使用TrueTime工具箱對CAN和FlexRay的理論和實踐進行分析

摘要

在汽車系統中，通過局域網(LIN)、控制器局域網(CAN)、FlexRay、以太網等通信網絡進行控制已成為必然。雖然它們的引入帶來的優勢值得實施，但也有一些缺點。它們對控制系統的性能和穩定性的不利影響必須經過認真的分析和設計，以提出控制結構和補償方法的架構。

因此，本文提出了對汽車領域中兩個最常用的通信網絡，即CAN和FlexRay的理論和實踐分析。理論分析解決了這兩個網絡最重要的特性，簡要地描述了它們的優點和缺點。使用Matlab的TrueTime工具箱對CAN和FlexRay通信網絡對汽車動力系統的控制性能所引起的時變延遲進行了實際分析。

為了進行比較分析，設計并實施了一個預測控制器，結果表明，即使在兩個通信網絡引起時變延遲的情況下，所獲得的性能也不會下降。

I.簡介

現代汽車包括機械系統（電機、變速器、轉向柱）、電子和數字組件（電子控制單元、傳感器和執行器、數字通信網絡）和軟件應用（嵌入式操作系統、功能）[1]。在車輛的電子系統出現之前，這些部件之間的通信是用機械或液壓系統進行的。但是，現在，通信網絡有一個重要的作用，因為車輛是分層組織的，數據分布在分散的控制網絡上[2]。

因此，其運作基本上取決于不同地點的某些組件之間的協作。網絡控制系統的主要特點是在不同的組件（控制器、傳感器、執行器）之間信息的交換，例如，傳感器測量值、控制信號，因此，與傳統的控制系統相比，這種類型的系統具有更大的靈活性和更高的可靠性。

然而，由于主要的缺點，即時變的延遲和數據包的丟失，可能會出現一些問題[3]。因此，在本文中，既對車輛控制結構中使用的通信網絡（控制器區域網絡 - CAN和FlexRay）進行了理論分析，也對引入這些網絡對控制系統性能的影響進行了實際分析。

在理論分析中，最常用的通信網絡，控制系統通過它來交換信息，即：對CAN和FlexRay進行了簡要的描述，并說明了它們的優點和缺點。CAN總線允許車輛中的微控制器在不需要網絡主機的情況下進行相互通信[4]。

目前，一輛標準汽車有幾十個微控制器，它們通過CAN總線相互通信。諸如 "線控轉向 "或 "線控剎車"等 "X-by-wire "系統需要一個具有穩定通信、容錯和高速數據傳輸的協議。寶馬、戴姆勒、飛利浦和飛思卡爾之間的合作對這些要求作出了回應，產生了FlexRay協議[5]。在未來，汽車制造商考慮使用以太網作為強大的后備技術，能夠傳輸來自CAN以及其他總線子系統的流量[6]。

在對車輛控制結構中使用的通信網絡的實際分析中，重點是動力系統和用于各組成部分之間信息傳輸的協議（CAN和FlexRay）。對于動力系統，使用了具有兩個慣性質量的模型，一個慣性對應于發動機、變速箱和差速器，另一個對應于車輛和車輪的質量?；谶@個模型，設計并實施了狀態空間預測控制器，并測試了幾個網絡控制的案例，目的是觀察網絡引起的缺陷帶來的的負面影響，即：時間變化的延遲和數據包丟失。

使用TrueTime工具箱（用于Mat- lab/Simulink）[7]對動力系統中使用的通信網絡進行了分析。選擇這個工具箱進行仿真，是因為它提供了一個真實的環境來測試汽車網絡化控制系統。

II. 汽車聯網控制結構

一輛汽車是基于許多電子設備（子系統），如先進的安全系統、動力總成控制模塊、傳感器和診斷工具。這些子系統經過多年的發展，依賴于新網絡技術提供的各種通信服務。因此，現代汽車中的這些系統是分層組織的，并分布在一個具有分散控制的通信網絡中。

網絡控制系統的主要特點是信息的交換，例如，傳感器測量值、控制信號，在不同的組件（控制器、傳感器、執行器）之間。本文重點討論用于傳輸以下系統信息的通信網絡：發動機控制、變速器控制、ABS（防抱死制動系統）、X-by-wire、VDC（車輛動力學控制系統）。

隨著新型汽車的發展，出現了幾十種控制系統，從安全氣囊、制動系統、照明系統到多媒體系統。然而，當有人提到車輛的計算機時，肯定指的是發動機控制單元（ECU）。

ECU，也稱為發動機控制模塊（ECM），控制內燃機上的一些執行器，以優化發動機性能。發動機控制模塊決定節流閥的角度，需要注入氣缸的燃料量，以及火花塞點亮的時間。在許多車輛中，該控制器還調節電力的分配，確保車載診斷，并與其他一些車輛系統進行通信，以分配從不同傳感器獲得的信息。

ECM從各種模擬傳感器中獲取數據，將這些信息數字化并用于計算最佳發動機設置。這些計算的結果被轉換為執行器的設置，模塊的數字和模擬輸出被用來驅動這些執行元件。如果發動機控制功能和變速器控制功能合并在同一個模塊中，該模塊被稱為動力總成控制模塊（PCM）。

今天的ECM一般使用32位微控制器，有幾兆字節的內存，時鐘速度在32MHz和100MHz之間。一般來說，它們使用CAN、FlexRay或LIN總線接口與其他電子模塊通信。車輛聯網控制結構的通信要求在很大程度上取決于使用該網絡的子系統?，F在，有幾種協議被用來滿足各種通信要求，包括[9]：

