电动汽车技术课件：整车控制系统

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整车控制系统8.1整车控制系统及其功能分析8.2整车控制器开发8.3整车通信系统8.4本章小结主要内容8.1整车控制系统及其功能分析8.2整车控制器开发8.3整车通信系统8.4本章小结主要内容8.1整车控制系统及其功能分析

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郑殿宇一、整车控制系统结构混合动力电动汽车整车控制系统Vehiclecontrolsystemofhybridelectricvehicle8.1整车控制系统及其功能分析

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郑殿宇一、整车控制系统结构组织层（

Tissuelayer）：由部件控制器和一些执行单元组成，其任务是正确的执行中间层发送的指令，并且有一定的自适应和极限保护功能协调层（

Coordinationlayer）：其核心是整车控制器，它一方面根据驾驶员的各种操作和当前的状态解释出驾驶员的意图，另一方面根据执行层的当前状态，做出最优协调控制执行层（

Executivelayer）：由驾驶员或自动驾驶仪实现车辆控制的闭环整车控制系统（Vehiclecontrolsystemofhybridelectricvehicle）8.1整车控制系统及其功能分析

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郑殿宇一、整车控制系统结构动力性和经济性（PowerandEconomy）：在汽车实际行驶过程中，整车控制器实时控制能量源之间的能量输出分配，从而实现整车能量的优化，获得较高的燃油经济性安全性（Safety）：整车控制器必须从整车的角度及时检测各部件的工作状态，并对可能出现的危险及时处理，以保证乘车和车辆安全驾驶舒适性和整车协调控制（Coordinatedcontrolofdrivingcomfortandvehicle）：采用整车控制器管理汽车上各部件的工作，可以整合汽车上各项分功能，如自动巡航、防抱死刹车系统（AntilockBrakesystems，ABS）、自动换挡等，实现信息共享和全局控制，改善驾驶舒适性整车控制系统对车辆性能影响(Effectofvehicle

controlsystemon

vehicleperformance）8.1整车控制系统及其功能分析

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郑殿宇二、整车控制器基本任务动力系统控制接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向相关部件控制器（如电机控制器、电池控制器、发动机控制器等）发送控制指令，正确、可靠地执行驾驶员意图，使车辆按驾驶员期望进行上下电管理和行驶功能附件管理功能通过硬线直接控制电磁阀、风扇、冷却泵等设备，对整车动力系统相关附件进行协调管理通讯功能与电机控制器、电池控制器、ABS、电转向、仪表等控制器进行可靠通讯，通过控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）总线进行数据的采集输入及控制指令的输出车辆状态监测接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的动力系统状况信息故障诊断及存储功能对整车系统故障进行实时判断，动态检测系统信息，并记录历史故障

整车控制器相当于汽车的大脑，它在汽车行驶过程中执行多项任务，其功能是分析传感器采集到的各种信息，并向执行器或执行元件发出控制指令。基本任务主要有：8.1整车控制系统及其功能分析8.2整车控制器开发8.3整车通信系统8.4本章小结主要内容8.2整车控制器开发

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郑殿宇一、硬件在环开发系统硬件在环仿真是指将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型，另一部分以实物方式引入仿真回路。硬件在环仿真不仅能更准确地反映真实系统的特性，而且保持了数学仿真成本低、重复性好等优点。硬件在环仿真实现了物理硬件和软件模型的互换，从而可以在原型车不存在的情况下进行部件或整车的试验系统模型实时计算系统高速接口与管理系统监控系统控制器实物硬件在环仿真系统8.2整车控制器开发

