nf o ra u t o m o t i v ec a nn e t w o r kt oi m p r o v et h er e a l - t i m ea n dt h er e l i a b i l i t y o p t i m i z a t i o ni sd i v i d e di n t ot w oa r e a s o no n eh a n d ，c l a s s i f i e dn o d e sb a s e do nt h e b u sn o d e sd a t an a t u r ea n du s e dh i g h s p e e d ，l o w - s p e e dc a nb u sc o m b i n a t i o nm e t h o d t h em e t h o d sc o u l dr e d u c et h eb u sl o a de f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h ed a m sr e a l - t i m e b yu s i n gr e d u n d a n c yd e s i g ni n c o n t r o l l e rl e v e r ，e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e m r e l i a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，b yu s i n gt d mt t c a np r o t o c o li nt h eh i 曲一s p e e d c a nb u s ，e l i m i n a t et h ei m p a c to fa r b i t r a t i o nm e c h a n i s m so ns y s t e mr e a l t i m e l o w s p e e dc a nb u sw i t hd y n a m i cp r i o r i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s m ，w h i c hs a v e s c o s ta n de f f e c t i v er e d u c t i o nt h ei m p a c to ft h et r a d i t i o n a lc a nb u sl o a do nr e a l t i m e f i n a l l y , b yc h o o s i n gt h et i sc h i p st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n dm i c r o c h i p sc h i p s h 武汉理工大学硕士学位论文 m c p 2 515 ，m a d er e s e a r c ho nt h er e a l i z i n go ft t c a np r o t o c o la n df i n i s h e dn o d e s d e s i g no ft t c a np r o t o c 0 1 a l s o ，a n a l y s i st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lc a n b u sa n dt h eb u sm a d ei nt h i sa r t i c l ei ns e r i a ln e t w o r kl o a de n v i r o n m e n t b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt t c a np r o t o c o l s d e l a yi sf a rl e s st h a nt r a d i t i o n a lc a n b u si nt h eh e a v yn e t w o r kl o a dc o n d i t i o n s i nt h e s a m eb i te r r o rr a t en e t w o r kc o n d i t i o n ，r e l i a b l er u n n i n gt i m eo ft h er e d u n d a n tb u sh a s n e a r l yt w i c ean o n - r e d u n d a n tb u s b yt h er e a l i z a t i o nt h