CAN 總線車載網(wǎng)絡(luò)通訊組件的研究和實現(xiàn)

　　摘要: 本文提出了一種基于CAN 總線的車載網(wǎng)絡(luò)軟件解決方案。該方案可將應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分開，以便降低整車廠商對硬件供應(yīng)商的依賴性，同時提高軟件的復(fù)用性和可移植性。該方案主要包含兩部分：一、靜態(tài)配置編譯器工具；二、網(wǎng)絡(luò)組件。

1 引言

　　目前，汽車電子正朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)成為汽車電子領(lǐng)域的最大熱點。提高控制單元間通訊可靠性并且降低導(dǎo)線成本的網(wǎng)絡(luò)總線應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)包括CAN、LIN、FlexRey、MOST、IDB1394 等。對于汽車整車廠來說，CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是應(yīng)用CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵。縱觀現(xiàn)有的設(shè)計技術(shù)，可以將其分為兩類：一類是以仿真和測試為主的傳統(tǒng)設(shè)計方法；另一類是以協(xié)議設(shè)計為主的方法。傳統(tǒng)方法將每個節(jié)點對協(xié)議的要求拼湊起來，通過仿真、測試的方法檢驗協(xié)議的正確性，最終得到通訊協(xié)議。新方法通過系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，用理論方法對系統(tǒng)的時序建模，分析設(shè)計系統(tǒng)的通訊協(xié)議，保證系統(tǒng)的實時性能以及協(xié)議的正確性，最終發(fā)布正確的通訊協(xié)議。本文將簡要介紹傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性和新方法的優(yōu)勢，以及參考新方法所設(shè)計的通信網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性

　　隨著汽車上電子設(shè)備數(shù)量的逐漸增多，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，汽車電子網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計技術(shù)的局限性越來越突出，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)丟失、通訊延遲、協(xié)議修改困難等三個方面。

　　2.1 數(shù)據(jù)丟失

　　數(shù)據(jù)丟失是指新數(shù)據(jù)沒有來得及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，或是超過接收節(jié)點的接收時限才傳輸出去的情況。數(shù)據(jù)丟失會嚴(yán)重影響通訊的實時性能，進(jìn)而影響整車通訊的質(zhì)量。實時性能好的系統(tǒng)應(yīng)該完全避免數(shù)據(jù)丟失。

　　數(shù)據(jù)丟失的影響因素就是通訊協(xié)議。傳統(tǒng)設(shè)計方法通過仿真和測試等手段檢測協(xié)議的正確性，其缺點是無法覆蓋所有的測試用例，因此，輸出的通訊協(xié)議會存在潛在錯誤或者不夠完整，這樣就不可避免地會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的情況，影響整個系統(tǒng)的性能。

　　2.2 通訊延遲

　　通訊延遲是指數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好到通過總線發(fā)送出去的等待時間。通訊延遲可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，是傳統(tǒng)設(shè)計方法無法解決的根本性問題。這主要是因為，傳統(tǒng)設(shè)計方法只是將各個節(jié)點對協(xié)議的要求拼湊起來，沒有考慮整個系統(tǒng)的需求，比如發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)并用于控制，沒有考慮實現(xiàn)這樣一個完整功能的時間要求。因此協(xié)議設(shè)計結(jié)果難以保證實時性能，必然存在通訊延遲。

　　仲裁失敗是產(chǎn)生延遲的主要原因，因此延遲與消息的 ID 及周期有關(guān)。系統(tǒng)越復(fù)雜，消息之間發(fā)生競爭的可能性越大，系統(tǒng)的實時性能就越差。

　　為了減小延遲的影響，傳統(tǒng)設(shè)計方法采取了兩種預(yù)防措施。一種是設(shè)定時限，如圖1所示。另一種限制負(fù)載為平均30%左右，降低消息競爭的可能性。但是這兩種方法都不能從根本上消除延遲。

圖 1 時限設(shè)定和響應(yīng)時間的計算

　　2.3 協(xié)議修改困難

　　修改協(xié)議在開發(fā)過程中不可避免。但對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，因為應(yīng)用程序和通訊功能的融合，通訊協(xié)議的參數(shù)變化會導(dǎo)致軟件的重新編譯和測試，這就意味著額外的時間和成本，供應(yīng)商極不愿意整車廠商修改協(xié)議。因此，整車廠商修改協(xié)議十分困難，并需要很長的時間。

3 以協(xié)議設(shè)計為主的新方法的特點

　　以協(xié)議設(shè)計為主的方法通過系統(tǒng)級的設(shè)計理論和方法，保證通訊協(xié)議的準(zhǔn)確性，避免數(shù)據(jù)丟失，保證系統(tǒng)的實時性能。其特點概括起來如下：

　　3.1 系統(tǒng)級設(shè)計，避免數(shù)據(jù)丟失

　　新技術(shù)采用自上而下的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，對整個系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并完成優(yōu)化。通過理論設(shè)計方法，可保證通訊協(xié)議的正確性，從根本上解決數(shù)據(jù)丟失問題。

　　3.2 有效控制消息延時

　　響應(yīng)時間是消息準(zhǔn)備發(fā)送到最后節(jié)點接收到數(shù)據(jù)的全部時間，它是發(fā)送時間和延遲的總和，其中延遲是影響響應(yīng)時間的主要因素，控制延遲就可以有效控制響應(yīng)時間。

　　如圖 1 所示，通過對響應(yīng)時間進(jìn)行建模，并仔細(xì)安排消息的ID 和周期以控制延遲時間、響應(yīng)時間及總線負(fù)載。然后用理論方法計算出最差情形下的延遲時間、最大的響應(yīng)值，以及總線負(fù)載。

　　由于新方法能夠計算出最大總線負(fù)載，也能有效控制系統(tǒng)延遲，因此沒有必要再對系統(tǒng)的總線負(fù)載作任何限制，理論上可以達(dá)到100%。其優(yōu)勢在于保證了確定的通訊行為，可以有效地利用系統(tǒng)資源。