新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、汽車電子系統(tǒng)是汽車工業(yè)競爭力和創(chuàng)新的主要動力，是用來開發(fā)新車型、改進汽車性能最重要的手段。近些年來人們在經(jīng)濟和社會方面對汽車提出的越來越高的要求使得它從一個封閉的、弱耦合的系統(tǒng)發(fā)展成為一個高度開放的、高度網(wǎng)絡(luò)化的、極其異構(gòu)的和強耦合的新一代汽車電子系統(tǒng)。但是系統(tǒng)復(fù)雜性的急劇增長給新一代汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)，如何保證系統(tǒng)能滿足實時性、可靠性要求和高效地實現(xiàn)，從而保障系統(tǒng)的安全可靠運行和降低系統(tǒng)設(shè)計成本已成為汽車工業(yè)界重點關(guān)注的

2、關(guān)鍵問題。
　　 網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)車內(nèi)ECU(Electronic Control Unit)之間的交互和協(xié)作、以及系統(tǒng)反饋控制的基礎(chǔ)。伴隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化發(fā)展，新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜化、異構(gòu)化和層次化等特點，并已成為系統(tǒng)復(fù)雜性的主要來源。同時考慮到新一代汽車電子系統(tǒng)的CPS（Cyber-Physical System）本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)被提升到與計算和控制同等重要的地位，本文提出以ACPS(Automotive Cyber

3、-PhysicalSystem)的觀點來指導(dǎo)新一代汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計，重點關(guān)注它的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計在實時性、可擴展性方面存在的問題，以在與汽車駕駛和行車安全相關(guān)的關(guān)鍵性功能子系統(tǒng)中進行應(yīng)用的CAN和FlexRay這兩種主要的實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為研究對象，從消息調(diào)度問題入手在系統(tǒng)可調(diào)度性分析和優(yōu)化與系統(tǒng)資源利用率優(yōu)化兩個方面提出一些相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計算法，以汽車電子系統(tǒng)的安全可靠運行保障和資源高效實現(xiàn)作為主要目標，從而來緩解新一代汽車電子系統(tǒng)因復(fù)

4、雜性驟增而在設(shè)計方面面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。
　　 針對上述問題，本文做了以下幾個方面的工作:
　　 (1)網(wǎng)關(guān)互連的CAN網(wǎng)絡(luò)是新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，同時也是其層次化特點的重要體現(xiàn)，但是現(xiàn)有CAN消息調(diào)度分析的相關(guān)研究僅局限于單個CAN網(wǎng)絡(luò)的情況。針對該問題，本文提出了可對網(wǎng)關(guān)互連的同構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)中的消息進行調(diào)度分析的算法。該算法以面向單個CAN網(wǎng)絡(luò)的消息調(diào)度分析算法為基礎(chǔ)，結(jié)合提出的“忙到達序列”和

5、“最小時間間隔”概念和消息到達順序搜索算法可實現(xiàn)非網(wǎng)關(guān)類型消息的調(diào)度分析。對于需要先后在兩個CAN網(wǎng)絡(luò)中進行調(diào)度的網(wǎng)關(guān)類型消息而言，本文采取“先分解后轉(zhuǎn)化”的方法將其調(diào)度分析轉(zhuǎn)化為與非網(wǎng)關(guān)類型消息的調(diào)度分析相同的情況進行處理。分別通過理論證明、在仿真消息集與汽車廠商提供的真實消息集的基礎(chǔ)上開展的實驗對比對提出的消息調(diào)度分析算法的安全性和有效性進行了驗證。
　　 (2)異構(gòu)性是新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的主要特點，它不僅體現(xiàn)

6、在網(wǎng)絡(luò)類型的異構(gòu)方面如網(wǎng)關(guān)互連的CAN和FlexRay，還體現(xiàn)在網(wǎng)關(guān)互連的不同CAN網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)帶寬方面，如在寶馬7系中存在基于網(wǎng)關(guān)互連的高速CAN和低速CAN的情況。為了支持異構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)的集成和保障基于網(wǎng)關(guān)互連異構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)進行通信的汽車電子功能的安全可靠運行，本文以研究內(nèi)容一中提出的面向網(wǎng)關(guān)互連同構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)的消息調(diào)度分析算法為基礎(chǔ)，主要就網(wǎng)絡(luò)帶寬異構(gòu)給消息執(zhí)行時間和消息的搶占時延分析造成的影響進行相應(yīng)擴展，從而可實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)互連異構(gòu)

7、CAN網(wǎng)絡(luò)中的消息調(diào)度分析。在汽車廠商提供的真實消息集的基礎(chǔ)之上進行的實驗分析驗證了本文提出的算法的有效性。
　　 (3)針對FlexRay因采用可擴展性差的靜態(tài)配置設(shè)計方法而不能滿足新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在可擴展性方面需求的問題，本文提出了一種面向FlexRay靜態(tài)段消息調(diào)度的可擴展性優(yōu)化算法，以兼容信號長度的增長作為優(yōu)化目標。該算法以FlexRay靜態(tài)段消息調(diào)度的可擴展性需求分析為基礎(chǔ)，首先提出了一個不確定性模型來

8、對信號長度的增長進行形式化描述，并對可擴展性、可擴展性策略和可擴展性評估指標進行了定義。然后，提出了兩個分別適用于不同規(guī)模信號集的基本消息調(diào)度算法來完成信號打包任務(wù)，在此基礎(chǔ)之上分別利用評估步驟和啟發(fā)式信號交換步驟對已分配時隙中剩余的時間間隙的分布進行優(yōu)化調(diào)整來實現(xiàn)對信號長度增長的兼容。分別在仿真信號集和汽車廠商提供的真實信號集的基礎(chǔ)之上與其它可擴展性優(yōu)化算法進行的對比分析驗證了本文提出的算法在優(yōu)化時隙成本和修改成本方面的有效性。

9、>　　 (4)針對新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在實時性優(yōu)化方面的需求，以及FlexRay因其時間觸發(fā)特性而在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置的復(fù)雜性和需要對計算系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行集成設(shè)計方面遇到的問題，本文從系統(tǒng)級的角度出發(fā)提出了一個可對時隙分配進行優(yōu)化配置以實現(xiàn)功能級實時性優(yōu)化的調(diào)度優(yōu)化算法。該算法從集成計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的CPS觀點出發(fā)提出了一個可對任務(wù)和信號之間的同步關(guān)系進行形式化建模的調(diào)度單元模型，并借助調(diào)度分析理論對調(diào)度單元的可行時隙進

10、行了分析和界定，進而可獲得各個ECU的可行時隙集。然后，根據(jù)ECU在分配各個可行時隙時它包含的所有調(diào)度單元的平均最差反應(yīng)時間建立一個二維時延表，在此基礎(chǔ)之上利用最優(yōu)的分支界定算法可在上述時延表中搜索到使得系統(tǒng)功能級的端到端最差反應(yīng)時間之和最小的時隙分配方案。首先證明了在給定假設(shè)前提條件下本文提出的時隙分配算法可實現(xiàn)系統(tǒng)功能包含的所有執(zhí)行路徑的端到端最差反應(yīng)時間之和的最小化，然后在仿真實驗集和汽車廠商提供的真實實驗集的基礎(chǔ)之上，通過與其它