混合動力電動車控制器網(wǎng)絡(luò)時間觸發(fā)can總線協(xié)議設(shè)計

混合動力電動車控制器網(wǎng)絡(luò)時間觸發(fā)can總線協(xié)議設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)時間觸發(fā)通信采用中央控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系技術(shù)（co），有效支持分布式控制或及時控制，已廣泛應(yīng)用于混合動力電動汽車控制器網(wǎng)絡(luò)。TTCAN(time-triggeredcontrollerareanetwork)是ISO定義的時間觸發(fā)通信標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898-4),它位于CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層之上,通過按時序發(fā)送信息的方法避免總線信息的發(fā)送沖突和發(fā)送時間的不確定性。TTCAN的以上特點使其在混合動力電動車控制器網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用具有良好前景。在TTCAN的研究上,Albert和Gerth使用試驗方法測量了單幀信息的響應(yīng)時間,Fonseca引入遺傳算法進(jìn)行了系統(tǒng)矩陣調(diào)度研究,但針對混合動力電動車對象的TTCAN設(shè)計較少,由于目前流行的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)不支持TTCAN,難以利用仿真手段對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評價。作者根據(jù)混合動力電動車控制網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計整車TTCAN協(xié)議,對CAN的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)CANoe進(jìn)行了二次開發(fā),建立用于TTCAN的仿真模型,并對所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的通信實時性進(jìn)行仿真分析,討論了影響通信實時性的主要因素。1混合動力車輛的ttcon協(xié)議設(shè)計1.1控制器網(wǎng)絡(luò)模型文中研究的國內(nèi)某混合動力電動車控制器網(wǎng)絡(luò)包括上位控制器(HCU)、發(fā)動機(jī)控制單元(ENG)、采集顯示模塊(DCU)、電機(jī)控制單元(IPU)、電池管理單元(BCM)。控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘柗?類:車輛正常運(yùn)行時周期性發(fā)送的控制命令或部件狀態(tài)信息,如HCU到IPU的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;事件突發(fā)后的緊急信息,如HCU發(fā)出的緊急停止命令。對于第1類信號要求周期準(zhǔn)確、無抖動,以保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定;對于第2類信號則要求網(wǎng)絡(luò)延時盡可能短,以便系統(tǒng)在最短時間內(nèi)作出反應(yīng)。為提高帶寬利用率,協(xié)議對同一源節(jié)點發(fā)送的信號編碼打包形成信息幀的數(shù)據(jù)段,并依上述信號分類將信息幀定義為周期型或事件型。最終協(xié)議定義的源節(jié)點發(fā)送信息類型、數(shù)量、周期或優(yōu)先級如表1所列。1.2事件型信息的確定混合動力車系統(tǒng)矩陣的設(shè)計目標(biāo)是在滿足周期型信息精確周期的前提下,減小事件型信息的網(wǎng)絡(luò)延時,為此系統(tǒng)矩陣設(shè)計主要包括矩陣時間參數(shù)的確定以及信息在時間窗的調(diào)度。1.2.1發(fā)送周期型信息的數(shù)量為了滿足周期型信息的周期要求,系統(tǒng)矩陣時長TSM、基本循環(huán)時長TBC計算公式為式中:flcm為最小公倍數(shù)函數(shù),fgcd為最大公約數(shù)函數(shù),P為屬于第i個源節(jié)點的第j個信息的周期,Ni為第i個源節(jié)點發(fā)送周期型信息的數(shù)量。時間窗時長ω計算公式為ω=tTX_EN+maxC+tIi∈,j∈[1,Ni](3)式中:C為信息幀傳輸時間;tI為幀間空間時長;tTX_EN為發(fā)送允許窗時長,取值范圍[1NTU,16NTU],其中NTU為位傳輸時間。發(fā)送允許窗是為了允許觸發(fā)時刻誤差而設(shè)計的信息幀可觸發(fā)區(qū)間。信息幀在區(qū)間內(nèi)可推遲觸發(fā),從而避免上一窗口內(nèi)的錯誤幀阻塞當(dāng)前窗口的信息。在無錯誤幀情況下,發(fā)送允許窗的時間內(nèi)總線處于空閑,降低了帶寬利用率。對于混合動力車廣播式無應(yīng)答網(wǎng)絡(luò),對容錯性要求高于帶寬利用率要求,因此文中tTX_EN取最大值。1.2.2混合動力車tcdd-pcr調(diào)度算法確定系統(tǒng)矩陣時即確定了矩陣的框架,信息的調(diào)度在此框架內(nèi)進(jìn)行。為滿足對發(fā)送周期的要求,首先調(diào)度周期型信息,再考慮事件型信息,同時對系統(tǒng)矩陣進(jìn)行優(yōu)化,具體方法如下。(1)將基本循環(huán)分為同步段和異步段。同步段由獨占窗組成,異步段由合并的仲裁窗組成。(2)在獨占窗內(nèi)按周期由小到大的順序調(diào)度周期型信息。(3)將所有事件型信息放入仲裁窗,并按事件優(yōu)先級分配信息ID。(4)引入仲裁窗均布因子N,將異步段N等份均布于基本循環(huán)中。(5)將已調(diào)度完成的獨占窗插入異步段。調(diào)度過程中引入仲裁窗均布因子的目的是改善事件型信息的實時性。最終完成的混合動力車TTCAN系統(tǒng)矩陣為矩陣中:Ref.為參考幀,MArb.j為序號j的合并仲裁窗,Hi、Ii、Ei、Di、Bi為屬于源節(jié)點HCU、IPU、ENG、DCU、BCM的第i類信息,Free為自由窗。矩陣的仲裁窗均布因子為4。2兩種網(wǎng)絡(luò)的仿真模型CANoe是德國Vector公司開發(fā)的CAN總線仿真和監(jiān)測系統(tǒng),其內(nèi)核提供了CAN物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的仿真機(jī)制。