es o l u t i o n sp r o p o s e di nt h i s p a p e rt h r o u g hd s pc h i p s ，i ts h o w st h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds o l u t i o i l sa r ea l s os u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lc a nb u si nl a r g en e t w o r ki o a d c o n d i t i o n s ，r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ya n dr e a c h e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ec a nn e t w o r k r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e r e l i a b i l i t y i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学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。 签名：金如日期：2 堕垒堇! 兰z 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：全函导师( 捌：驴日期加呷 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 c a n 总线最先由德国b o s c h 公司提出，针对汽车应用的一种现场总线。 c a n 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，主要为了解决迅速增长的车用电子系统 对通讯的需求而研发的一种现场总线【l 】。c a n 网络主要实现了汽车中各部分微 控制器和各类传感器的数据通信和信息的共享。由于在汽车上具有良好性能， c a n 总线得到了许多汽车厂商的青睐，得以在现代汽车中实现了广泛的应用。 汽车电子的快速发展，c a n 总线在实时性和可靠性方面受到总线负载的影 响越来越明显。特别是对现代汽车产生重大影响的线控技术使得汽车内部总线 变得拥挤，但总线节点对数据的实时性和可靠性方面的要求却是在增加。所谓 线控技术就是采用智能的机电装置代替过去的机械装置实现对汽车的控制。比 如车辆的转向、发动机的控制、汽车的制动等都通过信号的方式进行传递，最 终再由操作机构转变为机械动作【3 巧】。同时，车辆行驶的反馈信号也是通过数据 网络反馈给驾驶者，使其可以充分了解车辆的运转情况。线控技术的广泛使用 就要求汽车内数据总线具有良好的实时性和可靠性，而且需要通过冗余技术提 高一些敏感部件如发动机控制系统、车辆制动系统等总线通讯的可靠性。虽然 现代电子技术的发展对汽车内部数据总线在实时性和可靠性方面提出了更高的 要求，但是传统的c a n 总线存在一些不足之处使其难以达到数据总线的要求。 由于传统c a n 总线采用静态优先级分配策略和仲裁机制，使其总线上数据节点 的优先级具有不确定性和数据传输延迟的不可预知。随着总线负载的增加，其 对总线数据传输的实时性和可靠性的影响变得明显。另一方面，传统c a n 总线 协议的多项错误检测机制存在相互影响，而降低总线传输的可靠性】。 传统的c a n 网络已经不能满足现代汽车对内部数据总线的要求，需要对其 进行优化设计，使其能适应现代汽车对数据总线大网络负载下高实时性和可靠 性的要求。改进的数据总线要在现有总线的基础上进行，可以保证一致性和向 下兼容性。结合汽车内部电子部件的工作环境和总线中节点对数据通信在实时 性和可靠性方面的要求，我们可以通过以下几个方面来改进数据网络的性能。 一是优化数据总线的网络拓扑结构，有效降低数据总线的网络负载；二是采用 武汉理工大学硕士学位论文 时分复用的t t c a n 协议保证总线上全部节点数据传输的实时性；三是增加冗余 设计和硬软件的抗干扰措施提高车用数据总线的可靠性【7 - 9 。 t t c a n 是c a n 的一个高层协议，其主要特征就是使总线上所有节点的通讯 保持同步，并为系统提供一个全局时间基准。t t c a n 节点与c a n 节点在数据 链路层和物理层是完全兼容的，它们应用相同的总线和总线收发器。但是总线 结构上t t c a n 采用了主从结构，传统c a n 网络需要增加一个t t c a n 主节点 控制器。