车用CAN网络实时性与可靠性研究

论文摘要

随着汽车电子的发展,各部件之间通信量的增大,对汽车现场总线的实时性和可靠性方面提出了更高的要求。CAN总线在设计之初具有良好的实时性和可靠性,使其在汽车电子系统中得到广泛的应用。但随着网络总线负载的增加,CAN协议静态优先级分配策略和仲裁机制会导致网络节点传输延迟增大,系统实时性和可靠性下降。车用CAN网络实时性方面,本文结合车用CAN网络特点,在数据链路层分析了网络负载对CAN网络实时性的影响；借助控制网络的相关理论和评价指标研究车用CAN网络的实时性问题,通过建立数学模型推导出CAN网络传输数据帧的平均等待时间与网络负载率的函数关系,得出结论当网络负载率大于0.9时,CAN总线上数据帧的平均等待时间接近无穷大。车用CAN网络的可靠性方面,引入可靠度函数比较了总线形、环形和冗余环形三种总线拓扑结构的可靠度。其中冗余形总线拓扑结构的可靠度最高。为了提高车用CAN网络的实时性与可靠性,本文提出了针对车用CAN网络的优化设计方案。优化设计方案分为两个方面,一是将车用CAN网络上周期性数据节点组成一个高速CAN网络,将事件型数据节点组成低速CAN网络。这样可以有效降低总线负载,提高总线数据传输的实时性,并且采用控制器级别的冗余设计来提高整个网络的可靠性。二是在高速CAN网络上采用时分复用TTCAN协议,消除仲裁机制对系统实时性的影响。低速CAN网络上采用动态优先级管理机制。最后选用TI公司的TMS320LF2407A芯片和MICROCHIP公司的MCP2515芯片,研究了TTCAN协议的实现方法,完成TTCAN协议节点的设计,并对比不同网络负载环境下传统CAN总线与本文中所提出的优化设计方案在实时性和可靠性方面的差别。通过分析实验数据发现,在网络负载率大于0.6时,TTCAN协议总线的延时远小于传统CAN总线的传输延时。在相同网络误码率下,冗余总线的可靠运行时间比非冗余总线的可靠运行时间增加了近一倍。通过在DSP芯片上实现本文中所提出的方案,说明方案在技术上的可行性。通过实验验证本文所提方案在大网络负载条件下,实时性和可靠性方面性能优于传统CAN总线,基本达到预期效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的意义与现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 车用CAN网络体系结构
• 2.1 车用CAN总线分析
• 2.1.1 汽车网络的分类
• 2.1.2 汽车CAN总线特性
• 2.2 车用网络拓扑结构分析
• 2.3 汽车网络节点分析
• 第3章 车用CAN网络实时性研究
• 3.1 控制网络实时性的概念与评价指标
• 3.2 CAN协议数据链路层实时性分析
• 3.3 CAN网络拓扑的实时性分析
• 3.3.1 CAN总线的网络模型与参数
• 3.3.2 求解平衡状态下单个数据帧的平均等待时间
• 3.4 提高车用CAN网络实时性优化设计
• 3.4.1 采用高低速CAN和LIN总线相结合的网络结构
• 3.4.2 调度算法的设计与优化
• 第4章 车用CAN网络可靠性研究
• 4.1 可靠性的定义及其评价尺度
• 4.2 三种网络拓扑结构的可靠性分析
• 4.3 提高车用CAN网络可靠性优化设计
• 第5章 TTCAN节点控制器硬软件设计
• 5.1 TTCAN总线控制器硬件设计
• 5.1.1 TTCAN控制器设计原则
• 5.1.2 微处理器的选择
• 5.1.3 控制器节点设计
• 5.2 TTCAN总线控制器软件设计
• 5.2.1 软件设计特点
• 5.2.2 软件主体设计
• 5.2.3 软件主要功能模块
• 5.3 硬软件抗干扰措施
• 5.3.1 硬件抗干扰设计
• 5.3.2 软件抗干扰设计
• 第6章 实验数据分析
• 6.1 实时性实验数据
• 6.2 可靠性实验数据
• 第7章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文