FlexRay汽车网络的参数最优配置问题研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 9 4 2.26MB 59 页 15积分

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摘要

随着社会的进步，用户对汽车安全性和舒适性的要求不断提高，汽车中所

用的新功能块越来越多，数据通信量越来越大，传统的车载总线，如 CAN、LIN，

已经不能满足汽车网络的可靠性、确定性传输需求，为适应这些需要，人们经

过多年的努力，研究开发了 FlexRay 多路实时传输网络。FlexRay 通信标准是为

满足汽车网络的强实时性、高通信速率等要求而开发的，它采用灵活的时间触

发和事件触发机制，增强汽车安全性和实时性，具有良好的应用前景。针对

FlexRay 网络的深入研究对于促进 FlexRay 的广泛应用，具有很好的理论意义和

使用价值。

为降低 FlexRay 静态段网络负载率和动态段消息最坏响应时间，本文分析

和研究了静态段静态时隙长度的配置、动态段长度和动态消息帧 ID 的配置方法。

在对静态段静态消息传输规则的研究中发现，当所要传输的消息长度悬殊

较大时，带宽浪费比较严重，由此本文提出了将较长静态消息分割后继续在静

态段传输的方法，研究了负载长度、帧 ID 数目、总线负载率之间的关系以及负

载率优化问题。

为了进一步提高 FlexRay 网络的实时性，本文还研究了降低动态段消息总

体响应时间的方法，分析了动态帧格式及媒体访问形式，归纳得出影响动态消

息最坏响应时间的两个关键因素，即动态段长度和共享帧 ID，并且建立了消息

的启发式动态调度模型，通过对动态段长度和动态时隙的分配进行优化，最终

到达降低总体最坏响应时间的目的。

最后，本文将 FlexRay 线控转向系统作为应用对象，以时间触发的静态段

传输周期性消息，以事件触发的动态段传输非周期性消息。实验证明，本文提

出的消息分割法可以优化静态时隙长度，降低静态段总线负载率；启发式动态

调度算法可以优化配置动态消息帧 ID，降低动态段总体最坏响应时间。

关键词：FlexRay 总线负载率调度线控转向响应时间

ABSTRACT

With social progress, demands for safety and comfort of the car have been

increasing, the more and more new functions and communication datas are used in

automobile, the traditional data bus, such as CAN、LIN can not satisfy the demands

for reliability and determinacy. After years of effort, Multi-channel real-time

transmission network of FlexRay is developed. FlexRay standard is to meet the

strong real-time、high communication speed of automotive network, FlexRay uses

flexible time trigger and event trigger mechanism to enhance the safety and real-time

of vehicle which has a good application prospect. The research of FlexRay has great

theoretical and use value for the application of FlexRay.

In order to reduce the network load rate of FlexRay static segment and

worst-case response time of dynamic message, in this paper, the configuration

method of the static slot、the length of dynamic and frame ID are analysed.

With the study of the transmission rule of static message, the conclusions can be

drawn that when the lengths of the messages are greatly different, the waste of the

bandwidth will be high. The method that splitting long information of the static

segment into short message was given, the relationship between the message length、

the number of frameID and the load rate is analyzed, the optimization of load rate

was also researched.

In order to improve the real-time property of the FlexRay network, the paper

studies the method to reduce worst-case response time of dynamic segment, the

paper also researches the characteristic of frame format and media access method of

the FlexRay protocol. The length of the dynamic and the messages use the same

frame identifier are the two key factors that have deterministic effect to the the

worst-case response time of dynamic segment. Based on this, the scheduling

problem model is built. The summation of the dynamic messages defines the length

of the dynamic segment. Using the scheduling algorithm proposed in the paper to

optimize the allocation of frame identifier, ultimate goal is that the worst-case

response time of dynamic segment is reduced.

At last, take FlexRay steer by wire system as research object. Periodic messages

based time trigger are sent on the static of the FlexRay, while aperiodic messages

based event trigger are sent on the dynamic of the FlexRay. The summation of the

dynamic messages defines the length of the dynamic segment. Using the algorithm

proposed to splitting long information of the static segment into short message.

Optimal length of the static slot is also determinated to meet the lowest load rate of

FlexRay bus. Using the heuristic scheduling algorithm proposed to allocate frame

identifier for every dynamic message Experiments show that the proposed method

can optimize the static slot length and reduce the bus load rate of FlexRay static

segment. The heuristic dynamic scheduling algorithm can optimize the allocation of

dynamic message frame ID and reduce the sum of worst-case response time of

dynamic segment.

