从控制系统的角度看未来汽车总线的需求

引言

从上世纪50年代汽车上第一次使用电子元件以来，使用在汽车上的电子元件越来越多也越来越复杂。在现在的汽车控制系统中有一种趋势，就是以通过总线来连接控制系统上的分散的分布式元器件。CAN总线以其事件触发和无损仲裁机制等优点受到广大汽车生产厂商的青睐。但是，随着汽车车身电子元件的增加，特别是新一代缆控技术(by-wire)的发展，CAN总线将逐渐无法满足其要求，这就引出了时间触发的CAN总线，即TTCAN总线。

在实际的汽车总线应用中，总线会受到很强的电磁干扰。所以，总线上的节点必须具有很好的容错(fault-tolerant )性能。这样在遇到有消息发送失败或者节点失效等故障时，总线还可以保证硬实时系统((hard real-time system)的安全性。

1未来汽车发展的要求

1.1低能耗内烘机车

除了内燃机本身的机械结构、部件原理改进使油耗降低外，控制系统的改进也是很重要的。用以保证发动机在任何时候，特别是启动、加减速、制动、怠速等过程时能够尽最大可能的省油和重复利用能源。这就要求信息的精度和重复频率提高，也就是提高传感器的性能和拓宽通讯频带。

1.2混合动力车

因为单元较多(例如分为多能源控制单元、内燃机单元、电动机单元、电池单元、辅助能源单元、仪表盘单元等)，各单元间的相互关系也较多(特别是并联混合式)。其频带占用较多，如果采取一些措施梭，目前的通讯规程(SAE J1939 )在应用层补充后也己可用，但如对控制要求较高，频带利用率已较紧张。

1.3线控车(X-by-wire)

线控车由于以线缆代替驾驶员与动力设备间的机械联系，出现了很多优点，例如控制(特别是转向和制动)轻便灵活，自动化程度高等。但是正因为用了线控技术，驾驶员只能通过“线”来控制车，安全问题就提高到了首位。其主要特点有:

?缺少了机械后援，对安全性要求高;

?传感器需要有双份冗余，关键部分甚至需 要三份，增加了通道所需容量;

?由于传感器及通道的多路化，控制系统的 判别和运算需要更多的时间。

2系统通讯的响应时间

2.1系统模型

总线上传输的消息可以分为三类:周期性，阵发性和查询消息。其中周期性消息是以时间触发的形式周期性发送的，如汽车车速为大小8 bits的消息并且每1OOm，发送一次;阵发性的消息是以事件触发的形式发送的，如钥匙开关点火；而查询消息是则主要用于诊断，平常很少使用。

下面描述一下将要用来分析的系统模型，若干个节点由TTCAN总线连接用以传输一组硬实时系统的消息。这些硬实时系统的消息是一些典型的控制信息，必须在时限之内完成否则就会造成严重的后果。在这里只考虑周期性消息和阵发性消息，消息从产生开始并被送入CPU由专门软件进行排队，经CPU处理过后经TTCAN节点送入总线排队等待，直到处理完毕。如图1所示:

2.2最坏情况下消息延时的计算

这节将讨论最坏情况下消息延时的计算，这是基于Tindell和Burns所提出的基本计算方法。这种方法是建立在未做任何信息传输优化假设基础上的，在实际的信息传输中效率会大大高于理论计算值，首先要做一些假设:

第一，一个消息m的时限不会大于这个消息的周期;

第二，如果有更高优先级的消息在等待，系统不会先处理低优先级的消息。一个帧m由CmTmJmDm所定义，其中Tm是周期，Cm是传送时间，Dm是时限，Jm是最大抖动(jitter)。分析抖动是很重要的，因为忽略了它会导致分析的不充分。排队抖动(Queuingjitter)指的是一个消息可以被列入排队队列的最长和最短时间的差值。消息排队抖动如图2所示:

最坏情况下，CAN消息的传送时间是:(2.0A)

其中τbit是物理介质比特的时间，sm是CAN帧的数据部分大小。总的传输时间是指最坏情况下的插入(stuff)和头部数目以及数据位。CAN要求在传输4个相同位后插入一个插入位。每4个相同位后插入的插入位也就成了下相同位序列的第一位。