只需要增加少量的成本就可以实现传统c a n 总线到时分复用t t c a n 总线的转变，使得车用网络的实时性与可靠性得到大幅的提升。 1 2 课题研究的意义与现状 自问世以来，c a n 总线一直蓬勃发展。在2 0 世纪9 0 年代初，b o s c h 公司将 c a n 规范提交给国际标准化组织。在数次争论之后，增加了 v e h i c l ea r e a n e t w o r k 内容，并与1 9 9 3 年出版了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 1 6 1 。1 9 9 5 年，国 际标准i s 0 1 1 8 9 8 1 进行了扩展，以附录的形式说明了2 9 位c a n 标识符。但是， 所有出版的c a n 规范都包含一些错误或者不完整的地方。因此，为避免c a n 在使用中的不兼容，b o s c h 公司一直在进行验证c a n 芯片是否基于b o s c h 的c a n 参考模型的工作【l 8 】。此外，荷兰p h i l i p s 公司推出的控制器芯片其性能一直在 不断提高，美国的m o t o r o l a 公司以及日本的f u j i t s u 公司也在积极研究c a n 总 线高层协议，提出高速c a n 总线的实施方案，并生产相应的c a n 器件【3 l 弓6 1 。 著名的c a n 组织c 认一直研究c a n 规范，致力于推进其新协议的标准化，并 不断完善c a n 协议，从规范上提高实时性和可靠性。众多的汽车生产厂商也在 积极研究利用c a n 总线，欧洲几乎每一年新车都装配有c a n ，一些高档名牌汽 车如b m w 、p o r s c h e 和p o l l s r y c e 等都是采用c a n 总线来实现汽车内部 控制系统与各个e c u 之间数据通信【3 8 - 4 2 。 在国内，许多的高校和研究所针对c a n 总线展开了很多工作。北京航天航 空大学的老师编辑出版了多本关于c a n 总线的书籍，对c a n 总线的推广和发 展发挥了重要的作用。浙江大学的研究人员在c a n 总线的实时性能方面进行了 大量的工作。广州的周立功单片机公司一直致力于c a n 总线的推广，开发了 c a n 分析仪和常规c a n 节点。国外一些学者也在c a n 的实时性和可靠性方面 进行了一系列的研究【2 4 之6 】。德国的乌尔姆大学的科研人员主要研究了c a n 总线 和以太网协议的融合问题，葡萄牙的学者在研究了c a n 的改进协议t t c a n 的 2 武汉理工大学硕士学位论文 基础上，提出了新的改进协议，改善t t c a n 在一些方面的缺陷【2 1 。国内外的这 些学者和科研人员对c a n 总线的研究大大推进了c a n 总线的发展和扩宽了 c a n 总线的应用领域。 1 3 论文的主要工作 作为在汽车上使用的现场总线必须具备两个特性：实时性和可靠性。c a n 总线相比其他总线在这两方面具有较好的优势，而且实现简单，成本不高，使 得c a n 总线在汽车上得到了广泛的应用。然而，随着汽车电子技术的发展，汽 车网络中传输的数据日渐增多，但是车内网络总线负载的增加会导致传统c a n 网络在实时性和可靠性方面性能下降，并将成为c a n 总线进一步在汽车网络中 发展的瓶颈。 本论文是针对汽车环境下c a n 总线协议的应用，分析了传统c a n 总线协议 在不同网络拓扑结构和网络负载下实时性和可靠性能否满足汽车网络对数据传 输网络的要求。对车用c a n 网络从网络拓扑结构和总线协议两方面进行优化设 计，并对设计的方案进行实时性和可靠性分析和硬软件实现。具体来说，文章 首先分析了汽车内部网络的拓扑结构和网络节点的性质；在实时性方面，引入 控制网络实时性的概念和评价指标，从c a n 总线网络结构和协议应用层两个方 面分析了车用c a n 网络的实时性；在可靠性方面，根据可靠性的定义和评价尺 度，同样通过网络结构和协议应用层两个方面分析了车用c a n 网络的可靠性。 通过分析我们认为在大网络负载条件下，c a n 总线的实时性和可靠性受到总线 负载率的影响，不能满足车用网络对实时性和可靠性的要求。提出改进设计方 案，根据总线节点数据不同类型将总线分为高速c a n 总线和低速c a n 总线。 高速c a n 总线上主要传输时间触发周期数据，低速c a n 上传输事件触发的非 周期数据。为了进一步提高实时性，在高速c a n 总线上采用时分复用t t c a n 协议来消除传统c a n 协议的仲裁机制对实时性的影响，在低速c a n 总线上采 用动态优先级管理方式来消除传统c a n 协议对总线负载变化的敏感。在提高可 靠性方面，采用控制器级别的冗余有效提高整个系统的可靠性。