从控制系统的角度看未来汽车总线的需求

引言

从上世纪50年代汽车上第一次使用电子元件以来，使用在汽车上的电子元件越来越多也越来越复杂。在现在的汽车控制系统中有一种趋势，就是以通过总线来连接控制系统上的分散的分布式元器件。CAN总线以其事件触发和无损仲裁机制等优点受到广大汽车生产厂商的青睐。但是，随着汽车车身电子元件的增加，特别是新一代缆控技术(by-wire)的发展，CAN总线将逐渐无法满足其要求，这就引出了时间触发的CAN总线，即TTCAN总线。

在实际的汽车总线应用中，总线会受到很强的电磁干扰。所以，总线上的节点必须具有很好的容错(fault-tolerant )性能。这样在遇到有消息发送失败或者节点失效等故障时，总线还可以保证硬实时系统((hard real-time system)的安全性。

1未来汽车发展的要求

1.1低能耗内烘机车

除了内燃机本身的机械结构、部件原理改进使油耗降低外，控制系统的改进也是很重要的。用以保证发动机在任何时候，特别是启动、加减速、制动、怠速等过程时能够尽最大可能的省油和重复利用能源。这就要求信息的精度和重复频率提高，也就是提高传感器的性能和拓宽通讯频带。

1.2混合动力车

因为单元较多(例如分为多能源控制单元、内燃机单元、电动机单元、电池单元、辅助能源单元、仪表盘单元等)，各单元间的相互关系也较多(特别是并联混合式)。其频带占用较多，如果采取一些措施梭，目前的通讯规程(SAE J1939 )在应用层补充后也己可用，但如对控制要求较高，频带利用率已较紧张。

1.3线控车(X-by-wire)

线控车由于以线缆代替驾驶员与动力设备间的机械联系，出现了很多优点，例如控制(特别是转向和制动)轻便灵活，自动化程度高等。但是正因为用了线控技术，驾驶员只能通过“线”来控制车，安全问题就提高到了首位。其主要特点有:

?缺少了机械后援，对安全性要求高;

?传感器需要有双份冗余，关键部分甚至需 要三份，增加了通道所需容量;

?由于传感器及通道的多路化，控制系统的 判别和运算需要更多的时间。

2系统通讯的响应时间

2.1系统模型

总线上传输的消息可以分为三类:周期性，阵发性和查询消息。其中周期性消息是以时间触发的形式周期性发送的，如汽车车速为大小8 bits的消息并且每1OOm，发送一次;阵发性的消息是以事件触发的形式发送的，如钥匙开关点火；而查询消息是则主要用于诊断，平常很少使用。

下面描述一下将要用来分析的系统模型，若干个节点由TTCAN总线连接用以传输一组硬实时系统的消息。这些硬实时系统的消息是一些典型的控制信息，必须在时限之内完成否则就会造成严重的后果。在这里只考虑周期性消息和阵发性消息，消息从产生开始并被送入CPU由专门软件进行排队，经CPU处理过后经TTCAN节点送入总线排队等待，直到处理完毕。如图1所示:

2.2最坏情况下消息延时的计算

这节将讨论最坏情况下消息延时的计算，这是基于Tindell和Burns所提出的基本计算方法。这种方法是建立在未做任何信息传输优化假设基础上的，在实际的信息传输中效率会大大高于理论计算值，首先要做一些假设:

第一，一个消息m的时限不会大于这个消息的周期;

第二，如果有更高优先级的消息在等待，系统不会先处理低优先级的消息。一个帧m由CmTmJmDm所定义，其中Tm是周期，Cm是传送时间，Dm是时限，Jm是最大抖动(jitter)。分析抖动是很重要的，因为忽略了它会导致分析的不充分。排队抖动(Queuingjitter)指的是一个消息可以被列入排队队列的最长和最短时间的差值。消息排队抖动如图2所示:

最坏情况下，CAN消息的传送时间是:(2.0A)

其中τbit是物理介质比特的时间，sm是CAN帧的数据部分大小。总的传输时间是指最坏情况下的插入(stuff)和头部数目以及数据位。CAN要求在传输4个相同位后插入一个插入位。每4个相同位后插入的插入位也就成了下相同位序列的第一位。[page]

最坏情况下消息的响应时间是：

Bm指的是较低优先级的消息在最坏情况下的传送时间（这里lp(m)指比m低优先级的消息集合）。

报文在CAN总线上发送有2种情况需要等待：

(1) 有高于本报文优先度的报文要发送；
(2) 有低于本报文优先度的报文正在发送。

最长等待时间未：(hp(m)指比m高优先级的消息集合）

2.3 在传输出错情况下的响应时间

根部Burns的理论，在一个时间t范围内，只有一个突发性的错误，其长度为nerror；除了这个突发性的错误，错误的周期为Terror。我们可以将一个消息在最坏情况下的响应时间分为以下四个部分：

