混合动力电动车控制器网络时间触发can总线协议设计

混合动力电动车控制器网络时间触发can总线协议设计

网络时间触发通信采用中央控制网络联系技术（co），有效支持分布式控制或及时控制，已广泛应用于混合动力电动汽车控制器网络。TTCAN(time-triggeredcontrollerareanetwork)是ISO定义的时间触发通信标准(ISO11898-4),它位于CAN物理层和数据链路层之上,通过按时序发送信息的方法避免总线信息的发送冲突和发送时间的不确定性。TTCAN的以上特点使其在混合动力电动车控制器网络上的应用具有良好前景。在TTCAN的研究上,Albert和Gerth使用试验方法测量了单帧信息的响应时间,Fonseca引入遗传算法进行了系统矩阵调度研究,但针对混合动力电动车对象的TTCAN设计较少,由于目前流行的网络仿真系统不支持TTCAN,难以利用仿真手段对网络性能进行评价。作者根据混合动力电动车控制网络的特点设计整车TTCAN协议,对CAN的网络仿真系统CANoe进行了二次开发,建立用于TTCAN的仿真模型,并对所设计网络的通信实时性进行仿真分析,讨论了影响通信实时性的主要因素。1混合动力车辆的ttcon协议设计1.1控制器网络模型文中研究的国内某混合动力电动车控制器网络包括上位控制器(HCU)、发动机控制单元(ENG)、采集显示模块(DCU)、电机控制单元(IPU)、电池管理单元(BCM)。控制器网络结构如图1所示。网络传输的信号分2类:车辆正常运行时周期性发送的控制命令或部件状态信息,如HCU到IPU的电机目标转矩;事件突发后的紧急信息,如HCU发出的紧急停止命令。对于第1类信号要求周期准确、无抖动,以保证控制系统稳定;对于第2类信号则要求网络延时尽可能短,以便系统在最短时间内作出反应。为提高带宽利用率,协议对同一源节点发送的信号编码打包形成信息帧的数据段,并依上述信号分类将信息帧定义为周期型或事件型。最终协议定义的源节点发送信息类型、数量、周期或优先级如表1所列。1.2事件型信息的确定混合动力车系统矩阵的设计目标是在满足周期型信息精确周期的前提下,减小事件型信息的网络延时,为此系统矩阵设计主要包括矩阵时间参数的确定以及信息在时间窗的调度。1.2.1发送周期型信息的数量为了满足周期型信息的周期要求,系统矩阵时长TSM、基本循环时长TBC计算公式为式中:flcm为最小公倍数函数,fgcd为最大公约数函数,P为属于第i个源节点的第j个信息的周期,Ni为第i个源节点发送周期型信息的数量。时间窗时长ω计算公式为ω=tTX_EN+maxC+tIi∈,j∈[1,Ni](3)式中:C为信息帧传输时间;tI为帧间空间时长;tTX_EN为发送允许窗时长,取值范围[1NTU,16NTU],其中NTU为位传输时间。发送允许窗是为了允许触发时刻误差而设计的信息帧可触发区间。信息帧在区间内可推迟触发,从而避免上一窗口内的错误帧阻塞当前窗口的信息。在无错误帧情况下,发送允许窗的时间内总线处于空闲,降低了带宽利用率。对于混合动力车广播式无应答网络,对容错性要求高于带宽利用率要求,因此文中tTX_EN取最大值。1.2.2混合动力车tcdd-pcr调度算法确定系统矩阵时即确定了矩阵的框架,信息的调度在此框架内进行。为满足对发送周期的要求,首先调度周期型信息,再考虑事件型信息,同时对系统矩阵进行优化,具体方法如下。(1)将基本循环分为同步段和异步段。同步段由独占窗组成,异步段由合并的仲裁窗组成。(2)在独占窗内按周期由小到大的顺序调度周期型信息。(3)将所有事件型信息放入仲裁窗,并按事件优先级分配信息ID。(4)引入仲裁窗均布因子N,将异步段N等份均布于基本循环中。(5)将已调度完成的独占窗插入异步段。调度过程中引入仲裁窗均布因子的目的是改善事件型信息的实时性。最终完成的混合动力车TTCAN系统矩阵为矩阵中:Ref.