最后选用t i 公 司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片和m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 5 芯片，研究了 t t c a n 协议节点的软硬件实现，完成t t c a n 协议的节点设计并模拟在不同网 络负载条件下传统c a n 协议与本文中所提到的总线在实时性和可靠性方面性能 的差别。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车用c a n 网络体系结构 2 0 1 车用c a n 总线分析 随着汽车技术向着电子化发展，在汽车中使用电子部件的数量正迅速增加。 如何将各类独立的电子系统协调统一的工作，已经成为汽车电子领域研究的一 个重要课题。在传统的点对点的通讯方式已经不能满足需求的时候，汽车网络 在这种背景下应运而生。目前，现场总线有很多种类，几种有影响的总线为： 基金会现场总线、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等，其中c a n 总线设 计之初就是针对汽车内部数据传输环境和要求设计，所以在汽车领域c a n 总线 占有重要的地位。 2 1 1 汽车网络的分类 目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计 应用，s a e 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a 、b 、c 三类【1 2 1 4 1 ，见表 2 1 。 表2 - 1s a e 汽车网络级别 特性a 级网络b 级网络c 级网络 传输速度k b p s 11 0 1 2 51 2 5 1 0 0 0 信息传输延时( m s ) 5 0 2 0 5 时钟离散度要求 2 02o o l ( ) 传输媒体( 总线) 单线单线双绞线 信息优先权有有有 容错能力无无有 a 类：面向传感器和运行机构控制的低速网络，数据传输的位速率通常只有 1 1 0 k b p s 。主要应用与电动门窗、座椅调节、灯光照明等。 b 类：面向功能模块间数据共享的中速网络，位速率一般为1 0 1 0 0 k b p s 。 主要应用与电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减 武汉理工大学硕士学位论文 少冗余的传感器和其他的电子部件。 c 类：面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率为1 m b p s ，主要 应用于发动机控制、制动控制和a b s 系统等。 c a n 总线在三种网络中都有应用。而且现场总线中只有c a n 总线能满足c 类网络的要求。目前来说c a n 总线是汽车内使用最为广泛的一种现场总线。 2 1 2 汽车c a n 总线特性 c a n 总线是8 0 年代最先由b o s c h 公司提出，并与上个世纪9 1 年形成了完 整的技术规范2 o 版本。其中c a n 2 0 版本分为2 0 a 和2 0 b 两个部分，2 0 a 继 承了过去c a n1 2 版本的技术规范，2 0 b 则是给出了标准1 1 位标识符的数据帧 和扩展2 9 位标识符的数据帧【1 5 j 。在1 9 9 3 年国际标准化组织i s o 颁布了c a n 的 国际标准i s o l l 8 9 8 ，为c a n 总线的广泛应用起到很好的促进作用。随着c a n 总线在各类别汽车上普遍的应用，美国汽车工程师协会卡车和巴士子协会选择 了c a n 协议作为j 1 9 3 9 的基础。目前，c a n 总线已经成为了b 、c 类网络的行 业标准【m 瑙j 。 由于问世之初就是针对汽车网络，所以c a n 总线在数据通信方面具有良好 的实时性和可靠性，其特点及优点概括如下： 采用总线结构可以简化汽车内部电子器件的电缆连接，降低汽车成本和 减少汽车出故障概率。c a n 总线为多主的工作方式，网络上节点可以随时向其 他节点发送数据。 总线结构使得节点之间可以通过信息共享来减少传感器数量，提高系统 的效率。数据帧采用短帧形式和多重校验措施，有效降低了数据传输过程中收 到通道干扰的影响，保证了数据传输的时效和可靠性。 在数据并发时，采用无损的仲裁机制，高优先级节点能在仲裁中胜出获 得总线介质的访问权，低优先级的节点会退出总线介质访问权的竞争。 2 2 车用网络拓扑结构分析 拓扑结构的设计是构成汽车网络的第一步，也是实现各种现场总线的基础， 它对网络的性能、实时性、可靠性和成本等都有很大的影响。按照c a n 总线协 议，c a n 总线网络可以是任意拓扑结构，但是一般来说，汽车现场总线主要有 5 武汉理工大学硕士学位论文 一下四种拓扑结构【例。 