车载FlexRay主干网的构建与性能分析

论文摘要

FlexRay是下一代车载网络发展的方向。它的研究对于构建高速车载网络、进行线控单元的设计和开发以及相关控制器的设计都有非常重要的意义。FlexRay协议目前已经更新到2.1版本,拥有众多的汽车制造商和零部件供应商的支持,且在BMW公司的X5系列车上得到了成功应用。本文在当前成熟的FlexRay开发方案的基础之上,采用Freescale公司的MC9S12XF512芯片和NXP公司的总线收发芯片构建了FlexRay主干网络。同时对FlexRay网络的动态段的延迟特性和静态段的调度算法进行了有效的分析,为网络设计提供了有力的理论依据。为使本文的结构清晰,便于分析和讨论,本文第二章阐述了FlexRay的基本特性。对FlexRay的协议操作控制(帧格式、媒体访问控制、时钟同步等)进行了详细的介绍,分析了常见的网络拓扑结构及其特性,为后面的网络性能分析做了必要的知识准备。本文第三章给出了FlexRay主干网的设计方法。主信息处理单元采用Freescale公司的MC9S12XF512芯片,FlexRay收发单元采用TJA1080总线收发器。考虑到和其它车载网络如CAN、LIN网络的兼容,文章同时给出了CAN、LIN网络节点的设计方法。对于上述网络的硬件设计和软件构架,文中也给出了详细的说明,最后通过实验数据证明了此设计方法的可行性。延迟特性是网络性能的一个重要指标,如何能够对网络延迟进行有效的预估同时对造成延迟的因素进行有效的分析是网络设计中亟待解决的问题。本文在分析FlexRay节点传输特性的基础之上,基于传输协议的基本内容,提取了造成网络延迟的主要因素。在分析和比较延迟因素对于系统性能影响之后,为了工程计算的方便,对延迟模型进行了简化。在此基础上,给出了延迟预估的目标函数和相应的约束条件,将延迟预估转化为整数线性规划问题。在设定网络参数之后,比较预估值和实际值之间的关系,证明了预估方法的正确性。文章同时分析了延迟数据的统计特性(数学期望和均方差),得出网络延迟和通信周期有较大关系的结论。调度设计对于FlexRay静态段有着非常重要的意义,它直接影响了系统的带宽。本文在分析调度基本内容之后,将调度问题提炼为系统矩阵的构建,同时对系统矩阵进行了有效地的优化,通过和性能指标的比较,证明了此优化方法有较高的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 FlexRay简介
• 1.2.2 FlexRay研究现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容及组织结构
• 第2章 FlexRay基本特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 协议操作控制
• 2.2.1 帧格式
• 2.2.2 编码和解码
• 2.2.3 媒体访问控制
• 2.2.4 时钟同步
• 2.3 唤醒和启动
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 唤醒和启动的流程
• 2.4 网络拓扑结构
• 2.4.1 总线型拓扑结构
• 2.4.2 星型拓扑结构
• 2.4.3 混合型拓扑结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 FlexRay主干网节点的设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 FlexRay节点的设计与实现
• 3.2.1 硬件构成
• 3.2.2 硬件电路设计
• 3.2.3 软件设计
• 3.3 子网络节点的设计与实现
• 3.3.1 子网络简介
• 3.3.2 硬件设计
• 3.3.3 软件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 FlexRay网络时滞特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 FlexRay通信传输特性
• 4.2.1 系统节点模型
• 4.2.2 传输特性描述
• 4.2.3 应用模型
• 4.3 网络延迟预估
• 4.3.1 ILP（Integer Linear Programming）简介
• 4.3.2 延迟模型的提取
• 4.3.3 仿真和实验验证
• 4.4 网络延迟统计特性分析
• 4.4.1 统计基本概念
• 4.4.2 延迟特性分析
• 4.4.3 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 FlexRay调度算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 对象基本特性
• 5.2.1 基本概念
• 5.2.2 任务信息分类
• 5.2.3 可行性分析
• 5.3 调度算法研究
• 5.3.1 调度对象参数及性能分析
• 5.3.2 系统矩阵的构建
• 5.3.3 系统矩阵的优化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