TTCAN網(wǎng)絡(luò)模型是在其上層建立應(yīng)用層和會話層協(xié)議模型,所建立的仿真模型與CANoe提供的仿真內(nèi)核層協(xié)議關(guān)系如圖2所示。2.1結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)絡(luò)配置圖3為CANoe下的混合動力車TTCAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€式,源節(jié)點配置如表1。模型可配置的參數(shù)包括總線波特率及節(jié)點啟動時間。2.2先進(jìn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換應(yīng)用層模型描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部的信息生產(chǎn)和消費(fèi)行為,其模型如圖4所示。模型運(yùn)行時,首先在初始化狀態(tài)中消耗預(yù)設(shè)的上電初始化時間,然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)?？臻e狀態(tài)下節(jié)點依據(jù)是否有隨機(jī)事件產(chǎn)生轉(zhuǎn)入隨機(jī)任務(wù)狀態(tài)或主任務(wù)狀態(tài),這兩個任務(wù)分別生成事件型和周期型信息的數(shù)據(jù)。發(fā)送狀態(tài)是將數(shù)據(jù)打包交付給會話層的狀態(tài),節(jié)點轉(zhuǎn)入該狀態(tài)的條件是周期型信息對應(yīng)的定時器到時或者隨機(jī)任務(wù)完成。從主任務(wù)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)是一種“中斷”過程,因此發(fā)送狀態(tài)退出后返回主任務(wù)狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點處于空閑狀態(tài)且會話層有信息到來時,轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)進(jìn)行信息解析。2.3同步型事件會話層模型描述節(jié)點時鐘同步和信息觸發(fā)的行為,其模型如圖5所示。模型運(yùn)行時,首先在初始化狀態(tài)中重置CAN模塊及超時計數(shù)器,然后進(jìn)入等待狀態(tài)。節(jié)點收到參考幀后與網(wǎng)絡(luò)時鐘取得同步,進(jìn)入同步狀態(tài),本地時鐘開始計時。周期性的接收參考幀使節(jié)點維持在同步狀態(tài),而參考幀超時使節(jié)點脫離同步,此時任何信息發(fā)送都被禁止,節(jié)點必須重新進(jìn)行初始化。當(dāng)本地時鐘到達(dá)系統(tǒng)矩陣中規(guī)定的觸發(fā)時刻后節(jié)點從同步跳轉(zhuǎn)到觸發(fā)狀態(tài),將待發(fā)送信息寫入緩存隊列。周期信息觸發(fā)狀態(tài)經(jīng)歷一次后即跳出,而事件信息觸發(fā)狀態(tài)跳出的條件是信息發(fā)送成功或仲裁窗關(guān)閉,即在仲裁窗時間約束內(nèi),允許信息因仲裁失敗而重發(fā)。當(dāng)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)時,轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),將信息幀轉(zhuǎn)交給應(yīng)用層。3實車試驗驗證在建立網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,對網(wǎng)絡(luò)實時性進(jìn)行了仿真分析,并利用實車試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。TTCAN網(wǎng)絡(luò)實車試驗的網(wǎng)絡(luò)布置如圖6所示。圖中雙粗線為TTCAN總線,網(wǎng)關(guān)將部件控制器發(fā)送的CAN信息按TTCAN協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)。3.1信息響應(yīng)時間仿真信息響應(yīng)時間定義為從信息被放入緩存隊列到完成發(fā)送的時間差,是評價通信實時性的重要指標(biāo)。圖7為周期型信息響應(yīng)時間仿真與實驗結(jié)果。仿真結(jié)果表明,信息具有良好的響應(yīng)時間,其數(shù)值上等于信息傳輸時間,且不隨優(yōu)先級的變化而變化。信息響應(yīng)時間的小范圍抖動是由于CAN數(shù)據(jù)鏈路層的位填充規(guī)則造成。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好,最大值差異的原因是仿真時數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)和實車實驗數(shù)據(jù)相比的隨機(jī)性大,位填充數(shù)的最大值更接近理論最大值。3.2信息響應(yīng)特性仿真結(jié)果圖8分別為仲裁窗均布因子N=4、8時的事件型信息響應(yīng)時間仿真與實驗結(jié)果。仿真結(jié)果表明,增加因子的取值可以改善響應(yīng)時間,尤其是上限值。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn):事件型信息的生成帶有隨機(jī)性,設(shè)信息寫入緩存隊列的時刻不在仲裁窗內(nèi),則發(fā)送要推遲到下一個仲裁窗的到來,這段時間是造成響應(yīng)時間慢的主要原因。增加因子取值后,仲裁窗均布于基本循環(huán),減小了最長等待時間。因此仲裁窗的均布可以改善事件型信息響應(yīng)時間,尤其是上限值。對于同一個網(wǎng)絡(luò),在周期型信息數(shù)量、周期、長度已確定的情況下,仲裁窗寬度最大值屬因變量。由于單個仲裁窗時長必須大于單幀信息傳輸時間,因此均布因子的最大值受到限制,響應(yīng)時間的改善亦受限。而對于傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò),可認(rèn)為其仲裁窗寬度無限大,因此事件型信息可獲得最佳的響應(yīng)特性。仿真結(jié)果顯示優(yōu)先級較高的信息響應(yīng)較快,這是由于信息在仲裁窗內(nèi)仍遵循優(yōu)先級仲裁規(guī)則。因此在協(xié)議設(shè)計時可以依據(jù)信息重要程