1 ) 总线形拓扑 总线形拓扑顾名思义就是整个系统由单根电缆搭建，系统中所有节点连接在 电缆上。由于所有节点共有一根电缆，当节点发送数据到另一节点时，总线上 所有节点均能接收，而且所有节点共享全部带宽。其特点是结构简单易实现而 且成本低廉。网络扩展性好，任一节点故障并不影响系统的正常工作。 2 ) 环形拓扑 环形拓扑结构中所有节点与左右两个节点连接，网络中所有节点左右相连形 成环形。环形结构与总线形比较，数据传输具有单一方向性而且实时性好。网 络中发生多点故障时，网络可能无法正常工作。 3 ) 星形拓扑 星形拓扑结构中所有节点与一个中心节点相连，数据传输都是通过中心节点 进行转发口0 】。其特点是网络结构简单，网络的管理主要在中心节点中进行。容 易实现节点的扩展，具有一定的容错性。单个节点故障并不影响整个系统的运 行。但是节点均与中心节点相连，网络带宽利用率低。整个系统的性能受制于 中心节点的性能。 4 ) 网状拓扑 在网状拓扑结构中，每两个节点之间都是相互连接的。数据能够从发送地传 输到目的地，有多条路径可以选择。系统中需要有良好的路由策略才能保证系 统运行的高效。由于两点之间数据传输具有多条路径可以选择，因此网状拓扑 结构具有很高的容错性。 通常意义上的网络主要是为了实现数据的共享，例如计算机网络【2 。其主要 关心通信的正确率和信道的使用率。而汽车上空间有限，汽车网络主要是应对 新的汽车控制技术例如线控技术f 捌对网络通信的实时性和可靠性提出的高要 求。而且汽车内部工况条件恶劣，高温、电磁辐射、潮湿、尘土、油污等等， 这些都对汽车网络的可靠性提出了挑战f 2 3 1 。总结来说，汽车内部网络的特点可 以归纳为：通信距离短、实时性和可靠性要求高、各模块功能强大。网络复杂 度要求不高，可扩展性好等。因此，结合前面分析，可以看出总线型结构是最 适合车用网络的。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 汽车网络节点分析 传统汽车中的电气设备根据功能及应用区域主要可分成车身系统和动力传 动系统，其中车身系统主要包括天窗控制、座椅控制、空调系统等；车辆控制 部分有发动机的控制系统、变速箱控制系统、主动安全系统、辅助操作机构等。 车身部分的节点对数据传输的实时性要求不高，而车辆控制部分就要求有较好 的实时性和可靠性。表2 - 2 将比较这两部分的特性及其对网络的不同要求。 表2 2 动力传动系统与车身系统的比较 车身系统动力传动系统 速度要求低( 一般1 0 0 m s )实时性高 通信一般为事件型一般为周期信号 环境苛刻更加苛刻 与驱动控制比较，支持人工要支持汽车运动控制，处理数据 操作的控制部分更新速率的速率相对较快。对于支持这些 网络特点相对较慢，一般人能接受的数据的通信网络在实时性上提出 和要求相应时间最大为lo o m s ，车更高的要求；发动机子系统苛刻 身系统中大部分为这类信的工作条件需要额外考虑，在物 号传输理和电磁方面的可靠性 特点节点数量多，但信息量不大要求高的可靠性和实时性 通过上表的比较，我们可以看出动力传动系统和车身系统的特点有着相当的 差异。这为我们研究总线的实时性和可靠性方面提供了一个途径。c a n 总线本 身是具有一定的实时性和可靠性的措施，但是在总线负载变大时，实时性和可 靠性却大幅下降。我们可以考虑将汽车总线设计成既能保证高速动力传动系统 的实时性要求，又能提供足够的带宽为汽车电子系统的应用提供良好的支持。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车用c a n 网络实时性研究 3 1 控制网络实时性的概念与评价指标 在现代控制系统中，在空间上控制对象和被控对象的分散，在时间上被控对 象对系统反应时间的缩短，使得数据传输过程中的实时性成为不可忽视的问题。 为了满足控制系统的功能需求，网络中数据的传输必须在规定的时间内准确的 到达目的地。那么如何在保证可靠性的前提下将通信的传输延迟减少到满足控 制系统的需求，就是网络通信实时性需要研究的问题。从网络通信的角度看， 网络通信延迟主要包括三个方面，产生延迟、排队延迟和传输延迟【2 7 1 。一般来 说，网络传输的实时性与网络传输协议、网络拓扑结构、通信的介质和网络传 输的速率等方面有关。当网络拓扑结构简单、协议数据帧简短、网络传输速率 高，网络的实时性比较好【2 引。 为了分析各种不同网络的传输性能，需要针对具体的应用确定特定种类网络 性能的指标，以便能够精确、全面的反映网络协议的性能【2 引。i s o 在1 9 8 6 年颁 布了i s 0 0 s 1 8 0 7 2 ，在七层网络协议模型的数据链路层至应用层定义了一组服务 质量参数q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，作为其性能指标体系1 3 0 l 。