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基于FlexRay总线的线控转向系统控制器网络结构研究与实现

谢徐俊  
【摘要】:线控转向(Steer-by-Wire)系统是一种先进的机电一体化系统,它采用控制器和电子线束结构代替了传统意义上的机械式转向结构。在汽车向智能化、高速化发展的今天,线控转向系统作为一种提高汽车性能的重要手段,结合具有高速性、高容错安全性及高实时性等特点的FlexRay总线技术,能为汽车带来更加优秀的性能,具有广阔的应用前景。 本文依托国家自然科学基金项目“线控汽车底盘控制方法和关键技术研究”,在课题组已有的线控转向系统研究成果基础上,将FlexRay总线技术应用到线控转向系统中。在总结现有线控转向控制器网络架构基础上,提出了基于FlexRay总线的分布式控制器网络架构方案,重点研究了FlexRay总线协议的时间特性,并实现了控制器软硬件功能,进行了控制器在环通信仿真实验,最后在搭建的硬件在环仿真实验台上进行了系统实验验证。论文的具体研究内容如下: (1)研究了FlexRay总线的时间特性,提出了总线静态段与动态段时间参数配置的关键问题及相应的优化方法。 FlexRay总线具有基于时间和事件双触发机制的特性,这种特性能够确保重要数据的实时收发以及总线资源的合理利用,但不合理的消息分配及时间参数的设置会导致总线利用率和响应性变差,因此必须对FlexRay总线的时间特性进行分析并进行优化。在研究静态段时,本文在提出静态段性能评价和优化相关指标的基础上,分析了静态段时槽长度对总线周期长度和消息响应实时性的影响及静态段消息发送时的时间费用问题,并提出了一种将数据打包和分割的时槽长度设置的优化方法;在研究动态段时,分析了消息ID值和节点的pLatestTx值对消息的发送安排和响应性的影响,在提出并分析消息发送的最坏响应时间的基础上,给出了一种基于整数线性规划的动态段时槽长度设置的优化方法。 (2)实现了控制器软件通信功能及基于设计的控制器网络架构进行了控制器在环通信仿真实验。 FlexRay总线系统具有高灵活性和定制性,可以根据线控系统的具体性能指标给出符合系统实时性要求的时间参数。因此在初始化阶段,需要配置大量的自定义协议参数,这使得系统的初始化过程以及数据收发流程较为复杂。在进行正常收发通信之前,需要对控制器的FlexRay模块进行初始化,本文对FlexRay系统的初始化流程和数据收发流程以及协议参数的配置方法进行了比较详细的阐述,同时还给出了消息收发的任务调度表,最后在给定的协议参数的基础上利用VN7600和CANoe建立了虚拟节点与实体节点相结合的FlexRay网络架构,并对其进行了控制器在环通信仿真工作,验证FlexRay网络配置的正确性。 (3)提出了基于FlexRay总线的线控转向系统控制器分布式网络架构,并以MC9S12XF512芯片为基础对各控制器节点进行了硬件实现,最后进行了硬件在环实验验证。 线控转向系统的控制器网络架构具有非常重要的作用,它影响着系统数据的实时性以及系统的可靠性和控制效率。本文在总结现有的线控转向控制器架构及课题组已有的线控转向系统研究成果基础上,提出了基于FlexRay总线的控制器分布式网络架构,并以飞思卡尔公司的MC9S12XF512芯片为基础,对控制器网络中的节点进行了软硬件设计与实现。最后在搭建的硬件在环实验台上,对本文提出的线控转向系统的控制器分布式网络架构的可行性及FlexRay总线配置的正确性进行了实验验证。 FlexRay总线是一种全新的车载网络传输标准,将其应用到线控转向系统中,能够为汽车带来更加优秀的性能和安全性,对FlexRay总线的研究和在线控转向系统中的实现为以后的实车应用打下基础,并对今后在其他线控系统中的应用具有重要的指导意义。


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