CAN 總線車載網(wǎng)絡(luò)通訊組件的研究和實(shí)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(kāi)，以便降低整車廠商對(duì)硬件供應(yīng)商的依賴性，同時(shí)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(diǎn)。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(duì)于汽車整車廠來(lái)說(shuō)，CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是應(yīng)用CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵?？v觀現(xiàn)有的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以將其分為兩類：一類是以仿真和測(cè)試為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；另一類是以協(xié)議設(shè)計(jì)為主的方法。傳統(tǒng)方法將每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)議的要求拼湊起來(lái)，通過(guò)仿真、測(cè)試的方法檢驗(yàn)協(xié)議的正確性，最終得到通訊協(xié)議。新方法通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，用理論方法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序建模，分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通訊協(xié)議，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性和新方法的優(yōu)勢(shì)，以及參考新方法所設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)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(jì)技術(shù)的局限性越來(lái)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(gè)方面。

　　2.1 數(shù)據(jù)丟失

　　數(shù)據(jù)丟失是指新數(shù)據(jù)沒(méi)有來(lái)得及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，或是超過(guò)接收節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)限才傳輸出去的情況。數(shù)據(jù)丟失會(huì)嚴(yán)重影響通訊的實(shí)時(shí)性能，進(jìn)而影響整車通訊的質(zhì)量。實(shí)時(shí)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(jì)方法通過(guò)仿真和測(cè)試等手段檢測(cè)協(xié)議的正確性，其缺點(diǎn)是無(wú)法覆蓋所有的測(cè)試用例，因此，輸出的通訊協(xié)議會(huì)存在潛在錯(cuò)誤或者不夠完整，這樣就不可避免地會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的情況，影響整個(gè)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(guò)總線發(fā)送出去的等待時(shí)間。通訊延遲可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決的根本性問(wèn)題。這主要是因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法只是將各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)議的要求拼湊起來(lái)，沒(méi)有考慮整個(gè)系統(tǒng)的需求，比如發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并用于控制，沒(méi)有考慮實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)完整功能的時(shí)間要求。因此協(xié)議設(shè)計(jì)結(jié)果難以保證實(shí)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的可能性越大，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能就越差。

　　為了減小延遲的影響，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采取了兩種預(yù)防措施。一種是設(shè)定時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)限設(shè)定和響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算

　　2.3 協(xié)議修改困難

　　修改協(xié)議在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可避免。但對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)閼?yīng)用程序和通訊功能的融合，通訊協(xié)議的參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致軟件的重新編譯和測(cè)試，這就意味著額外的時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間。

3 以協(xié)議設(shè)計(jì)為主的新方法的特點(diǎn)

　　以協(xié)議設(shè)計(jì)為主的方法通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性能。其特點(diǎn)概括起來(lái)如下：

　　3.1 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，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(jì)技術(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成優(yōu)化。通過(guò)理論設(shè)計(jì)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(wèn)題。

　　3.2 有效控制消息延時(shí)

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

　　如圖 1 所示，通過(guò)對(duì)響應(yīng)時(shí)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(shí)間、響應(yīng)時(shí)間及總線負(fù)載。然后用理論方法計(jì)算出最差情形下的延遲時(shí)間、最大的響應(yīng)值，以及總線負(fù)載。

　　由于新方法能夠計(jì)算出最大總線負(fù)載，也能有效控制系統(tǒng)延遲，因此沒(méi)有必要再對(duì)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(shì)在于保證了確定的通訊行為，可以有效地利用系統(tǒng)資源。