基于TTCAN的汽车局域网模型研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.43MB 60 页 15积分

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摘要

随着汽车工业技术的不断发展，汽车中的电子系统的数量与复杂程度以指数

级递增，汽车电子化已经成为现代汽车发展的重要标志。汽车电子化程度的提高

直接导致了汽车内电子网络的革新，当前，多种汽车局部网标准已经建立。不断

增长的车内网络系统的复杂度带来了系统开发难度的提高。随着市场竞争的日益

激烈,提高产品质量,减少开发成本,缩短开发周期是每个大厂商追求的目标,在汽车

领域尤为如此。因而，基于软件仿真模型的开发方法正被汽车工业和研究领域所

引用以解决这一矛盾。

模型是一个对所开发的车内网络系统、所控制的物理系统以及操作环境的一

个行为上的描述，而计算机软件仿真模型则是通过计算机语言使网络系统模型能

为计算机所接受并能在计算机上运行。基于模型的开发方法对汽车内网络系统各

个交互的组件的逻辑功能的管理提供了方法上的支持；并且良好的模型也支持对

组件行为的分析和验证。

TTCAN 作为建立在时间触发机制基础上的标准 CAN 协议的高层协议，已经

成为非常适合应用于汽车局部网络的通信协议。本文详细描述了 TTCAN 协议的软

件仿真模型的实现过程。对网络中各节点之间数据的发送、接收以及时间触发机

制进行了软件模拟；同时分析了 TTCAN 网络总线中传输抖动的产生原因；并且介

绍了引入遗传算法对 TTCAN 网络中的时间调度表进行优化的过程。

在以后的研究和工作中，我们希望进一步开发出基于此模型的完整的汽车局

部网络系统，并且可以把此软件系统与硬件相结合，使其成为一个真正的汽车局

部网络开发集成环境，可以直接通过软件生成相应硬件的代码，从而使开发人员

从硬件的编码工作中解放出来，更多地关注于网络开发的功能而不是编码工作。

关键词：汽车局域网 TTCAN 遗传算法时间调度系统矩阵，仿真

模型

ABSTRACT

With the development of science and technology ，we have witnessed an

exponential increase in the number and sophistication of electronic systems in vehicles.

The fast growing of In-vehicle electronic systems has been an important millstone of

modern automobile development. The resulting demands have directly led to

innovations in electronic networks for automobiles. Now, some standard specifications

of networks for automobiles have been presented. The increasing complexity of

In-vehicle networks brings the issues in system development. Facing a market filling

more and more competition, all manufactures are tying their best to improve the quality

of production, reduce the cost of research and short the duration of development,

especially in the field of automobile. Then a model-based approach of development has

been introduced in automobile and research industry to solve the problem.

A model is the description of activities within In-vehicle network system, the

physical system it controlled and the operating environment, while the software

simulation model make it possible that the network model is able to be accepted by

computer and run in it through computer programming language. In this context model

based approaches provide methodical support to manage the integration of logical

functions as interactive compounds within In-vehicle networks of electronic control

units. In addition well-founded models are the source for analysis, validation, and

verification activities.

TTCAN is a higher-layer protocol above the which is build on Time-Triggered

mechanism and has been presented as a suitable real-time communication protocol for

use within automobile electronic systems that permits the successful operation of safety

critical applications. This paper details the implementation of a system that simulates

the TTCAN Protocol created from the TTCAN specification. The system that was built

demonstrates the transmissions and receives of message among all nodes within

TTCAN network and the Time-Triggered mechanism. The source of Jitter in TTCAN

network is analyzed. In this paper, we also present the procedure of optimizing TTCAN

scheduling table with genetic algorithm.

In the future work, we expect, based on this TTCAN simulation model system, to

complete the In-vehicle network system, and this software can be combined with

hardware to be a fully integrated development environment for automobile network

system. Thus the system can directly create hard code with software source code and

make developer more focus on functionality rather than coding.

