混合動力電動車控制器網絡時間觸發can總線協議設計

網絡時間觸發通信采用中央控制網絡聯系技術（co），有效支持分布式控制或及時控制，已廣泛應用于混合動力電動汽車控制器網絡。TTCAN(time-triggeredcontrollerareanetwork)是ISO定義的時間觸發通信標準(ISO11898-4),它位于CAN物理層和數據鏈路層之上,通過按時序發送信息的方法避免總線信息的發送沖突和發送時間的不確定性。TTCAN的以上特點使其在混合動力電動車控制器網絡上的應用具有良好前景。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時間,Fonseca引入遺傳算法進行了系統矩陣調度研究,但針對混合動力電動車對象的TTCAN設計較少,由于目前流行的網絡仿真系統不支持TTCAN,難以利用仿真手段對網絡性能進行評價。作者根據混合動力電動車控制網絡的特點設計整車TTCAN協議,對CAN的網絡仿真系統CANoe進行了二次開發,建立用于TTCAN的仿真模型,并對所設計網絡的通信實時性進行仿真分析,討論了影響通信實時性的主要因素。1混合動力車輛的ttcon協議設計1.1控制器網絡模型文中研究的國內某混合動力電動車控制器網絡包括上位控制器(HCU)、發動機控制單元(ENG)、采集顯示模塊(DCU)、電機控制單元(IPU)、電池管理單元(BCM)。控制器網絡結構如圖1所示。網絡傳輸的信號分2類:車輛正常運行時周期性發送的控制命令或部件狀態信息,如HCU到IPU的電機目標轉矩;事件突發后的緊急信息,如HCU發出的緊急停止命令。對于第1類信號要求周期準確、無抖動,以保證控制系統穩定;對于第2類信號則要求網絡延時盡可能短,以便系統在最短時間內作出反應。為提高帶寬利用率,協議對同一源節點發送的信號編碼打包形成信息幀的數據段,并依上述信號分類將信息幀定義為周期型或事件型。最終協議定義的源節點發送信息類型、數量、周期或優先級如表1所列。1.2事件型信息的確定混合動力車系統矩陣的設計目標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絡延時,為此系統矩陣設計主要包括矩陣時間參數的確定以及信息在時間窗的調度。1.2.1發送周期型信息的數量為了滿足周期型信息的周期要求,系統矩陣時長TSM、基本循環時長TBC計算公式為式中:flcm為最小公倍數函數,fgcd為最大公約數函數,P為屬于第i個源節點的第j個信息的周期,Ni為第i個源節點發送周期型信息的數量。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為發送允許窗時長,取值范圍[1NTU,16NTU],其中NTU為位傳輸時間。發送允許窗是為了允許觸發時刻誤差而設計的信息幀可觸發區間。信息幀在區間內可推遲觸發,從而避免上一窗口內的錯誤幀阻塞當前窗口的信息。在無錯誤幀情況下,發送允許窗的時間內總線處于空閑,降低了帶寬利用率。對于混合動力車廣播式無應答網絡,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調度算法確定系統矩陣時即確定了矩陣的框架,信息的調度在此框架內進行。為滿足對發送周期的要求,首先調度周期型信息,再考慮事件型信息,同時對系統矩陣進行優化,具體方法如下。(1)將基本循環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)在獨占窗內按周期由小到大的順序調度周期型信息。(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中。(5)將已調度完成的獨占窗插入異步段。調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。2兩種網絡的仿真模型CANoe是德國Vector公司開發的CAN總線仿真和監測系統,其內核提供了CAN物理層、數據鏈路層的仿真機制。TTCAN網絡模型是在其上層建立應用層和會話層協議模型,所建立的仿真模型與CANoe提供的仿真內核層協議關系如圖2所示。2.1結構模型及網絡配置圖3為CANoe下的混合動力車TTCAN拓撲結構模型。網絡拓撲為總線式,源節點配置如表1。模型可配置的參數包括總線波特率及節點啟動時間。2.2先進狀態的轉換應用層模型描述網絡節點內部的信息生產和消費行為,其模型如圖4所示。模型運行時,首先在初始化狀態中消耗預設的上電初始化時間,然后轉入空閑狀態。空閑狀態下節點依據是否有隨機事件產生轉入隨機任務狀態或主任務狀態,這兩個任務分別生成事件型和周期型信息的數據。發送狀態是將數據打包交付給會話層的狀態,節點轉入該狀態的條件是周期型信息對應的定時器到時或者隨機任務完成。從主任務狀態跳轉到發送狀態是一種“中斷”過程,因此發送狀態退出后返回主任務狀態。當節點處于空閑狀態且會話層有信息到來時,轉入接收狀態進行信息解析。2.3同步型事件會話層模型描述節點時鐘同步和信息觸發的行為,其模型如圖5所示。模型運行時,首先在初始化狀態中重置CAN模塊及超時計數器,然后進入等待狀態。節點收到參考幀后與網絡時鐘取得同步,進入同步狀態,本地時鐘開始計時。周期性的接收參考幀使節點維持在同步狀態,而參考幀超時使節點脫離同步,此時任何信息發送都被禁止,節點必須重新進行初始化。當本地時鐘到達系統矩陣中規定的觸發時刻后節點從同步跳轉到觸發狀態,將待發送信息寫入緩存隊列。周期信息觸發狀態經歷一次后即跳出,而事件信息觸發狀態跳出的條件是信息發送成功或仲裁窗關閉,即在仲裁窗時間約束內,允許信息因仲裁失敗而重發。當節點接收到數據鏈路層數據時,轉入接收狀態,將信息幀轉交給應用層。3實車試驗驗證在建立網絡模型的基礎上,對網絡實時性進行了仿真分析,并利用實車試驗對仿真結果進行驗證。TTCAN網絡實車試驗的網絡布置如圖6所示。圖中雙粗線為TTCAN總線,網關將部件控制器發送的CAN信息按TTCAN協議轉發。3.1信息響應時間仿真信息響應時間定義為從信息被放入緩存隊列到完成發送的時間差,是評價通信實時性的重要指標。圖7為周期型信息響應時間仿真與實驗結果。仿真結果表明,信息具有良好的響應時間,其數值上等于信息傳輸時間,且不隨優先級的變化而變化。信息響應時間的小范圍抖動是由于CAN數據鏈路層的位填充規則造成。仿真結果與實驗結果吻合較好,最大值差異的原因是仿真時數據場的數據和實車實驗數據相比的隨機性大,位填充數的最大值更接近理論最大值。3.2信息響應特性仿真結果圖8分別為仲裁窗均布因子N=4、8時的事件型信息響應時間仿真與實驗結果。仿真結果表明,增加因子的取值可以改善響應時間,尤其是上限值。經過分析發現:事件型信息的生成帶有隨機性,設信息寫入緩存隊列的時刻不在仲裁窗內,則發送要推遲到下一個仲裁窗的到來,這段時間是造成響應時間慢的主要原因。增加因子取值后,仲裁窗均布于基本循環,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時間,尤其是上限值。對于同一個網絡,在周期型信息數量、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,響應時間的改善亦受限。而對于傳統CAN網絡,可認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特性。仿真結果顯示優先級較高的信息響應較快,這是由于信息在仲裁窗內仍遵循優先級仲裁規則。因此在協議設計時可以依據信息重要程