檀庭躍 車長(zhǎng)發(fā)

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波315336）

主題詞：總線設(shè)計(jì) 時(shí)間模型 實(shí)時(shí)傳輸

1 介紹

近年來，隨著汽車電子系統(tǒng)復(fù)雜度的提升，由于某任務(wù)的執(zhí)行或報(bào)文的傳輸沒有在特定的時(shí)間內(nèi)完成而造成的系統(tǒng)功能性故障或較差的用戶體驗(yàn)愈發(fā)普遍，由此，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求的滿足正得到越來越多的關(guān)注[1]。產(chǎn)品上出現(xiàn)了諸如Symtavision等專注于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)間特性解決方案的開發(fā)工具，但這些工具沒有對(duì)總線設(shè)計(jì)的時(shí)間模型分析方法做出更詳細(xì)的說明，對(duì)于汽車電子總線設(shè)計(jì)人員來說不夠清晰。筆者從事總線設(shè)計(jì)開發(fā)工作十余年，在理論分析的基礎(chǔ)上，借鑒了Symtavision及Mentor VSA工具的模型開發(fā)思路，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間模型分析方法做出了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證開發(fā)工作，結(jié)果表明在最差響應(yīng)時(shí)間的情況下，滿足對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)的需求。

2 時(shí)間模型時(shí)延分析

汽車電子系統(tǒng)的時(shí)延是指在ECU、總線和系統(tǒng)級(jí)不同層面完成實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能所需要的時(shí)間，包括如下3個(gè)主要方面。

（1）端到端的延遲，系統(tǒng)狀態(tài)量的檢測(cè)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間；

（2）發(fā)送端延遲，狀態(tài)量檢測(cè)到ECU應(yīng)用層數(shù)據(jù)的更新；

（3）接收端延遲，ECU應(yīng)用層接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理響應(yīng)的時(shí)間。

在實(shí)際開發(fā)中，遠(yuǎn)比這些時(shí)延分析參數(shù)復(fù)雜，需要考慮網(wǎng)關(guān)及ECU底層傳輸延遲因素，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)時(shí)間可分段肢解并在數(shù)據(jù)上可量化，最終滿足功能開發(fā)的時(shí)間要求，并增加用戶對(duì)車輛功能響應(yīng)的時(shí)間要求。本文對(duì)此進(jìn)一步論述，如圖1所示，TPL表示發(fā)送端延遲，TBT表示數(shù)據(jù)在總線傳輸前的等待時(shí)間，TBD表示數(shù)據(jù)在總線通道上的傳輸時(shí)間，TAR表示數(shù)據(jù)在ECU底層的接收時(shí)間，TACD表示通訊允許的延遲時(shí)間，TSL表示接收端的延遲時(shí)間，TMA表示允許的最大延遲。這樣就通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)定義最大允許的功能延遲來設(shè)計(jì)通訊允許的時(shí)間及報(bào)文周期。

圖1 端對(duì)端時(shí)間模型分析[2]

3 時(shí)間模型定義指導(dǎo)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及汽車總線協(xié)議傳輸需求，本文提出的時(shí)間模型分析方法，梳理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的時(shí)間參數(shù)[2]，將發(fā)送延遲TPL/接收延遲TSL/允許的最大延遲TMA參數(shù)加入時(shí)間模型分析；系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以按照允許的最大延遲TMA計(jì)算通訊允許的延遲TACD，TMA=TACD+TPL+TSL；在最差響應(yīng)情況下，TBT=TBD=TAR，時(shí)間模型定義的推薦值如表1所示，并可通過開發(fā)工具進(jìn)行檢查，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并給出一致性檢查錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，及時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)修正錯(cuò)誤。

表1 時(shí)間模型定義推薦值 ms

4 時(shí)間模型分析案例

假設(shè)某功能所需要的最大延遲為100 ms，設(shè)計(jì)TPL和TSL均為15 ms，且都通過CAN傳輸，如圖2所示。時(shí)間模型分析方法步驟如下。

（1）由于是跨兩個(gè)網(wǎng)段傳輸，首先需要確定網(wǎng)段的延時(shí)時(shí)間；

（2）TACD=TMA-(TPL+TSL)-TGD=100 ms-15 ms-15 ms-5 ms=65 ms，其中TGD表示網(wǎng)關(guān)延遲，一般按5 ms計(jì)算；

（3）由于兩個(gè)網(wǎng)段均為CAN網(wǎng)段傳輸，則源網(wǎng)段TACD=30 ms，目標(biāo)網(wǎng)段TACD=35 ms；

（4）考慮ECU底層任務(wù)處理5 ms以及抖動(dòng)1 ms，因此源網(wǎng)段報(bào)文周期和總線仲裁時(shí)間共24 ms，目標(biāo)網(wǎng)段為29 ms，其中報(bào)文仲裁時(shí)間取決于報(bào)文周期及報(bào)文ID，這是CAN傳輸協(xié)議決定的；

（5）目標(biāo)網(wǎng)段和源網(wǎng)段報(bào)文傳輸周期取均衡值20 ms是滿足功能所需要的最大延遲需求的。

圖2 時(shí)間模型分析案例

5 結(jié)語

（1）清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾在北京汽車工程學(xué)會(huì)2005學(xué)術(shù)年會(huì)[3]中對(duì)CAN總線通信響應(yīng)時(shí)間模型進(jìn)行了充分了理論研究和仿真驗(yàn)證，計(jì)算出目前CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議下的延遲響應(yīng)時(shí)間，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型。同時(shí)，Jong Man Jeon等作者在IEEE期刊[4]也提供了基于CAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)分析方法。這為后續(xù)研究提供了思路，本文提出的時(shí)間模型分析方法基于吉利車型項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)功能響應(yīng)的最大延遲時(shí)間需求及發(fā)送端延遲、接收端延遲等參數(shù)，綜合考慮應(yīng)用提出時(shí)間模型方法，合理設(shè)計(jì)網(wǎng)段報(bào)文傳輸周期，解決某特定任務(wù)不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)而造成極差的用戶體驗(yàn)問題。

（2）本文提出的時(shí)間模型分析方法可推廣到其它主機(jī)廠的通訊設(shè)計(jì)中，利用合適的工具鏈進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，完成時(shí)間模型所需的延遲參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足通訊延遲的設(shè)計(jì)要求。

（3）總體來說，總線負(fù)載率并不是時(shí)間模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的因素。但對(duì)于總線設(shè)計(jì)人員來說，需要保證最苛刻（Worst case）情況下的時(shí)間延遲要求，需要總線設(shè)計(jì)人員利用合理的工具進(jìn)行分析，評(píng)估總線負(fù)載率，從而優(yōu)化報(bào)文優(yōu)先級(jí)及報(bào)文周期定義以保證時(shí)延需求。

（4）本文的時(shí)間模型分析方法經(jīng)過車型項(xiàng)目驗(yàn)證，是符合當(dāng)前復(fù)雜汽車電子系統(tǒng)對(duì)總線通訊響應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)性及可靠性要求的。經(jīng)過車型項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)用，該方法在內(nèi)部得到進(jìn)一步推廣，當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員及總線設(shè)計(jì)人員均對(duì)此方法靈活應(yīng)用，各參數(shù)設(shè)計(jì)在最差響應(yīng)時(shí)間的情況下，滿足對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)的需求。

（5）本文對(duì)時(shí)間模型分析方法的應(yīng)用，對(duì)其它類型總線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用同樣具有極高的參考價(jià)值。