Keywords: Controller Area Network, TTCAN, Genetic Algorithm, Time

Scheduling, System Matrix, Simulation Model

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................. 1

§1.1 汽车电子化的国内外发展现状 ............................ 1

§1.2 课题背景 .............................................. 2

§1.3 问题的提出 ............................................ 3

第二章 CAN 与 TTCAN 总线概述 ......................................5

§2.1 汽车局部网协议种类 .................................... 5

§2.2 基于 CAN 的应用层协议 ..................................6

§2.3 CAN 协议 .............................................. 8

§2.3.1 CAN 协议特点[10] ...................................8

§2.3.2 CAN 数据交换原理[10,11] ............................. 8

§2.3.3 CAN 实时数据传送[10,11] ............................. 9

§2.3.4 CAN 消息的报文格式（Frame format） ...............9

§2.3.5 CAN 信号检测和信号错误 ..........................10

§2.4 TTCAN 协议 ........................................... 11

§2.4.1 TTCAN 协议特点 ..................................11

§2.4.2 TTCAN 时间主控节点的容错机制[18] ..................14

第三章 TTCAN 时间调度矩阵优化算法 ...............................16

§3.1 遗传算法 ............................................. 16

§3.1.1 遗传算法的结构 ................................. 16

§3.1.2 遗传算法的基本原理 ..............................17

§3.1.3 遗传算法的性能 ................................. 18

§3.2 TTCAN 网络的时间触发机制 ............................. 19

§3.3 TTCAN 网络中延迟和抖动的产生 ......................... 20

§3.4 TTCAN 网络时间调度系统矩阵 ........................... 21

§3.5 系统矩阵(SM)的构造过程 ...............................22

§3.6 系统矩阵优化过程 .....................................24

§3.7 应用实例 .............................................25

每四章 TTCAN 协议的软件仿真 .....................................27

§4.1 目的和要求 ........................................... 27

§4.2 方法、工具和技术 ..................................... 28

§4.2.1 面向对象的开发方法 ............................. 28

§4.2.2 开发工具介绍 ................................... 32

§4.2.3 Java 多线程技术[33] ...............................34

§4.2.4 Java 网络通信技术 SOCKET[35] ...................... 35

§4.3 仿真系统分析和设计 ................................... 36

§4.3.1 仿真软件系统功能 ............................... 36

§4.3.2 仿真软件系统属性 ............................... 36

§4.3.3 TTCAN 模型结构 ..................................37

§4.3.4 仿真系统用例图 ................................. 38

§4.3.5 仿真系概念模型 ................................. 41

§4.3.6 仿真系统顺序图 ................................. 42

§4.3.7 协作图 ..........................................44

§4.4 仿真系统实现 ......................................... 46

§4.4.1 网络总线（NetworkBus） ..........................47

§4.4.2 CAN 处理器 .....................................49

§4.4.3 报文同步实体和触发存储器 ....................... 49

§4.4.4 报文处理器 ......................................50

§4.4.5 模型接口 ........................................51

§4.4.6 外部微处理器 ....................................51

§4.4.7 仿真主程序 ......................................51

§4.4.8 用户接口 ........................................52

§4.4.9 仿真结果 ........................................52

每五章结束语 ................................................ 54

参考文献 ........................................................ 55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 57

