基于无线冗余的时间触发架构车载总线研究

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3.0 陈辉 2025-01-09 6 4 7.99MB 101 页 15积分
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I
摘 要
近年来，车载电子设备日益增多，车内各个控制单元之间已经从点对点通信
转变为基于总线的网络式通信。总线的引入简化了设备的连接，减少了导线的需
求量，增加了系统的集成度，降低了结构的复杂度，提高了系统的效率。但总线
结构要求信息分时传输，这就带来了延迟、仲裁、调度等问题。传统的车载总线
基于事件触发，灵活性较高，但时间确定性和可靠性得不到保证。稍晚被采用的
时间触发机制能提供确定的网络行为，并具有一定的容错能力，但灵活性差。于
是如何兼具两种机制的优点，成为车载总线面临的新难题。
现有的一些时间触发协议已经尝试了将事件触发调度加入其中。最有代表性
的是时间触发架构。这一架构初步在时间触发中实现了灵活性，但依然存在若干
问题，如状态信息会受事件调度的影响、时钟同步精度不高等，本文针对其不足
进行了一系列的改进。
在调度算法方面，提出一种基于无线冗余的通信架构，即用一条无线信道代
替用于冗余的总线信道，形成每个通信节点拥有一条总线信道和一条无线冗余信
道的通信模型。无线信道在没有随机事件信息时，与总线信道传输相同的状态信
息，实现状态信息的冗余传输。当有随机事件信息时，则立即响应，传输随机事
件信息。总线信道只传状态信息，不会被事件调度打断。状态信息按信息描述表
调度，事件信息按优先级高低存入事件队列进行调度。这种方法大大提高了总线
的稳定性和灵活性，降低了信息传输的抖动。
在时钟同步算法方面，采用了两级时钟同步模式。预同步模式用于消除节点
间的微小时钟偏差，重同步模式用于系统初始化、节点加入和节点间出现同步错
误等情况。重同步算法借鉴网络时钟同步算法，由时钟滤波、选择、合并和修正
等步骤组成。簇内采用时间服务器，实现绝对的时钟同步。
在实验测试阶段，采用无线冗余时间触发架构的通信控制器组成网络，进行
了实时性测试，可靠性测试和应用于线控转向系统的实际应用测试。实验结果表
明，无线冗余时间触发架构拥有实时性好(实时响应在 10－5s数量级)、可靠性高(达
到了 Level 4 标准，见附录 C)、容错机制全面等特点。从测试结果上看，该架构可
满足车载网络中要求最苛刻的控制网的需求。
关键词：车载总线 柔性时间触发 无线冗余 时钟同步算法 线控转向
II
ABSTRACT
In recent years, the number of electronic automobile instrument increases guraduly.
A bus-based network rather than pear-to-pear network is used to connect them. Bus
network can simplify the devices’ connection, reduce the demand of wire, increase the
density of system integration, lower the structural complexity and improve the
efficiency of the system. But the flaw of the bus, which can only allow one controller
sending messages at a time, caused delays, arbitration, scheduling and other issues. The
event-triggered bus was brought forth earlier. It has higher flexibility, but low certainty
and reliability. The time-triggered bus later provides good determination of network
behavior and fault tolerance ability, but poor flexibility. So how to combine the
advantages of the two mechanisms becomes the new problem in automobile bus
network.
Some time-triggered protocols have attempted to add in event schedular. One of
the most representative protocols is the time-triggered architecture, which achieved
primary flexibility. But still some issues are not solved, such as the state messages
transmission is affected by event scheduling; and clock synchronization accuracy is not
high enough. The paper is trying to improve the above two problems.
In respect of scheduling algorithm, the paper provides a wireless redundant channel
to replace the backup bus channel. Then each node will have a bus channel and a
backup wireless communication channel. Wireless communication channel transmits
state messages like the bus channel, as long as there are no event messages. But once
event occurrs, it responds to transmit event messages immediately. Bus channel, which
devotes to state messages transmission, will not be interrupted. State scheduling uses
message descriptor list. Event scheduling uses event queue, which is generated based on
event priority. This approach has greatly enhanced bus’ stability and flexibility, reduced
the transmission jitter.
In respect of synchronization algorithm, the paper adopts two-stage clock
synchronization. Pre-synchronization stage can eliminate little deviation of the clock
between nodes. Re-synchronization stage is used for system clock initialization, new
nodes adding in the cluster and network losting synchronization. Re-synchronization
algorithm refers to the Network Time Protocol (NTP). The algorithms go through
III
filtering, selection, combination, and amendment steps. Besides, each cluster has a
clock server to keep the real time with the outside cluster.