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郑殿宇一、硬件在环开发系统整车及关键部件的实时前向仿真为了充分模拟被控对象的特性，平台的仿真过程必须与汽车行驶时各部件的实际工作过程一致，并且其计算速度能够满足控制的需要。驾驶员模型作为仿真的起点，由其感知系统和环境的各项参数并跟随给定的行驶工况，输出油门踏板和制动踏板信号，仿真循环的数据流方向与实际系统的能量流动方向相同整车控制器在环仿真平台应该提供接口以支持快速控制器原型和目标VCU的开发和调试。平台的数据交换方式，包括VCU所有输入、输出的模拟量和开关量信号的物理特性，网络环境和通信协议及执行部件的控制方式都应该和实车一致部件在环仿真控制策略的研究，需要各个部件的精确特性。但是某些部件比较复杂，难以建立精确的模型，比如动力电池就具有强时变的非线性特性。对于此类部件，平台应该采用硬件在环的仿真方法以获得部件的实时特性驾驶员在环仿真汽车处于人--车--路的闭环系统之中，驾驶员行为对整车控制器的运行与操作影响很大，但是每个驾驶员的驾驶习惯都不一样，难以建立统一的模型来描述，因此有必要采用驾驶员在环仿真的方法。这样可以在真实驾驶过程中对控制策略进行验证，也可以研究驾驶员操作习惯对控制策略的影响模块化和可扩展平台应该具有模块化和可扩展的能力，以便根据研究和开发的需要接入不同的真实部件，比如ABS系统，对局部的控制算法做深入研究硬件在环开发系统平台为满足控制器的设计与开发要求，需要具备的功能有：8.2整车控制器开发

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郑殿宇一、硬件在环开发系统硬件在环系统示意图8.2整车控制器开发

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郑殿宇二、仿真模型建立按照参与仿真的模型种类不同，可将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理—数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真），半实物仿真也称硬件在环仿真。按照适用的领域不同，仿真软件有通用和专业之分。用于混合动力电动汽车的专业软件主要有：ADVISOR，V-ELPH，PSAT，EASY5，CRUISE等；通用软件的典型代表是Matlab/Simulink，它已经成为控制系统开发和实时仿真领域事实上的工业标准。很多专业仿真软件都与Matlab/Simulink留有接口，有些就是在Matlab平台上做的二次开发。8.2整车控制器开发

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郑殿宇二、仿真模型建立（1）被控对象模型被控对象包括整车和动力系统各个部件混合动力电动汽车系统仿真模型结构使用Simulink建立仿真模型时，代数环（AlgebraicLoop）是经常出现的问题。代数环是由直接馈入（Direct-feedThrough）模块如Sum、Gain等首尾相连造成的，其实质就是隐式的代数约束方程。Simulink一般要通过迭代的方法进行求解，这不仅会大大降低仿真的速度，甚至造成仿真程序陷入死循环。有代数环的Simulink仿真模型是不能用于实时仿真的。为了建立实时仿真模型，就必须消除代数环8.2整车控制器开发

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郑殿宇二、仿真模型建立（1）被控对象模型消除代数环主要有如下的方法：1）在含有代数环的路径上加入Memory、UnitDelay等非直接馈入（NonDirect-feedThrough）模块，从而将原代数方程转化为有初值的递推关系，但这样做有时会改变原有模型的内在结构关系。2）代数环的形成往往是由于部件建模时的模块化分割造成的，建模时尽可能以状态量作为输出，可有效地避免代数环的形成。3）理顺变量递推关系，尽量将隐式代数方程转化为显式代数方程。8.2整车控制器开发

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郑殿宇二、仿真模型建立（2）控制器模型整车控制器的功能包括数据交换、安全管理、驾驶员意图解释和能量分配四个方面1）工作模式转换和安全管理除了能量分配算法之外，控制器仿真模型还必须包括汽车启动时的系统初始化、紧急处理的模式。这对整车安全和正常行驶起至关重要的作用。整车控制器根据系统自检的情况，判断车辆的工作模式。电动汽车工作模式切换示意图如图8-4所示。电动汽车工作模式切换示意图要保证汽车能够安全行驶，控制器还要能对汽车可能出现的各种故障进行分析处理。当出现故障时，执行层将数据传送到控制器，控制器通过对这些数据进行分析判断，检测出故障，通过执行层对故障作出相应的处理，在保证车辆足够安全的性的条件下，给出部件可供使用的工作范围，以便尽可能的满足驾驶员的驾驶意图。8.2整车控制器开发

