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?jiǎng)恿Γ怯脕黹_發(fā)新車型、改進(jìn)汽車性能最重要的手段。近些年來人們?cè)诮?jīng)濟(jì)和社會(huì)方面對(duì)汽車提出的越來越高的要求使得它從一個(gè)封閉的、弱耦合的系統(tǒng)發(fā)展成為一個(gè)高度開放的、高度網(wǎng)絡(luò)化的、極其異構(gòu)的和強(qiáng)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(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)，如何保證系統(tǒng)能滿足實(shí)時(shí)性、可靠性要求和高效地實(shí)現(xiàn)，從而保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本已成為汽車工業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的

2、關(guān)鍵問題。
　　 網(wǎng)絡(luò)是實(shí)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(diǎn)，并已成為系統(tǒng)復(fù)雜性的主要來源。同時(shí)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(jì)算和控制同等重要的地位，本文提出以ACPS(Automotive Cyber

3、-PhysicalSystem)的觀點(diǎn)來指導(dǎo)新一代汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注它的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)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(jìn)行應(yīng)用的CAN和FlexRay這兩種主要的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為研究對(duì)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(gè)方面提出一些相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，以汽車電子系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行保障和資源高效實(shí)現(xiàn)作為主要目標(biāo)，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(jì)方面面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
　　 針對(duì)上述問題，本文做了以下幾個(gè)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(shí)也是其層次化特點(diǎn)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(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的情況。針對(duì)該問題，本文提出了可對(duì)網(wǎng)關(guān)互連的同構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)中的消息進(jìn)行調(diào)度分析的算法。該算法以面向單個(gè)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(dá)序列”和

5、“最小時(shí)間間隔”概念和消息到達(dá)順序搜索算法可實(shí)現(xiàn)非網(wǎng)關(guān)類型消息的調(diào)度分析。對(duì)于需要先后在兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(jìn)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(shí)消息集的基礎(chǔ)上開展的實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)提出的消息調(diào)度分析算法的安全性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)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(diǎn)，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(jìn)行通信的汽車電子功能的安全可靠運(yùn)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(shí)間和消息的搶占時(shí)延分析造成的影響進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，從而可實(shí)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(shí)消息集的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文提出的算法的有效性。
　　 (3)針對(duì)FlexRay因采用可擴(kuò)展性差的靜態(tài)配置設(shè)計(jì)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(kuò)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(kuò)展性優(yōu)化算法，以兼容信號(hào)長度的增長作為優(yōu)化目標(biāo)。該算法以FlexRay靜態(tài)段消息調(diào)度的可擴(kuò)展性需求分析為基礎(chǔ)，首先提出了一個(gè)不確定性模型來

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

9、>　　 (4)針對(duì)新一代汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在實(shí)時(shí)性優(yōu)化方面的需求，以及FlexRay因其時(shí)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(duì)計(jì)算系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)方面遇到的問題，本文從系統(tǒng)級(jí)的角度出發(fā)提出了一個(gè)可對(duì)時(shí)隙分配進(jìn)行優(yōu)化配置以實(shí)現(xiàn)功能級(jí)實(shí)時(shí)性優(yōu)化的調(diào)度優(yōu)化算法。該算法從集成計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CPS觀點(diǎn)出發(fā)提出了一個(gè)可對(duì)任務(wù)和信號(hào)之間的同步關(guān)系進(jìn)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(duì)調(diào)度單元的可行時(shí)隙進(jìn)

10、行了分析和界定，進(jìn)而可獲得各個(gè)ECU的可行時(shí)隙集。然后，根據(jù)ECU在分配各個(gè)可行時(shí)隙時(shí)它包含的所有調(diào)度單元的平均最差反應(yīng)時(shí)間建立一個(gè)二維時(shí)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(shí)延表中搜索到使得系統(tǒng)功能級(jí)的端到端最差反應(yīng)時(shí)間之和最小的時(shí)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(shí)隙分配算法可實(shí)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(shí)間之和的最小化，然后在仿真實(shí)驗(yàn)集和汽車廠商提供的真實(shí)實(shí)驗(yàn)集的基礎(chǔ)之上，通過與其它