Testing network is made up of several wireless redundancy time-triggered
communication controllers. According to the result of real-time testing, reliability
testing and steer-by-wire system application testing, it shows that the time-triggered
structure with wireless backup channel has a good real-time feature (real-time response
is within the 10-5s magnitude), high dependability (up to the Level 4 standard, see
Appendix C), and high fault-tolerant ability. The structure can meet the demanding of
control network, which has peak trenchant demand in the automobile.
Key Word: Network in the automobile, Flexible time-triggered
scheduling, Wireless backup, Time synchronization
algorithm, Steer-by-wire
IV
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 汽车电子的发展 ..............................................................................................1
§1.2 车载总线及时间触发架构 ..............................................................................2
§1.2.1 车载总线及其发展 ...................................................................................2
§1.2.2 时间触发架构的形成与发展 ...................................................................4
§1.3 课题来源及意义 ..............................................................................................6
§1.4 课题主要研究内容 ..........................................................................................6
§1.5 本章小结 ..........................................................................................................7
第二章 时间触发架构(TTA)理论概述 ........................................................................ 8
§2.1 稀疏时基理论 ..................................................................................................8
§2.2 时间触发方式 ..................................................................................................9
§2.3 一致性 ............................................................................................................10
§2.4 实时性 ............................................................................................................10
§2.4.1 实时实体与实时镜像 .............................................................................10
§2.4.2 实时数据库 .............................................................................................11
§2.5 状态信息与事件信息 ....................................................................................11
§2.6 节点组成及拓扑结构 ....................................................................................13
§2.6.1 节点组成与分层结构 .............................................................................13
§2.6.2 网络拓扑 .................................................................................................14
§2.6.3 通信网络接口 .........................................................................................15
§2.7 容错性能 ........................................................................................................16
§2.8 本章小结 ........................................................................................................16
第三章 无线冗余模型的柔性时间触发调度 .............................................................17
§3.1 嵌入式实时系统的调度算法 ........................................................................17
§3.2 时间触发的柔性调度算法 ............................................................................18
§3.2.1 时间触发中的事件调度 .........................................................................18
§3.2.2 动态时间触发(FTT)调度算法 ...............................................................19
§3.3 无线冗余模型及其柔性时间触发调度 ........................................................21
§3.3.1 无线冗余通信模型 .................................................................................21
V
§3.3.2 无线冗余模型的图论法分析 .................................................................22
§3.3.3 状态信息调度策略 .................................................................................24
§3.3.4 事件信息调度策略 .................................................................................28
§3.4 本章小结 .........................................................................................................30
第四章 无线冗余模型的时钟同步算法研究 .............................................................31
§4.1 时间触发架构的时钟同步 ............................................................................31