主要有以下参数： 吞吐量：单位时间内节点之间成功传送的无差错字符数量。包括网络总吞吐 量、节点吞吐量和特定连接或会话吞吐量 容量( 信道容量或带宽) ：单位时间内网络传输的数据量，通常以每秒传输 比特数来度量 延迟：从报文开始进入网络节点链路到报文离开网络节点链路之间的时 间，分别成为网络延迟、节点延迟和链路延迟 负载能力：在某一特定时间，准备发送的所有网络节点的所有数据的数量 建立连接延迟：用户发出连接请求到接收连接确认之间的时间间隔 对于汽车总线来说，实时性是评价网络综合性能的一个重要指标，与网络响 应时间、网络延迟、网络吞吐量、网络利用率等几个参数有密切关系。在具体 分析时应以这些参数为主，兼顾其他的相关指标。 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 c a n 协议数据链路层实时性分析 汽车网络对数据传输的实时性和可靠性都提出了一定的要求。单个数据帧的 可靠性主要是通过协议中采用校验方式来提高单个数据帧的容错能力，对系统 而言则是采用冗余的方式来提高系统的可靠性。实时性则主要与网络中采用的 协议、网络总线的负载情况、总线上数据传输速率等因素有关。特别是通过协 议中对总线介质的访问控制方法是对网络实时性有较大影响的因素之一。 为了保证总线上各节点能够合理的分配带宽，充分利用总线资源提高总线带 宽的利用率，可以利用一定的网络协议和软件算法来优化资源，合理控制节点 对网络总线介质的控制权。介质访问控制方法一般分为同步和异步两种实现技 术。典型的方法是竞争方式，所有用户都能同时争用总线的使用权，网络节点 对总线的控制权由仲裁算法给出。c a n 总线就是采用竞争方式来实现对总线的 访问控制。 c a n 总线采用载波监听多路访问避免碰撞( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e - c s m a c a ) 的介质访问控制方式。c s m a c a 可以认为是对 c s m a c d 介质访问控制方式的改进，它规定了优先级字段，当通信冲突发生 时，低优先级节点会自动退出发送，而高优先级节点能获得总线控制权发送数 据，和c s m a c d 介质访问控制方式相比是一种无损的仲裁方式。c s m a c a 方 式可以保证高优先级节点在发送数据时不受总线负载的影响，从而保证了高优 先级节点通信延时的可预测性，其无损的仲裁方式有效提高了带宽效率。 c a n 总线以其高的可靠性和实时性得以广泛应用于汽车总线中，并有取代昂 贵的1 5 5 3 b 总线应用于航空航天领域。但通过分析，我们发现随着网络负载的 增大，总线上传输的数据越来越多，传统c a n 总线在实时性和可靠性方面的优 势变得并不明显。 在较低的网络负载率情况下，传统c a n 总线上数据帧发生碰撞的概率很低， 网络传输的实时性比较好。当网络负载率增加时，网络节点发送数据的时刻发 生碰撞的概率会增加，按照仲裁机制，发生碰撞时低优先级节点会退出总线竞 争，保证高优先级节点的传输。极限情况下，在极大网络负载下低优先节点有 由于多次的数据发送不成功，认为节点故障而强制将节点退出网络。也就是低 优先级节点的传输延时变成无穷大的原因。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 c a n 网络拓扑的实时性分析 3 3 1c a n 总线的网络模型与参数 c a n 总线的网络模型在前面分析了网络负载情况下可以用经典排队理论模 型中的肯达尔( k 即d a l l ) 模型来描述3 7 1 ，如图3 1 所示。 上 1 p l l -，r n 个待处理的信息 1 2 9l a l 卜袁n l rr- r | u l l m 7rr m 泊松到达 n 个中断请求 1 tn 图3 1 肯达尔( k e n d a l l ) 模型 为了简化系统模型以及考虑到实际的车用c a n 总线的节点，将等待队列减 少为一格，这样模型就简化为1 w d 1 f i f o ，其中m 表示系统是泊松到达，d 表 示服务时间一定，l 表示只有一个队列的排队服务器，f i f o 表示顾客按照先来 先出的服务规则接受服务。在图3 1 中，系统的行为在概率意义上可以描述为到 达和离开这个过程，其中系统的到达率为 ( 数据帧产生过程) ，离开率为心( 数 据帧死亡过程) ，n 个中断被唤醒。这样两个状态变化率和心可以表示如下： = ( m 一) 五0 n n ，n s m 鸬2n z 仃1 l 状态概率平衡方程为： 以+ l + l = 以只 刀0 ( 3 2 ) fp 一1 。 