從控制系統(tǒng)的角度看未來汽車總線的需求

引言

從上世紀(jì)50年代汽車上第一次使用電子元件以來，使用在汽車上的電子元件越來越多也越來越復(fù)雜。在現(xiàn)在的汽車控制系統(tǒng)中有一種趨勢，就是以通過總線來連接控制系統(tǒng)上的分散的分布式元器件。CAN總線以其事件觸發(fā)和無損仲裁機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)受到廣大汽車生產(chǎn)廠商的青睞。但是，隨著汽車車身電子元件的增加，特別是新一代纜控技術(shù)(by-wire)的發(fā)展，CAN總線將逐漸無法滿足其要求，這就引出了時間觸發(fā)的CAN總線，即TTCAN總線。

在實際的汽車總線應(yīng)用中，總線會受到很強(qiáng)的電磁干擾。所以，總線上的節(jié)點(diǎn)必須具有很好的容錯(fault-tolerant )性能。這樣在遇到有消息發(fā)送失敗或者節(jié)點(diǎn)失效等故障時，總線還可以保證硬實時系統(tǒng)((hard real-time system)的安全性。

1未來汽車發(fā)展的要求

1.1低能耗內(nèi)烘機(jī)車

除了內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)、部件原理改進(jìn)使油耗降低外，控制系統(tǒng)的改進(jìn)也是很重要的。用以保證發(fā)動機(jī)在任何時候，特別是啟動、加減速、制動、怠速等過程時能夠盡最大可能的省油和重復(fù)利用能源。這就要求信息的精度和重復(fù)頻率提高，也就是提高傳感器的性能和拓寬通訊頻帶。

1.2混合動力車

因為單元較多(例如分為多能源控制單元、內(nèi)燃機(jī)單元、電動機(jī)單元、電池單元、輔助能源單元、儀表盤單元等)，各單元間的相互關(guān)系也較多(特別是并聯(lián)混合式)。其頻帶占用較多，如果采取一些措施梭，目前的通訊規(guī)程(SAE J1939 )在應(yīng)用層補(bǔ)充后也己可用，但如對控制要求較高，頻帶利用率已較緊張。

1.3線控車(X-by-wire)

線控車由于以線纜代替駕駛員與動力設(shè)備間的機(jī)械聯(lián)系，出現(xiàn)了很多優(yōu)點(diǎn)，例如控制(特別是轉(zhuǎn)向和制動)輕便靈活，自動化程度高等。但是正因為用了線控技術(shù)，駕駛員只能通過“線”來控制車，安全問題就提高到了首位。其主要特點(diǎn)有:

?缺少了機(jī)械后援，對安全性要求高;

?傳感器需要有雙份冗余，關(guān)鍵部分甚至需 要三份，增加了通道所需容量;

?由于傳感器及通道的多路化，控制系統(tǒng)的 判別和運(yùn)算需要更多的時間。

2系統(tǒng)通訊的響應(yīng)時間

2.1系統(tǒng)模型

總線上傳輸?shù)南⒖梢苑譃槿?周期性，陣發(fā)性和查詢消息。其中周期性消息是以時間觸發(fā)的形式周期性發(fā)送的，如汽車車速為大小8 bits的消息并且每1OOm，發(fā)送一次;陣發(fā)性的消息是以事件觸發(fā)的形式發(fā)送的，如鑰匙開關(guān)點(diǎn)火；而查詢消息是則主要用于診斷，平常很少使用。

下面描述一下將要用來分析的系統(tǒng)模型，若干個節(jié)點(diǎn)由TTCAN總線連接用以傳輸一組硬實時系統(tǒng)的消息。這些硬實時系統(tǒng)的消息是一些典型的控制信息，必須在時限之內(nèi)完成否則就會造成嚴(yán)重的后果。在這里只考慮周期性消息和陣發(fā)性消息，消息從產(chǎn)生開始并被送入CPU由專門軟件進(jìn)行排隊，經(jīng)CPU處理過后經(jīng)TTCAN節(jié)點(diǎn)送入總線排隊等待，直到處理完畢。如圖1所示:

2.2最壞情況下消息延時的計算

這節(jié)將討論最壞情況下消息延時的計算，這是基于Tindell和Burns所提出的基本計算方法。這種方法是建立在未做任何信息傳輸優(yōu)化假設(shè)基礎(chǔ)上的，在實際的信息傳輸中效率會大大高于理論計算值，首先要做一些假設(shè):

第一，一個消息m的時限不會大于這個消息的周期;

第二，如果有更高優(yōu)先級的消息在等待，系統(tǒng)不會先處理低優(yōu)先級的消息。一個幀m由CmTmJmDm所定義，其中Tm是周期，Cm是傳送時間，Dm是時限，Jm是最大抖動(jitter)。分析抖動是很重要的，因為忽略了它會導(dǎo)致分析的不充分。排隊抖動(Queuingjitter)指的是一個消息可以被列入排隊隊列的最長和最短時間的差值。消息排隊抖動如圖2所示:

最壞情況下，CAN消息的傳送時間是:(2.0A)

其中τbit是物理介質(zhì)比特的時間，sm是CAN幀的數(shù)據(jù)部分大小。總的傳輸時間是指最壞情況下的插入(stuff)和頭部數(shù)目以及數(shù)據(jù)位。CAN要求在傳輸4個相同位后插入一個插入位。每4個相同位后插入的插入位也就成了下相同位序列的第一位。