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《东北大学》 2011年
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车辆控制系统局域网络(CAN)调度策略研究

王书举  
【摘要】:随着电子控制技术、计算机网络技术、通信技术在汽车上广泛的应用,汽车正向着多功能方向发展,汽车的智能化、网络化趋势越来越明显。汽车是由多个子系统构成的一个复杂系统,其整体性能取决于各子系统基于车载网络的协同工作。控制器局域网(CAN)总线经过多年的发展,已经成为车载多层次网络互联结构中的骨干网络,因此深入研究车载CAN协议网络的关键理论及其应用对于汽车进一步网络化、智能化具有十分重要的意义。 CAN总线系统是基于事件触发机制的多主系统,其最大带宽为1Mb/s,采用非破坏性逐位仲裁技术,CAN总线在实时性、可预测性、网络资源利用率等方面仍未能满足车辆控制系统的需求及发展需要。因此,在设计和开发车载CAN网络的过程中,开发满足车载网络控制系统特点及系统发展需求的先进控制策略已成为车载网络设计中面临的一个挑战性课题。本文针对车载CAN网络设计中车身CAN网络、动力传动CAN网络及整车CAN网络设计的不同阶段,对车载CAN网络控制系统设计过程中的关键调度理论展开了研究,具体研究内容和取得的成果如下: 1.针对汽车车身网络节点日渐增多而低速CAN带宽资源有限的问题,引入用于减少网络传输数据的数据缩减技术,针对车身网络信息数据变化特点提出了数据缩减变化优先DRCF调度算法,介绍了DRCF算法的数据压缩、解压缩及调度原理,将DRCF算法应用于汽车车身控制系统设计,通过仿真和理论分析验证了该算法可以显著降低车身CAN总线负载,改善信息的实时性,提高车身CAN总线的扩展灵活性和网络数据传输的效率。 2.针对在动力传动高速CAN网络中出现负载集中时低优先级信息响应差及网络利用率低等问题,在动力传动CAN网络设计中引入了最早截止期优先(EDF)动态调度算法,针对在CAN总线中应用EDF调度时难以用有限的CAN帧标识符位实现信息截止期编码以及CAN协议无法实现各节点同时更新其信息截止期所需要的严格时间同步等问题,提出了基于事件触发的EDF调度算法,介绍了事件触发EDF调度算法原理及截止期编码方法,该算法可以有效的改善低优先级信息的实时性能,提高网络资源的利用率。 3.针对动力传动CAN网络对控制信息传输确定性的要求,为了减少动力传动网络中消息传输的抖动及更有效地利用网络带宽资源,研究了时间触发控制器局域网(TTCAN)协议,建立了TTCAN双相基本周期结构中随机信息传输的时间响应数学模型,以实现随机信息传输实时性的离线分析。基于所建数学模型采用Visual C#设计了可视化辅助分析工具,最后将其应用到汽车动力传动TTCAN,总线实时性分析。 4.针对CAN总线不能有效处理时间触发的周期信息和事件触发信息共网实时性通信问题,考虑网络设计、调度的灵活性,将FTTCAN (Flexible time triggered CAN)引入汽车动力控制系统,与车身控制系统低速CAN互联组建整车网络,提出了一种FTTCAN同步相调度中主节点的周期信息调度表的构建方法,通过分析车载网络系统性能,验证了该方案的可行性和优越性。 5.针对TTCAN双相基本周期结构中随机信息通信的实时性需求,在前人研究的基础上,提出了基于信息周期相关的系统矩阵优化方法CPL,用于减少TTCAN调度中同步相带宽的分配,该算法在保证TTCAN时间触发信息性能的前提下,提高了系统中事件触发信息的实时响应性能。 6.针对电动汽车控制系统CAN总线在调度周期性信号时的不确定性和低优先级随机信号易死锁等问题,提出了基于TTCAN协议的混合调度策略,采用CPL算法来调度周期性信息,而对于随机性信息的调度则采用改进的EDF算法,即EDF调度优先级规划算法,通过对电动汽车控制系统进行网络性能分析,验证了该混合调度算法良好的调度性能。 7.为了研究汽车电子系统的设计与开发策略,针对车内控制网络与车外网络联系问题,设计了基于CAN总线的由GPS、GPRS及行驶记录仪组成的可实现车载控制网络的信息采集、远程数据传输等功能的车载信息CAN实验系统,重点研究了系统设计、仿真与集成测试等方面内容。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U463.6

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