§4.1.1 时钟测量存储 .........................................................................................32
§4.1.2 容错中值算法(FTM)..............................................................................32
§4.2 其他网络的时钟同步算法 ............................................................................33
§4.2.1 无线传感网络时钟同步算法 .................................................................33
§4.2.2 网络时钟同步协议(NTP)...................................................................... 34
§4.3 无线冗余模型时钟同步算法 ........................................................................36
§4.3.1 无线冗余模型的时钟管理 .....................................................................38
§4.3.2 时钟同步流程概述 .................................................................................40
§4.3.3 时间戳及时钟测量 .................................................................................41
§4.3.4 时钟预同步算法 .....................................................................................43
§4.3.5 时钟重同步算法 .....................................................................................44
§4.3.6 软件仿真与性能比较 .............................................................................47
§4.4 本章小结 ........................................................................................................51
第五章 通信节点软硬件设计 .....................................................................................52
§5.1 通信控制器硬件设计 ....................................................................................52
§5.1.1 控制芯片及其外围电路 .........................................................................53
§5.1.2 总线收发器电路 .....................................................................................54
§5.1.3 无线收发器电路 .....................................................................................55
§5.1.4 时钟同步电路 .........................................................................................56
§5.1.5 电源及电源管理电路 .............................................................................57
§5.1.6 通信网络接口电路 .................................................................................58
§5.2 通信控制器软件设计 ....................................................................................59
§5.2.1 系统初始化 .............................................................................................59
§5.2.2 主机与通信控制器 CNI 接口程序 ........................................................60
§5.2.3 时间触发调度程序 .................................................................................64
§5.2.4 事件调度程序 .........................................................................................65
§5.2.5 时钟同步算法程序 .................................................................................66
VI
§5.2.6 校验模块及故障处理 .............................................................................68
§5.2.7 编码解码及帧组成 .................................................................................69
§5.3 本章小结 .........................................................................................................70
第六章 实验测试及性能评估 .....................................................................................71
§6.1 实时性评估 ....................................................................................................71
§6.2 可靠性评估 ....................................................................................................74
§6.2.1 可靠性统计参数 .....................................................................................74
§6.2.2 容错 .........................................................................................................76
§6.3 线控转向系统测试 .........................................................................................79
§6.3.1 方向盘及回正力矩控制节点 .................................................................80
§6.3.2 转向轮控制节点 .....................................................................................80
§6.3.3 转动控制节点 .........................................................................................81
§6.3.4 网络监控节点 .........................................................................................81
§6.3.5 线控转向通信实验 .................................................................................81
§6.4 本章小结 ........................................................................................................82