用迭代法解上式，并应用概率论公式篇”，可以得到被唤醒的中断数目( 等 待处理的帧) 的概率只为： l o 武汉理工大学硕士学位论文 烈期 ( ) ”ll 耻端 ( 尝) ”i ：l f = op ，l ， m 盼揣 在观察的时间段内， 计，丢失帧的概率为： 置= ( 曼) 一f ，肛1 lr t ( 3 - 3 ) 丢失的帧和所提供的帧的比可以通过丢失概率忍来估 黔 。3 川 对于m c p 2 5 1 5 的系统而言，可以取n = 2 ，这是，数据的丢失概率为： ( m - 1 ) ( m - 2 ) p 2 耻丽五寿盎蜮 z ， ( 3 5 ) 名 p = 一 其中为网络的负载率。 总线上节点数量和网络负载的增加会加大总线数据的丢失率，在重度负载条 件下，总线的数据丢失率出现较大值。 令昂( 口) 表示当系统阻塞时到达信息的概率，p ( 口) 表示信息到达的概率。显 然，消息的到达概率和消息丢失概率的乘积等于系统的阻塞概率b 乘以系统阻 塞条件下的消息的到达概率，即有等式：咒= b 晶( 圳，又因为 p b ( m 1 ) = 另( m ) ，所以可以得到系统阻塞概率为：只( m 一1 ) = ( m - 1 ) p 1 + ( m 1 ) p 意味 着随着数据量和网络负载的增加，网络的阻塞率也在增大，网络的吞吐量在下 降。 3 3 2 求解平衡状态下单个数据帧的平均等待时间 下面来求解m d l f i f o 模型在平衡状态( 网络负载率小于1 ) 下单个帧的平 武汉理工大学硕士学位论文 均等待时i 司。 设t 时刻系统内的数据帧为是s ( t ) ，且只( f ) = 尸 s o ) = 力，设服务时间为定长 f ，贝l j t + r 时刻系统有j 个帧的概率为+ 力= 尸 s p + 力= 力，其中j ( ，+ f ) = 分为两种情况产生： s ( o n ，在时间( f ，t + r ) 内到达j 个帧。因为该情况下在时刻t 不存在排 队等待的帧，只有接受服务的数据帧。又因为服务时间为定长，所以在时刻t 的数据帧在时亥u t + r 必然全部结束服务，故在( r ，t + r ) 时间内达到了j 个帧，出 现了s ( f + f ) = j 。 s ( o = n + j ，在时间( f ，f + f ) 内到达了歹一i 个帧，i = 1 , 2 ，j 。因为该情况 下在时刻t 排队等待的帧为i ，它们在t + t 时刻必然正接受服务，所以( ，+ r ) 时 亥0 内到达了，一i ，出现了s ( t + r ) = _ ，。 设时间( r ，r + f ) 内到达k 个帧的概率为吼，则由全概率定理可得 弓( ，+ f ) = 尸 j ( ，) 刀 吼+ t = l 尸 j ( ，) = 刀+ ，) 劬一 ( 3 6 ) p o ( t + r ) = p s ( t ) 0 9 时，数据帧的平均延迟时间迅速增加。由分析可以得出，当总线 负载较小时，c a n 总线的数据帧的平均延迟比较小，可以满足网络的实时性要 求。当网络负载接近带宽时，数据帧的延迟时间增大，数据传输无法满足网络 的实时性要求。 3 4 提高车用c a n 网络实时性优化设计 3 4 1采用高低速c a n 和l i n 总线相结合的网络结构 在前文分析的基础上，我们提出车用c a n 网络的优化设计，根据汽车网络 上节点数据的类型将车用c a n 网络分为高速c a n 网络和低速c a n 网络两个部 分。将车辆动力控制系统、主动安全系统等发送周期性数据的节点分配在高速 c a n 网络中。将天窗控制系统、自动空调、车灯控制系统等事件型数据的节点 放在低速c a n 网络中，并在低速c a n 网络中扩展l i n 网络，有效地增加网络 带宽和保证了低速c a n 网络上数据传输的实时性和可靠性，而且降低了整个车 用总线的成本。系统框图如下图3 3 所示。 图3 3 汽车网络拓扑结构 l i n 总线采用主从方式工作，一条l i n 总线中含有一个主节点和若干从节点。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 通信的发起和总线介质的控制访问等都是通过网络中主节点来管理。l i n 总线中 从节点的数量受限于标识场的长度和总线的物理特性，一般来说l i n 总线中最 多挂1 2 个从节点。如图3 3 所示车门控制和胎压监测模块既是低速c a n 网络上 的节点也是l 1 n 网络中的主节点。引入c a n l i n 混合网络总线结构可以有效增 加系统的节点数量，降低网络的总线负载，提高网络通信的实时性。车内娱乐 系统采用m o s t 总线结构，由于娱乐系统的数据量比较大，将其放在c a n 网络 中会大量占用带宽导致其他节点数据传输的延迟。故将其独立出来应用m o s t 总线。m o s t 总线一般采用环形结构，图3 - 4 就是m o s t 总线在信息系统中的 典型应用。 图3 - 4m o s t 总线在信息系统中的应用 3 4 2调