CAN协议车载网络若干关键理论研究

论文摘要

安全、节能、环保以及汽车智能化的需求推动了汽车电子技术飞速发展,网络化成为近年来汽车电子领域最为重要的发展趋势。车载网络是基于分布式控制理念采用数字化网络作为汽车电子系统互连的手段,实现汽车控制系统的高效集成、实时协作以及可靠的综合性能监控,是汽车电子系统网络化设计的平台、汽车智能化的关键。控制器局域网络CAN协议是最先被国际ISO组织标准化的车载网络协议,是汽车电子系统互连最为有效的手段之一。因此深入研究CAN协议车载网络的关键理论及其应用对于汽车进一步电子化、网络化、智能化具有十分重要的技术意义和经济意义。CAN总线已经成为当今最成功的车载网络标准,被广泛应用于现代汽车控制中,但由于汽车应用环境的复杂性,CAN协议车载网络的安全（容错）性、实时性、可靠性以及带宽资源利用能力至今仍未能满足实际要求与发展需要。因此,除解决汽车强电磁干扰问题和网络本身电气故障外,如何提高网络的高效集成、如何针对不同应用设计网络调度算法提高网络实时性与灵活性、如何分析网络性能以保证网络可调度性与可靠性、如何提高带宽资源利用率,以及如何实现网络分析方法的可视化等问题都是CAN协议车载网络有待深入研究和解决的关键理论问题。本文开展了CAN协议车载网络若干关键理论及其应用的研究,取得了一下成果：1.车载网络系统的开发是一个分布式系统工程问题,涉及到节点开发、系统集成,信息交换、时间同步、功能协作和成本等多方面的因素,而且这些因素之间互相影响和制约。本文在分析现场总线集成理论基础上,提出了基于CAN协议的多层次车载网络集成策略,并在文献所提的总线级系统开发流程基础上,进一步提出了CAN协议车载网络级系统V字型系统工程开发方法,完善了整车网络级系统的系统集成策略。2.面对汽车车身电子系统网络要求高扩展灵活性,高带宽资源利用效率和软实时特性,对比研究了单信号帧装载与组合信号帧装载RM调度算法方案,并针对经典RMA分析指标不具备评价网络扩展灵活性指标问题,提出扩展灵活性因子,理论分析和仿真实验证明了组合信号帧装载RM调度可扩展灵活性、带宽资源可利用裕度、信息实时性均优于单信号帧装载方案。3.面对汽车动力传动系统网络要求严格实时协同、闭环时间触发以及高速容错特性,针对经典CAN方案不具备时间触发功能导致的信息协同能力差、传输不具有确定性、容错性差等问题,研究了时间触发的CAN （TTCAN）方案,并针对TTCAN系统矩阵构建多维复杂性问题,提出基于调度表的AL调度算法；进一步针对闭环时间触发应用,提出周期最糟糕抖动评价指标,经对比验证了所提方案在周期性信息传输确定性、实时性、容错性以及带宽资源利用方面优于经典CAN方案。4.在3、4研究工作基础上,面对汽车整车网络不同应用,分别研究了单一TTCAN网络方案和CAN-TTCAN双网组网方案,针对前者提出混合调度算法及相应分析理论,针对后者提出分网调度策略,并导出了相应性能分析方案,理论分析结果表明单一TTCAN网络调度能力强,资源利用率高,集成度好；双网方案结构信息间冲突机率小、成本较低。5.针对经典CAN协议扩展灵活性好、传输确定性差,TTCAN传输确定性强、灵活性差此类不平衡问题,为结合两方案优点,本文深入研究了柔性时间触发CAN（FTTCAN）协议原理,引入动态规划概念,设计了基于规划的调度策略,通过理论分析和实验验证了该方案在保证信息传输实时性能的前提下,具有扩展灵活性和确定性兼顾的平衡性、综合性特点。6.针对调度算法及性能分析理论过于复杂、难以应用问题,本文采用了可视化技术,针对经典RMA递推复杂性问题,推导出等效单步递推关系式,采用Matlab设计了可视化分析软件。汽车信息综合监控系统由于集成了多种信息的采集、处理和传送,传统的分立系统很难实现。针对此情况,本文设计了基于CAN网络互联的分布式结构,并采用上诉可视化分析软件分析了基于DM算法的网络性能,并依据上诉所提V字型开发策略,设计了实验测试系统,通过仿真和实际实验系统运行验证了该方案的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 汽车电子系统
• 1.1.2 汽车网络系统
• 1.1.3 汽车CAN总线系统
• 1.2 本论文研究的工作与主要内容
• 第2章 基于CAN协议的汽车网络
• 2.1 汽车网络及其分类