第七章 总结与展望 .....................................................................................................83
参考文献 .........................................................................................................................85
附录 .................................................................................................................................89
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................96
致 谢 .............................................................................................................................97
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
近年来，随着汽车电子技术的发展以及微处理器技术的进步，嵌入式系统在
汽车中得到了广泛应用，越来越多的嵌入式电子设备取代了传统的机械设备。在
汽车内部，一个由电子设备组成的分布式网络逐渐形成了起来。采用何种通信手
段，为这一网络提供快速、可靠、稳定的信息传输，成为汽车电子研究的热点之
一。
§1.1 汽车电子的发展
90 年代后，计算机、通信、微电子、传感器等技术相继融入汽车，使汽车由
传统意义上的机械产品向机电一体化、智能化、网络化、信息化的高新技术产品
的方向发展。市场研究公司 Strategy Analytics 预测，在 2005 年至 2010 年之间，
全球汽车的销售量年复合增长率约为 3.6%，但是同期车用半导体产业营业收入的
年复合增长率却可达到 8.2%。据最新市场报告显示，2008 年车用电子产品市场
销售额预计将达到 1.145 亿美元，至 2013 年市场规模预计将达到 1.737 亿美元。
可见，汽车电子产业已经兴起，并处于快速增长期，拥有巨大的市场潜力。
目前，汽车电子技术的应用主要有以下几个方面。
1. 动力传动电子控制系统：主要包括发动机电子控制(包括汽油机和柴油机)、
自动变速器控制、动力传动的综合电子控制等。控制系统主要由各种传感器、执
行机构和电控单元(ECU)组成。其主要目的是保证汽车在不同的工况下均能处在
最佳运行状态，并能简化驾驶员的有关操作，减轻其劳动强度，降低油耗和废气
排放量，减小动力传动系统的冲击，提高汽车的动力性、经济性和舒适性等。
2. 底盘电子控制系统：包括制动防滑与动态车身控制系统(ABS/ASR、
ESP/VDC)、牵引力控制系统、悬架及车高控制系统、轮胎监测系统(TPMS)、巡
航控制系统(CCS)、转向控制系统(如4WS)、驱动控制系统(如4WD)等。其目的
同样是提高汽车的安全性、舒适性和动力性能。近些年来，这类电控系统开始在
普通轿车上广泛采用。
3. 车身电子控制系统：主要包括安全气囊(SRS)、自动座椅、自动空调控制、
车内噪音控制、中央防盗门锁、视野照明控制、自动刮水器、自动门窗、自动防
撞系统以及满足不同用电设备需求的电源管理系统等。这些电子控制系统主要是
用来增强汽车的安全性、舒适性和方便性的。
4. 多媒体娱乐和通讯系统：主要包括车载多媒体系统、驾驶员信息系统、语
音系统、智能交通系统(ITS)，车辆导航系统(GPS/DGPS 等)、计算机网络系统、
基于无线冗余的时间触发架构车载总线研究
2
状态监测与故障诊断系统等。这些装置用于连接“人—车—外界环境信息”，协调
整车各部分的电子控制功能。
图1.1 汽车内电子装置分布示意图
汽车内电子装置分布的位置如图 1.1 所示。这些电子设备的控制盒多采用嵌
入式系统。所谓嵌入式系统(Embedded System)是嵌入式计算机的简称，是指嵌入
到对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统。嵌入式系统通常具有以
下主要特点：
(1) 专用性强，不像通用计算机那样具有很大的随意性；(2) 必须满
足环境的要求，如物理环境(集成度高，体积小)、电气环境(可靠性高)等；(3) 必
须配有与对象相适应的接口电路；(4) 具有较长的生命周期，成本低；(5) 一般要
求对外部事件迅速响应，具有一定的实时性要求等。
在汽车内，单个嵌入式系统的功能单一，可得到的信息有限。这就需要多个
嵌入式设备通过某种方式连接起来，相互通信来交换信息，协同完成指定功能，
于是就催生了车载网络。随着要求的提高，车载总线的通信协议和相关理论得到
了进一步的发展，并在研究领域逐渐形成了以时间触发总线调度模式为主流的网
络体系。
§1.2 车载总线及时间触发架构
§1.2.1 车载总线及其发展
图1.2 展示了自 2000 年以来，车载总线研究发展的情况。
第一章 绪论
3
图1.2 车载总线近年发展情况
在早期，汽车内电子设备有限，因此采用直连方式而非总线方式连接。随着
电子技术在汽车上的广泛应用，直连方式使得车身布线日趋复杂而困难。据统计，
一辆采用传统布线方法的高级轿车中，其线缆长度可达 2km，电气连接点可达
1500 个，这大大限制了汽车电子技术的发展。随之，汽车网络技术应运而生。通
信线缆将各个电子装置连接成为一个网络，以总线的形式进行信息收发。这种方
式使得电子设备除了独立完成各自的控制功能外，还可以为其它设备提供服务。
由于使用了网络化的设计，简化了布线，减少了导线的使用量，使装配工作更为
简单，同时也增加了信息传送的可靠性。在维修方面，通过数据总线可以访问任
何一个电子控制装置，读取故障码并进行故障诊断，使整车维修变得更为简单。
由图 1.2 可见，目前的车载总线正向单一芯片控制器的方向发展。颜色越深的区
域表明对可靠性和实时性要求越高，其发展的时间也较晚，目前最佳的通用的解
决方案还尚在研究和探索阶段。
根据传输速率的不同，美国汽车电子工程师协会(SAE)将总线划分为 A、B、
C、
D四大类[1]：
A类是面向传感器和执行器的一种低速网络，主要用于后视镜调
整设备、灯光照明控制设备、电动车窗控制设备等的连接，目前主流是 LIN 总线；
B类是应用于独立模块间数据共享的中速网络，主要用于汽车舒适性控制设备、
故障诊断设备、显示仪表及四门中央控制设备等的连接，目前主流是低速 CAN
基于无线冗余的时间触发架构车载总线研究
4
总线；C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，主要用于发动机、ABS、
自动变速器、安全气囊等设备的连接。目前主流是 FlexRay 总线。D类是车载多
媒体总线，主要用于连接车载导航系统，汽车音响系统等。
总线也可以从汽车结构的角度进行划分：分别是控制网，车身网和舒适网。
控制网连接的是汽车底盘上的电子设备，对总线传输的可靠性和实时性要求最为
苛刻，要求能为 X-By-Wire 技术的发展提供数据通信支持。X-By-Wire 也称
Anything-By-Wire，它是“无机械、液力等后备系统的电子安全容错系统”的简
称。X表示任何与安全相关的操作，包括转向、制动等等。2005 年初，美国通用
汽车公司研制的“自主魔力”概念车，其操纵系统、制动系统、动力系统都采用
了X-By-Wire 技术。车身网主要连接车门、座椅、雨刷等电子设备。其传输速率
和可靠性要求比控制网低，因此这类总线的设计主要考虑的是成本和性价比。舒
适网主要连接的是车载多媒体设备，这类总线传输数据量非常大，因此对传输速
率要求高，对可靠性要求不高。在多媒体的通讯协议中，MOST、IDB 1394 和“蓝
牙”技术成为了今后的发展主流。
德国 BOSCH 公司推出的控制器局域网总线(CAN, Controller Area Network)是
最先成功应用在汽车上的总线技术。从 2000 年开始，越来越多的轿车上开始广泛
使用 CAN 通信模块。CAN 的特点是：采用事件触发器(Event trigger)和载波监听/
冲突避免(CSMA/CA)仲裁方式(如果总线空载，所有电控单元均能发出信号，而当
信号冲突时，让高优先级信号先发出，以保证紧急事件能及时处理)。但是，当网
络上信息量大时，这种方法就很难保证低优先级事件的响应时间。就目前而言，
高级轿车上通常设有 70 个左右的电控单元，且还有不断增加的趋势，信源的增加
使得总线冲突的概率增加，CAN 总线存在的问题已经暴露出来。于是工程师们开
始继续探索更加合适的车载总线协议，以解决简单地采用事件触发遇到的问题。
§1.2.2 时间触发架构的形成与发展
X-By-Wire 系统的网络信息传送要求时间不确定性小，信息传送时间可以预
测。传统的 CAN 总线是基于事件触发的，节点处于异步传输模式，总线上存在
竞争，信息传输时间不确定，传输抖动大，这些固有的缺点使得其应用受到极大
限制。人们在研究中逐渐发现，基于时间触发的通信协议信息传输时延小，并采
用分布式容错算法。在可靠性实时性要求高的场合，更容易体现其优越性能[2]。
因此，人们逐渐将研究重心转移到时间触发协议上来。
关于触发方式的概念是从计算机技术中引入到总线通信领域中来的。“在计
算机技术的发展过程中，时间触发同事件触发几乎是同时诞生的”[2]，从调度的
角度考虑，时间触发属于合作式调度，而事件触发属于抢占式调度。在早期的研
基于无线冗余的时间触发架构车载总线研究.pdf

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