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郑殿宇二、仿真模型建立（2）控制器模型2）驾驶员意图解释驾驶员意图解释功能主要是根据驾驶员的操作信息也就是加速踏板和制动踏板信号，计算出出电机转矩命令。在此，主要依据电机转速和加速踏板信号和与之相应的驾驶员意图曲线查表所得。电机工作特性曲线由图可知，电机的工作特性主要分为三个区域：低转速区是恒转矩工作，在中高转速区是恒功率工作；而在电机最高转速区，由于电机弱磁原因，随着转速的升高，功率有所降低。参考电机工作特性曲线，制定了电动汽车上所用的驾驶员转矩命令，当转速不变时，加速踏板踩得越深，输出转矩越大，而当加速踏板位置不变时，转速越大，输出转矩越小。这也符合城市客车行驶驱动转矩的需求特性，在低转速加速行或者爬坡的时候转矩需求大，在高速匀速行驶时转矩需求小。3）能量分配即控制器在多个能量源之间进行需求功率分配，目的是提高电动汽车的燃油经济性8.2整车控制器开发

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郑殿宇三、快速控制器原型（1）快速控制器原型在控制系统的研发过程中，通常先进行仿真研究，目的在于研究技术的可行性，缩短产品的研发周期，降低研发费用。仿真工具（如MATLAB、SABER等）自应用以来，对控制系统的研发提供了极大的帮助。然而，在传统的研发流程中，大部分是采用纯数学仿真，这种仿真结果的置信度有限。近年来，有部分实物参与的具有较高置信度的半实物仿真系统得到了广泛的应用与发展。如果将实际控制器的仿真称为虚拟控制器，实际对象的仿真称为虚拟对象，可得到控制系统仿真的3种形式：1）虚拟控制器+虚拟对象=动态仿真系统，是纯粹的系统仿真；2）虚拟控制器+实际对象=快速控制原型（RCP）仿真系统，是系统的一种半实物仿真；3）实际控制器+虚拟对象=硬件在回路（HIL）仿真系统，是系统的另一种半实物仿真。8.2整车控制器开发

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郑殿宇三、快速控制器原型（1）快速控制器原型快速控制器原型过程快速控制原型（RapidControlPrototype，简称RCP）仿真处于控制系统开发的第二阶段，远在产品开发之前，使设计者新的控制思路（方法）能在实时硬件上方便而快捷地进行测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复进行，最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的控制原型。快速控制原型技术是近几年发展成熟的一种仿真技术。快速控制器原型运用dSPASE提供的硬件和软件工具将离线仿真得到的控制算法下载到dSPASE的硬件中，和被控对象联调可以进一步优化控制算法并且为硬件设计提供参考，其过程如图8-6所示。8.2整车控制器开发

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郑殿宇三、快速控制器原型（2）测试工具dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE硬件系统中的处理器具有高速的计算能力，并配备了丰富的I/O支持，用户可以根据需要进行组合；软件环境功能强大且使用方便，包括实现代码自动生成/下载和试验/调试的整套工具。dSPACE实时系统充当控制算法和逻辑代码的硬件运行环境，通过I/O板与控制对象连接进行研究和实验，验证控制方案的可行性，大大简化了开发过程，提高了开发效率。dSPACESimulator硬件结构示意图如图8-7所示。dSPACESimulator硬件结构8.2整车控制器开发