为参考帧,MArb.j为序号j的合并仲裁窗,Hi、Ii、Ei、Di、Bi为属于源节点HCU、IPU、ENG、DCU、BCM的第i类信息,Free为自由窗。矩阵的仲裁窗均布因子为4。2两种网络的仿真模型CANoe是德国Vector公司开发的CAN总线仿真和监测系统,其内核提供了CAN物理层、数据链路层的仿真机制。TTCAN网络模型是在其上层建立应用层和会话层协议模型,所建立的仿真模型与CANoe提供的仿真内核层协议关系如图2所示。2.1结构模型及网络配置图3为CANoe下的混合动力车TTCAN拓扑结构模型。网络拓扑为总线式,源节点配置如表1。模型可配置的参数包括总线波特率及节点启动时间。2.2先进状态的转换应用层模型描述网络节点内部的信息生产和消费行为,其模型如图4所示。模型运行时,首先在初始化状态中消耗预设的上电初始化时间,然后转入空闲状态。空闲状态下节点依据是否有随机事件产生转入随机任务状态或主任务状态,这两个任务分别生成事件型和周期型信息的数据。发送状态是将数据打包交付给会话层的状态,节点转入该状态的条件是周期型信息对应的定时器到时或者随机任务完成。从主任务状态跳转到发送状态是一种“中断”过程,因此发送状态退出后返回主任务状态。当节点处于空闲状态且会话层有信息到来时,转入接收状态进行信息解析。2.3同步型事件会话层模型描述节点时钟同步和信息触发的行为,其模型如图5所示。模型运行时,首先在初始化状态中重置CAN模块及超时计数器,然后进入等待状态。节点收到参考帧后与网络时钟取得同步,进入同步状态,本地时钟开始计时。周期性的接收参考帧使节点维持在同步状态,而参考帧超时使节点脱离同步,此时任何信息发送都被禁止,节点必须重新进行初始化。当本地时钟到达系统矩阵中规定的触发时刻后节点从同步跳转到触发状态,将待发送信息写入缓存队列。周期信息触发状态经历一次后即跳出,而事件信息触发状态跳出的条件是信息发送成功或仲裁窗关闭,即在仲裁窗时间约束内,允许信息因仲裁失败而重发。当节点接收到数据链路层数据时,转入接收状态,将信息帧转交给应用层。3实车试验验证在建立网络模型的基础上,对网络实时性进行了仿真分析,并利用实车试验对仿真结果进行验证。TTCAN网络实车试验的网络布置如图6所示。图中双粗线为TTCAN总线,网关将部件控制器发送的CAN信息按TTCAN协议转发。3.1信息响应时间仿真信息响应时间定义为从信息被放入缓存队列到完成发送的时间差,是评价通信实时性的重要指标。图7为周期型信息响应时间仿真与实验结果。仿真结果表明,信息具有良好的响应时间,其数值上等于信息传输时间,且不随优先级的变化而变化。信息响应时间的小范围抖动是由于CAN数据链路层的位填充规则造成。仿真结果与实验结果吻合较好,最大值差异的原因是仿真时数据场的数据和实车实验数据相比的随机性大,位填充数的最大值更接近理论最大值。3.2信息响应特性仿真结果图8分别为仲裁窗均布因子N=4、8时的事件型信息响应时间仿真与实验结果。仿真结果表明,增加因子的取值可以改善响应时间,尤其是上限值。经过分析发现:事件型信息的生成带有随机性,设信息写入缓存队列的时刻不在仲裁窗内,则发送要推迟到下一个仲裁窗的到来,这段时间是造成响应时间慢的主要原因。增加因子取值后,仲裁窗均布于基本循环,减小了最长等待时间。因此仲裁窗的均布可以改善事件型信息响应时间,尤其是上限值。对于同一个网络,在周期型信息数量、周期、长度已确定的情况下,仲裁窗宽度最大值属因变量。由于单个仲裁窗时长必须大于单帧信息传输时间,因此均布因子的最大值受到限制,响应时间的改善亦受限。而对于传统CAN网络,可认为其仲裁窗宽度无限大,因此事件型信息可获得最佳的响应特性。仿真结果显示优先级较高的信息响应较快,这是由于信息在仲裁窗内仍遵循优先级仲裁规则。因此在协议设计时可以依据信息重要程