车用CAN网络实时性与可靠性研究

随着汽车电子的发展,各部件之间通信量的增大,对汽车现场总线的实时性和可靠性方面提出了更高的要求。CAN总线在设计之初具有良好的实时性和可靠性,使其在汽车电子系统中得到广泛的应用。但随着网络总线负载的增加,CAN协议静态优先级分配策略和仲裁机制会导致网络节点传输延迟增大,系统实时性和可靠性下降。 车用CAN网络实时性方面,本文结合车用CAN网络特点,在数据链路层分析了网络负载对CAN网络实时性的影响；借助控制网络的相关理论和评价指标研究车用CAN网络的实时性问题,通过建立数学模型推导出CAN网络传输数据帧的平均等待时间与网络负载率的函数关系,得出结论当网络负载率大于0.9时,CAN总线上数据帧的平均等待时间接近无穷大。车用CAN网络的可靠性方面,引入可靠度函数比较了总线形、环形和冗余环形三种总线拓扑结构的可靠度。其中冗余形总线拓扑结构的可靠度最高。为了提高车用CAN网络的实时性与可靠性,本文提出了针对车用CAN网络的优化设计方案。优化设计方案分为两个方面,一是将车用CAN网络上周期性数据节点组成一个高速CAN网络,将事件型数据节点组成低速CAN网络。这样可以有效降低总线负载,提高总线数据传输的实时性,并且采用控制器级别的冗余设计来提高整个网络的可靠性。二是在高速CAN网络上采用时分复用TTCAN协议,消除仲裁机制对系统实时性的影响。低速CAN网络上采用动态优先级管理机制。最后选用TI公司的TMS320LF2407A芯片和MICROCHIP公司的MCP2515芯片,研究了TTCAN协议的实现方法,完成TTCAN协议节点的设计,并对比不同网络负载环境下传统CAN总线与本文中所提出的优化设计方案在实时性和可靠性方面的差别。通过分析实验数据发现,在网络负载率大于0.6时,TTCAN协议总线的延时远小于传统CAN总线的传输延时。在相同网络误码率下,冗余总线的可靠运行时间比非冗余总线的可靠运行时间增加了近一倍。 通过在DSP芯片上实现本文中所提出的方案,说明方案在技术上的可行性。通过实验验证本文所提方案在大网络负载条件下,实时性和可靠性方面性能优于传统CAN总线,基本达到预期效果。