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郑殿宇三、快速控制器原型（2）测试工具PC主机装有Windows操作系统、Matlab/Simulink、RTW、dSPACE的ControlDesk及RTI；利用Matlab/Simulink建立电机的快速控制原型，完成控制算法的设计；RTI与RTW协作自动将快速控制原型转化为可执行的c代码，经过编译并下载到dSPACE实时处理器DS1005中运行；利用dSPACE的ControlDesk软件，实现对实时硬件的图形化管理、用户虚拟仪表的轻松建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理以及实验过程自动化。dSPACE硬件系统中处理器板DS1005或DS1006负责控制算法的实时计算，通过内部的PHS总线和I/O板DS2211连接，I/O板DS2211接受来自实物电机的电压电流信号，并发出PWM脉冲信号去控制逆变器。dSPACE实时系统拥有实时性强、可靠性高等优点，但这种专用系统必须采用其专用板卡，价格昂贵并且维护性差。8.1整车控制系统及其功能分析8.2整车控制器开发8.3整车通信系统8.4本章小结主要内容8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11519）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用其特点包括以下方面：（1）CAN采用多主工作方式，网络上任一节点都可以在任何时刻主动向网络请求发送报文，不分主从。另外，节点还可通过远程请求方式，要求某些节点发送相关报文。（2）采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送报文时，按照显位，覆盖隐位的原则决定报文优先级，优先级低的节点自动退出发送，而优先级最高的节点可不受影响继续发送。（3）通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点甚至全局广播的通信，不必专门“调度”。当报文发送到网络上后，网络上所有节点通过报文滤波，均可选择接收或是拒绝。（4）采用短帧结构，减小传输时间，从而降低传输过程中受干扰的概率。差分方式的数据传输，具有较强的抗干扰能力。另外，CRC校验及其他检错措施，减小网络中的漏检率。（5）节点在错误严重的情况下具有自动关闭的功能，减小错误节点对总线上其他节点的影响。（6）节点数取决于总线驱动电路，最大可达110个，报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符凡乎不受限制。（7）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或者光纤，选择灵活。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用CAN总线系统包括控制单元、控制器、收发器和终端电阻，如图8-8所示。CAN总线系统（1）控制单元控制单元是CAN总线主要的计算器，它将控制器传递来的信息进行运算，将运算数据传输给控制器。同时，控制单元还具有故障记忆功能。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用图8-9控制单元内部结构（2）控制器控制器是CAN总线通信的控制单元，主要作用是接收来自传感器的信号，形成要发送的指令，或将总线通过接收器传递信号进行转换传递给控制单元CPU，再将控制单元传来的信号形成发送指令通过发送器传递至总线。或直接驱动执行单元。总线控制系统内部结构如图8-9所示。控制单元接收到的传感器值（如车速）会被定期查询并按顺序存入存储器，这个过程在原理上就相当于一个带有旋转式输入开关的选择器。CPU对存储器内的传感器数据进行运算处理，然后存入输出存储器，执行控制功能。由于控制单元通过CAN控制器实现了网络传输，因此，CAN总线既是电控单元的输入信息来源，也是控制单元的信息的输出对象。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用

图8-10收发器与TX线耦合图8-11总线开关状态示意图CAN收发器由CAN发送器和接收器组成，其作用是将CAN控制器提供的数据转换成CAN总线信号发送出去。同时，它也接收总线数据，并将数据传送到CAN控制器。其中发送器把数据传输总线构件连续的比特流（逻辑电平）转换成电压值（线路传输电平），这个电压值适合铜导线上的数据传输。接收器则把电压信号转换成接收的比特流，这种比特流适合CPU处理。收发器通过TX线（发送导线）或RX线（接收导线）与数据传输总线构件相连（如图8-10所示）。RX线通过一个放大器直接与数据传输总线相连，始终监控总线信号。发送器的特点是TX线与总线耦合，如图8-11所示。这个耦合过程是通过一个断路式集流电路来实现的。因此，总线导线上就会出现两种状态：状态1：截止状态，晶体管截止（开关未闭合）无源：总线电平=1，电阻高状态0：接通状态，晶体管导通（开关闭合）有源：总线电平=0，电阻低8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用假设有三个控制器收发耦合在同一根总线导线上，开关断开表示1（无源），开关闭合表示0（有源），如果开关Sc闭合；开关Sa、Sb断开，则收发器C有源，收发器A和B无源，如图8-12所示。工作过程如下：图8-12在一条总线上耦合的三个收发器1）如果某一开关已闭合电阻就有电流通过，于是总线导线上的电压就为0V，总线状态为0。2）如果所有开关均未闭合，那么就没有电流流过，电阻上就没有压降，于是总线导线上的电压就为5V，总线状态为1。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用按照图8-12的连接方式，三个控制器连接在CAN总线上的工作状态如表8-1所示。控制器A控制器B控制器C总线状态1111（5V）1100（0V）1010（0V）1000（0V）0110（0V）0100（0V）0010（0V）0000（0V）表8-1控制器和总线状态对应表（4）终端电阻整个CAN总线系统共有两个终端电阻，分别安装在系统的两个控制单元内，其作用是阻止CAN总线信号产生变化电压的反射。若终端电阻出现故障，则会因为线路的反射影响，导致控制单元的信号无效。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用（1）数据传输形式目前，在汽车上应用的总线数据传输可以采用单线形式，也可以采用双线形式。原则上数据传输总线用一条导线就可以满足功能要求了，使用第二条导线传输信号只不过是与第一条导线上的传输信号形成镜像关系，这样就可以有效地抑制外部干扰。电控单元之间的所有信息都是通过两根数据总线CAN-Low和CAN-High来传输的。即使电控单元之间进行大量的信息交换，CAN总线也能完全胜任，如果需要增加额外信息，只需修改软件即可。（2）数据传输原理CAN总线中的数据传递就像一个电话会议。一个电话用户（电控单元）将数据“讲入”总线中，其他用户通过总线“接听”这个数据，对这个数据感兴趣的用户就会利用数据，而其他用户则会选择忽略。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用（3）CAN总线传递数据的格式CAN总线传递的数据由多位构成。在数据中，位数的多少由数据域的大小决定。CAN总线在极短时间内在各控制单元间传递数据，可将其分为开始域、状态域、检查域、数据域、安全域、确认域和结束域7个部分该数据构成形式在两条数据传输线上是一样的。开始域标志着数据列的开始，由1位构成。带有大约5V电压（由系统决定）的1位被送人高位CAN线；带有大约0Ⅴ电压的1位被送人低位CAN线。状态域判断数据中的优先权，由11位构成。如果两个控制单元都要发送各自的数据，那么，具有较高优先权的控制单元先发送。检查域用于显示在数据域中所包含的信息项目数，由6位构成。在本部分，允许任何接收器检查是否已经接收到所传递过来的所有信息。数据域传给其他电控单元的信息，最大由64位构成。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用安全域检测传递数据中的错误，由16位构成。确认域确认域由2位构成。在此，CAN接收器立即通知CAN发送器，确认CAN接收器已经收到传输数据。若检查到错误，CAN接收器立即通知CAN发送器，CAN发送器将再重新发送一遍数据。结束域由7位构成，标志数据列的结束。此部分是显示错误并重复发送数据的最后一次机会。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用（4）传递的信息用于交换的数据称为信息，每个控制单元均可发送和接收信息。信息是以二进制（0和1）来表示，其中包含着要传递的物理量，例如，发动机转速为1800r/min可表示为00010101，如图8-13所示。图8-13