- 从消息触发到排队时间的最坏延时。
- 消息排队时间Qm。
- 传送时间Cm。
- 出错恢复时间EQm。

所以，一个消息的最坏延时时间可以表达为：

于是，在t时间内传输错误的数目为(nerror + |t/Terror|-1)。将其代入公式（4）则得出：

其中，E(t)为出错恢复时间EQm的函数，表示其最大的恢复时间。

3 试验及结果

要进行试验，首先要确定系统控制器最多能承受多大的延时时间及产生延时时间后系统的控制器有何不同的要求，关于延时时间的选择，参照了TTP/的Kopeiz所提出的20ms和福特汽车公司所提出的50ms。Kopetz认为汽车车身通信延迟最多不能超过20ms是基于以下两方面的考虑，一是驾驶员对他的所有操作动作都认为是立即得到响应了，而不会由于系统延时的影响使得驾驶员做出重复的误操作，二是对于传统的内燃机的最高转速而言，每个气缸的工作循环大致在20ms左右，也就是说能够在每个工作循环产生一次控制命令。关于福特公司的延时时间不超过50ms没有详细的理论叙述，我们只能认为其是来自于经验的工程实践。但是，在我们所进行的对汽车车身系统的仿真初步试验中发现，每当系统延时时间超过50ms附近时(根据各个子系统的区别大致在正负5ms之间)系统将出现振荡。

图3为响应时间过长(转速测量时间较长)而致系统发生振荡的实例。

图3 响应时间过长而导致系统振荡

3.1 试验模型

我们选取了MatLab的Simulink中提供的汽车发动机进气模型作为基础，进一步设计了控制进气的PID控制器。系统输入阶跃信号，初值为2000rpm，终值为3000 rpm。由于在较大惯性环节或滞后环节的作用下，控制器力图克服误差的作用，但其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在这个控制器中仅引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。[page]

所以，基于以上的考虑，我们决定选取延时时间为50ms来设计控制发动机进气的PID控制器，进而插入20ms延时来检查所设计PID控制器的控制效果。我们并没有采用改变扭距扰动的方法来监测系统的性能，因为扭距扰动是非线性的，而且在实际的路况中，扭距扰动是不可预知的。系统仿真的输出结果如图一4所示，从图中可以看出，加入微分环节后系统的误差得到了很好的抑制。超调量从3%下降到了1%左右，而调整时间得到了保持，仍然维持在1s之内。可以得出如果要设计一个能够很好克服延时环节的汽车车身控制器，有效的消除延时环节所引起的误差和振荡是必不可少的。

图4 仿真系统的输出

3.2 SAE J2056所载的通讯工作量

SAE技术报告J205611提出了车身网络的标准工作量，它将车身电气元件分为七个部分。分别是电池部分、汽车控制器、变速箱控制部分、仪器仪表显示部分、驾驶员输入部分、刹车部分和传动控制部分。连接这些控制部分的网络一共要传送”种消息类型，只包括周期性消息和阵发性消息两类，周期性的消息有一个固定的发送周期，可以用固定了全局时间的时间触发来实现。阵发性要求很强的时限性，比如，每个阵发性消息的响应时间必须小于20ms。

这个表所列的时间仅限于通讯所需的时间，不包括测量及运算时间、处理决策时间及处理控制时间口从响应时间应该小于20ms，出发，表上所列的关键参数的周期时间5ms是合理的。

根据该表计算，得出下述总线利用率数据:（CCAN2.0 A)

4结论

综上所述，从我们对汽车车身进气控制环节的仿真试验和根据SAC报告所述的通讯工作量的分析后，可以对于由于延时环节的引入而对汽车车身控制器的特殊要求做出了以下的判断:

（1）车身控制器的网络通讯延时不能大于50ms。如果延时大于50m;不仅会使得驾驶员产生误判断以致重复操作而且系统的控制效果也得不到有效的保证。响应时间应该适当的选取小于20ms，总线通讯的基本周期也应选择在5-10ms之间。

（2）子系统的划分要合理，功能分块与按物理位置分块兼顾(例如ABS、轮速)，以减少信息流量和安全为日的。信息尽可能“打包”，以提高信息的有效率(效率=数据长度/报文长度)。

（3）件触发的报文应尽量减少，主要是保证正常运作与安全。增加时间触发的消息相应的减少时间触发的消息有利于提高系统的可控性，同时减少了总线带宽堵塞的可能性。另外只供诊断用的信息不采用时间触发或事件触发，只提供询问。

（4）对快变信息的传感器要尽量选择较短的测量周期。

（5）有必要在控制器中引入微分控制。适当的向控制器中引入微分环节能够有效的避免误差和控制系统的振荡，从而增强控制的准确性