• 2.2 CAN协议原理与特点
• 2.2.1 典型的CAN总线拓扑结构
• 2.2.2 CAN总线的网络分层结构
• 2.2.3 CAN的性能特点
• 2.2.4 CAN的帧结构
• 2.2.5 CAN总线的通信机制与位填充
• 2.2.6 CAN的错误检测与错误管理
• 2.3 基于CAN协议的汽车网络系统结构
• 2.4 基于CAN协议的汽车网络系统结构集成与开发任务
• 2.4.1 基于CAN协议的汽车网络系统集成
• 2.4.2 基于CAN协议的汽车网络开发任务
• 2.5 基于CAN协议的汽车网络开发流程
• 2.6 基于CAN协议的汽车网络开发集成环境CANoe
• 2.6.1 项目管理主功能窗口
• 2.6.2 各具体功能窗口
• 2.6.3 CANoe编辑器
• 2.7 小结
• 第3章 汽车车身CAN总线系统设计与分析
• 3.1 汽车车身电子系统
• 3.2 低速CAN协议
• 3.3 RM算法原理及其可调度分析
• 3.3.1 总线利用率
• 3.3.2 信息帧的最长延迟时间
• 3.3.3 总线扩展灵活性因子
• 3.4 基于RM方法的车身CAN网络设计
• 3.5 车身CAN总线性能分析与仿真
• 3.5.1 总线利用率分析与在线试验结果
• 3.5.2 信息最大延迟时间分析
• 3.5.3 方案扩展灵活性因子计算
• 3.6 结论
• 第4章 汽车动力控制TTCAN总线设计与分析
• 4.1 汽车动力系统消息网络模型
• 4.2 TTCAN协议
• 4.2.1 TTCAN的ISO模型
• 4.2.2 TTCAN时间触发机制的原理与特点
• 4.3 TTCAN总线网络的设计方法
• 4.4 汽车动力控制总线系统的信息调度设计
• 4.4.1 基于CAN的汽车控制总线系统信息调度设计
• 4.4.2 基于TTCAN的汽车控制信息调度设计
• 4.5 汽车动力总线性能分析与仿真
• 4.5.1 汽车动力总线性能分析原理
• 4.5.2 汽车动力总线的性能分析结果
• 4.6 结论
• 第5章 基于CAN协议的汽车整车网络系统设计与分析
• 5.1 汽车整车电子控制系统及消息
• 5.2 基于CAN协议的汽车整车网络的方案
• 5.3 基于单一TTCAN的汽车网络设计与分析
• 5.3.1 基于单一TTCAN的汽车网络拓扑结构
• 5.3.2 基于单一TTCAN的汽车网络调度设计
• 5.3.3 汽车控制系统的网络实时性分析
• 5.4 汽车CAN-TTCAN双网系统网络设计与分析
• 5.4.1 汽车CAN-TTCAN网络拓扑结构
• 5.4.2 汽车双网络调度策略
• 5.4.3 汽车控制系统的网络实时性分析
• 5.5 结论
• 第6章 汽车FTTCAN网络系统动态规划设计与分析研究
• 6.1 FTTCAN协议原理与特点
• 6.1.1 FTTCAN协议原理
• 6.1.2 实时性分析
• 6.1.3 网络带宽利用率
• 6.2 汽车动力控制系统网络消息模型
• 6.3 基于动态规划的汽车FTTCAN总线设计
• 6.4 汽车FTTCAN总线性能分析与仿真
• 6.4.1 FTTCAN网络实时性分析
• 6.4.2 仿真运行与台架实验
• 6.5 小结
• 第7章 基于CAN的可视化与汽车动态信息综合监控实验系统实现
• 7.1 汽车CAN总线实时分析原理
• 7.1.1 总线负载
• 7.1.2 信息帧最坏传输时间特性
• 7.2 汽车CAN总线可视化设计方法实现
• 7.2.1 计算算法规划
• 7.2.2 软件的具体实现
• 7.3 软件的应用与分析
• 7.3.1 汽车CAN总线信息系统
• 7.3.2 CAN总线信息通信实时性分析
• 7.4 基于CAN协议的汽车动态信息综合监控实验系统
• 7.4.1 汽车综合监控系统的功能与构成
• 7.4.2 基于CAN的汽车综合监控系统开发步骤
• 7.4.3 基于CANoe的汽车综合监控CAN系统仿真
• 7.4.4 CAN总线系统性能分析
• 7.4.5 CAN节点模块设计与实现
• 7.4.6 汽车监控系统CAN总线实验系统集成及测试
• 7.5 小结
• 第8章 总结
• 8.1 主要结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介