致谢 .......................................................... 58

第一章绪论

§1.1 汽车电子化的国内外发展现状

汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。过去的十年中，汽车电子技术已经

逐渐在汽车设计中占据了主导地位。对于不同的车型，电气和电子系统所占的附

加值已经在 20~30%之间，每辆汽车所使用的电子设备按照价格比例来看，欧美汽

车电子设备占整车价格的 15～20%。从世界汽车电子市场的销售来看，1991 年每

辆汽车平均消耗电子产品的费用占整车的 10%，1998 年将接近 15%，2003 年将提

高到 20%，某些车型可能会更高，而且还在呈上升趋势。预估在五、六年之后，

传统的如刹车等机械系统将会由线缆、电子信号取代；在不远的将来，汽车中近

90%的新系统将由电子产品驱动[1]。

目前的趋势是，在汽车上采用的计算机微处理器芯片(CPU)数量越来越多。

1990 年，在汽车上使用的 CPU 的平均数量只有 14 个，而到今年初，在汽车上使

用的 CPU 的平均数量已达 35 个；CPU 的类型已逐渐从 8位机、16 位机发展到 32

位机。

“不会撞车”的豪华轿车已经在欧洲面世，它装上了计算机和雷达系统，使自己

和前面的车辆保持一段安全的距离。驾驶者可以行驶好几公里而无须踩油门或刹

车，因为高速计算机处理芯片控制的巡行控制器会自动调节，当其他汽车突然杀

入其车道时，智能汽车会自动减低车速以保持安全车距。

德国的大众汽车公司正在开发一种新型智慧型汽车，该车可提前通知司机转

弯、加速、减速以及超车等。

在去年年底，Sun 展出的改进后的车载计算机具备了全球定位、远程诊断和使

用E-mail 的功能。Sun 公司的官员称，该公司希望汽车制造商和供应商使用 Java

软件来连接汽车的所有计算机系统,包括刹车、气囊以及仪表板上的各种仪表。

奥迪有的车型已经备有先进的卫星导航系统，奥迪的目标就是要使用户在车

内，无论何时，无论何地，都可以听、说、读、写，随时保持同外界的联络。尽

管电子邮件的收发目前尚不属常规装备，正处在测试阶段，但是它是测试的重头

戏，不久我们就将看到奥迪推出的“网络汽车”。

德国宝马公司日前在业界率先采用了车内 LAN 接口规格“MOST（Media

Oriented Systems Transport）”和“byteflight”。“MOST”和“byteflight”均在数据传输介

质中使用塑料光纤。

据悉，目前已有部分车厂投下巨资与其他行业共同合作，研发一套新一代应

用于汽车上的网路通讯系统。该系统用以整合电子制动、电子转向等“线传控制”

基于 TTCAN 总线的汽车局域网模型研究

系统，让汽车发展成百分之百的由单一电子系统控制的车辆，完全不需要机械系

统的支援。

于2000 年10 月，由德国宝马汽车集团、戴姆勒克莱斯勒汽车集团、美国摩

托罗拉、荷兰飞利浦等公司成立的 FlexRay 协会，后来又有德国 Bosch、美国通用

等公司加入，制定了业界通用电控系统共同的标准，日前美国福特汽车亦宣布正

式加入 FlexRay 协会。

据FlexRay 协会得知，汽车制造商的目标是，让这些产品能在 2004～2006 年

间进行可靠性测试，并推动 FlexRay 网通讯系统进入实用阶段。

§1.2 课题背景

正如上一节所述，在过去的四十年中，汽车中的电子系统的数量与复杂程度

正以指数级递增。分析家认为，在未来的汽车工业革新中，超过 80%的部分来自

于电子部分。到今天，在豪华型汽车中，电子元件的成本已经超过了整车成本的

23%。晶体管、微处理器及二极管等电子元件与半导体器件所占的成本，相比于

1977 年增加了超过 15 倍。

电子系统的发展也给汽车工程带来了很多问题。例如，今天的高端汽车中，

车内的布线长度已经超过了 4千米，而 1955 年只有 45 米。在 1969 年，阿波罗号

只需 150K 的内存就到月球走了个来回，而 39 年后的今天，一个家用轿车就可能

用到 500K 以便能播放 CD[2]。

随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，

特别是微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的变化，汽车的

动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅提升。

汽车电子化程度的提高直接导致了汽车内电子网络的革新。研究人员正致力于开

发安全而高效的电子系统以替代以前的机械及水力的应用。

正如局域网可以把计算机互相连接起来那样，车内局部网可以把汽车内的各

电控单元相互连接起来。这种网络使得车内的分布式应用程序可以共享信息和资

源[3]。在过去，布线是连接各单元的标准途径。然而，随着电子设备的大量应用、

电控内容的增加，导致车内布线愈来愈长且愈复杂，这些越来越多的离散式的布

线逐渐达到了技术上的瓶颈。增加的线路加大了车体重量，减弱了性能并且使汽

车运行可靠性降低、故障维修难度增大。对一辆汽车来讲，每额外增加 50 千克的

连线，就会为每百公里的行程增加 0.2 公升的耗油量；复杂的布线占据了大量的车

内空间，也限制了功能的进一步扩展，造成布线成为车内电子系统中最昂贵、最

复杂的部件；同时，电子控制单元的大量引入，要求大批的数据信息能在不同的

电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，传统布

线方式已远远不能满足这种需求。

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摘要随着汽车工业技术的不断发展，汽车中的电子系统的数量与复杂程度以指数级递增，汽车电子化已经成为现代汽车发展的重要标志。汽车电子化程度的提高直接导致了汽车内电子网络的革新，当前，多种汽车局部网标准已经建立。不断增长的车内网络系统的复杂度带来了系统开发难度的提高。随着市场竞争的日益激烈,提高产品质量,减少开发成本,缩短开发周期是每个大厂商追求的目标,在汽车领域尤为如此。因而，基于软件仿真模型的开发方法正被汽车工业和研究领域所引用以解决这一矛盾。模型是一个对所开发的车内网络系统、所控制的物理系统以及操作环境的一个行为上的描述，而计算机软件仿真模型则是通过计算机语言使网络系统模型能为计算机所接受并能...

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