Key Word：FlexRay，bus load rate，Scheduling，Steer-by-wire，

Response time

摘要

ABSTRACT

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

1.1 研究背景和意义 ............................................. 1

1.2 国内外研究现状 ............................................. 2

1.2.1 汽车网络研究现状 ........................................ 2

1.2.2 FlexRay 协议的研究现状................................... 7

1.2.3 本文所做的主要工作 ...................................... 8

第二章 FlexRay 协议基础 ........................................... 9

2.1 FlexRay 基本概念 ........................................... 9

2.2 拓扑结构 .................................................. 10

2.3 FlexRay 节点内部逻辑结构 .................................. 12

2.4 FlexRay 通信机制 .......................................... 13

2.4.1 编码与解码 ............................................. 13

2.4.2 帧格式 ................................................. 14

2.4.3 媒体接入控制 ........................................... 17

2.4.4 时钟同步 ............................................... 20

2.4.5 唤醒与启动 ............................................. 21

2.5 本章小结 ................................................... 23

第三章 FlexRay 静态段网络负载率的优化 ............................ 24

3.1 静态段传输规则 ............................................ 24

3.2 网络负载率的优化 .......................................... 25

3.2.1 网络负载率的计算 ....................................... 25

3.2.2 静态时隙长度计算 ....................................... 26

3.2.3 基于消息分割法的网络负载率优化 ......................... 27

3.3 实验验证及分析 ............................................ 30

3.4 本章小结 .................................................. 32

第四章 FlexRay 动态段消息响应时间的优化 .......................... 33

4.1 动态段消息传输规则 ........................................ 33

4.1.1 动态段时序 ............................................. 33

4.1.2 动态时隙长度计算 ....................................... 34

4.2 时间分析 .................................................. 34

4.2.1 动态段的可调度性分析 ................................... 35

4.2.2 延迟周期数目的确定 ..................................... 37

4.3 动态段调度模型的建立 ...................................... 40

4.3.1 动态段调度问题分析 ..................................... 40

4.3.2 动态段调度算法的设计 ................................... 41

4.4 本章小结 .................................................. 43

第五章优化算法在 FlexRay 线控转向系统中的应用 .................... 44

5.1 FlexRay 线控转向系统任务模型 .............................. 44

5.1.1 FlexRay 线控转向系统模型................................ 44

5.1.2 FlexRay 转向系统任务模型构建............................ 45

5.2 FlexRay 线控转向系统中的验证与结果分析 .................... 46

5.3 本章小结 .................................................. 48

第六章总结和展望 ................................................ 49

参考文献 ......................................................... 51

在读期间发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................... 55

致谢 ............................................................ 56

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

汽车电子行业在飞速发展，人们对车辆的安全性、可操作性和舒适性也提出

了更高的要求，车载系统电子单元数目不算增加，同时提供的功能也在不断改进。

为了减少投入成本并提高各电子单元之间的通信的安全可靠性，总线控制技术不

算革新。将总线用到制动系统上就产生了线控制动系统(Brake-by-Wire)，用到转向

系统上就产生了线控转向系统(Steering-by-Wire)，统称为线控技术(x-by-Wire)。线

控技术是通过通讯网络连接各部件的控制系统，替代了传统的机械连接或者液压

连接结构，电子装置连接执行器和控制单元，赋予汽车更多的设计空间。当前主

要的车载网络总线有LIN、CAN、FlexRay、MOST等[1-3]，根据它们自身的特点和

需求应用于汽车的不同模块，多种总线技术并存的车载网络如图1-1所示。

诊断

FlxRay骨干网

网关1

动力系统

网关2

车身系统

网关3

底盘系统

网关4

信息通讯网关n

FlexRay/CAN

发动机

变速器

其它

CAN

空调

门锁

雨刷器

其它

FlexRay

线控制动

线控转向

其它

MOST

收音机

移动电话

视频系统

其它

ECUn

图1-1 多种总线并存的汽车网络

过去的几十年，为了提高网络有效利用[4-5]，传统的点对点连接已经被线性总

线网络替代，比如CAN，LIN。人们对汽车的安全舒适性越来越关注，汽车ECU数

目增加及新功能不断引入，总线中传输的数据也变得庞大，这就使得总线技术不

断发展，以满足更高的需求。安全性高、可靠性强、适于车载网络的FlexRay应运

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摘要随着社会的进步，用户对汽车安全性和舒适性的要求不断提高，汽车中所用的新功能块越来越多，数据通信量越来越大，传统的车载总线，如CAN、LIN，已经不能满足汽车网络的可靠性、确定性传输需求，为适应这些需要，人们经过多年的努力，研究开发了FlexRay多路实时传输网络。FlexRay通信标准是为满足汽车网络的强实时性、高通信速率等要求而开发的，它采用灵活的时间触发和事件触发机制，增强汽车安全性和实时性，具有良好的应用前景。针对FlexRay网络的深入研究对于促进FlexRay的广泛应用，具有很好的理论意义和使用价值。为降低FlexRay静态段网络负载率和动态段消息最坏响应时间，本文分析和研究了静...

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