二进制数据流在发送过程中，二进制值先被转换成连续的比特流，该比特流通过TX线（发送线）到收发器（放大器），收发器将比特流转化成相应的电压值，最后这些电压值按时间顺序依次被传送到数据传输总线的导线上。在接收过程中，这些电压值经收发器又转化成比特流，再经TX线（接收线）传至控制单元，控制单元将这些二进制连续值转换成信息。例如，00010101这个值又被转换成1800r/min。8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用图8-14数据传递与广播原理一样图8-15

控制单元内部的信息交换8.3整车通信系统

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郑殿宇一、CAN总线及其应用图8-16电动客车整车CAN总线系统8.3整车通信系统

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郑殿宇二、TTCAN协议及通信实时性分析TTCAN和标准CAN采用了相同的数据锥路层和物理层，其通信延迟时间都可以划分为四个部分生成延迟、队列延迟、传输延迟和接收延迟，如图8-17所示。图8-17

CAN和TTCAN的通信延迟构成按照现在微处理器的速度，生成延迟和接收延迟可以忽略不计，因而延迟时间（Rm）用队列延迟（tm）加传输延迟（Cm）来表示：

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郑殿宇二、TTCAN协议及通信实时性分析（1）CAN消息帧队列延迟的数学期望（2）TTCAN消息帧队列延迟的数学期望8.3整车通信系统

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郑殿宇二、TTCAN协议及通信实时性分析某试验得到的延迟时间如图8-18所示，试验结果整理得到表8-2和表8-3图8-1830%网络负载下的延迟时间CANTTCAN网络负载数学期望/ms最大值/ms尖峰值网络负载数学期望/ms最大值/ms尖峰值10%0.6141.143710%0.5930.606020%0.6261.1651620%0.5900.604030%0.6351.1512530%0.5950.6130表8-2周期型消息延迟时间试验结果CANTTCAN网络负载数学期望/ms最大值/ms尖峰值网络负载数学期望/ms最大值/ms尖峰值10%0.6231.9501510%0.8232.2642420%0.7002.7212520%0.8772.4194430%0.8033.7793130%1.0513.24153表8-3事件型消息延迟时间试验结果8.3整车通信系统

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郑殿宇三、FlexRay总线及其应用为了满足未来的车内通信需要，各大汽车及半导体公司联合成立了F