● 容錯性- 通信系統的建立是為了接受某些錯誤，基于冗余的硬件和軟件架構；此外，它們還應該提供防錯保護；

● 確定性 - 確定性通信系統提供有關實際情況的保證，即它允許知道某一信息的確切傳輸時間；

● 帶寬--最新的車輛通信技術提供了足夠大的帶寬，使新的車輛子系統能夠以高度的系統集成方式一起工作；

● 靈活性--這可以看作是在不同時間段管理由某些事件引發的消息的能力，網絡負載的程度，消息流的數量，網絡的可擴展性和可延伸性；

● 安全性--當通信可以從車輛系統外部訪問時，例如通過診斷工具或無線連接，必須確保系統的安全性。

III.車輛通信網絡的理論分析

汽車行業使用的通信協議主要根據數據傳輸速度進行分類。美國汽車工程師協會（SAE）將汽車應用分為A、B和C三類，對實時性和可靠性約束的重要性依次增加[10]。

A.控制器區域網絡 CAN是一個硬件和軟件的通信協議，最初由羅伯特-博世公司在1983年為汽車網絡開發[11]。CAN總線使用專門設計的雙絞線，以便在有電磁噪聲的環境中提供穩定性。CAN協議的主要應用是在汽車行業，包括發動機控制、變速器控制、車身控制和車載診斷。

CAN總線也出現在其他分布式控制應用中，如工廠自動化、建筑自動化和航空航天系統[12], [13]。CAN總線允許車輛中的微處理器進行相互通信，而不需要網絡主機。目前，一輛標準的汽車有幾十個微控制器，它們通過CAN總線相互通信，其特性見表一。

根據數據傳輸速度的不同，CAN協議被劃分為：CAN高速（HS）和CAN低速（LS）。CAN HS的數據傳輸速度在125 Kbps和1 Mbps之間。由于數據傳輸速度高，它主要用于發動機、變速箱和主動安全系統（防抱死制動系統 - ABS，電子穩定程序 - ESP）。CAN LS的傳輸速率在40到125Kbps之間。CAN LS協議的優點是可以容錯：如果兩條線中的一條中斷了，則在一條線上進行通信。這種類型的CAN協議主要用于集中鎖定和固定器，由于操作和故障狀況。

CAN提供了一個廉價和可持續的網絡，有助于將多個設備相互連接。與系統中每個設備的許多模擬和數字輸入相比，電子控制單元可以有一個單一的CAN接口，這就是優勢。

這降低了成本，也降低了車輛的總重量。網絡上的每個設備都有一個CAN控制器，它允許設備觀察所有傳輸的信息，它可以決定一個信息是否相關或應該被屏蔽。這種結構允許以最小的影響對CAN網絡進行修改。

網絡中傳輸的每個消息都有一個優先級的特征。如果兩個節點試圖同時傳輸一個消息，那么優先級較高的消息將被傳輸，而優先級較低的消息將被延遲。這種仲裁是非破壞性的，并導致具有最高優先級的信息的連續傳輸。這也使網絡具有確定性的特點。

CAN包括一個循環冗余碼（CRC）來檢查每個幀的內容是否有錯誤。錯誤幀會被所有節點忽略，可以傳輸一個錯誤幀來報告網絡中的這個錯誤。全局和局部錯誤由控制器區分，如果檢測到過多的錯誤，個別節點可以停止錯誤的傳輸，或者完全從網絡中斷開連接。

從物理角度來看，CAN協議包含一條由兩根雙絞線組成的總線，以及包含一個集成收發器（CAN收發器）的計算機。傳輸信息的電線是扭曲的，以消除任何電磁干擾。集成的發送和接收電路將接收信息的功能與發送的功能結合在同一個組件中。CAN收發器的電壓為3-5V，其作用是將總線上的電壓轉換為數字信號，反之亦然。

最大的總線長度可以是250米（CAN HS）或50米（CAN LS）?？梢赃B接到總線上的計算機的數量取決于速度和要傳輸的參數的數量。一個CAN網絡可以支持多達50臺互連的計算機。在總線的兩端包括大約120Ω的電阻，以增加網絡阻抗，從而消除信號的 "反射 "現象。

B.FlexRay 諸如 "線控轉向 "或 "線控剎車"等 "X-by-wire "系統需要一個具有穩定通信、容錯和高速數據傳輸的協議。寶馬、戴姆勒、飛利浦和飛思卡爾之間的合作對這些要求作出了回應，產生了FlexRay協議[5]。FlexRay協議的首次實施是在2006年，用于寶馬X5的自適應懸掛。該協議的工業化是在2008年在新的寶馬7系上實現的。

FlexRay是一種用于車輛的網絡通信協議，被構建為確定性和容錯總線系統。它是由FlexRay聯盟與領先的汽車制造商合作開發的。FlexRay為先進的通信系統分配高速控制，采用雙通道架構，實現系統級冗余。

FlexRay是基于用于連接設備節點的非屏蔽雙絞線而設計的，在惡劣條件下具有高性能。

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支持單信道或雙信道通信區分，旨在減少噪聲對系統的影響而不增加成本。雙通道FlexRay系統通常用于提高總線和ECU的容錯性。FlexRay的拓撲結構包括：多跳總線、星形和混合型。多跳總線的拓撲結構與CAN和LIN系統相同，使用一條總線同時連接多個處理器。

星形網絡的拓撲結構由幾個電子控制單元連接到一個中央活動節點組成；這很有用，因為如果一個設備被斷開，其他設備繼續工作?；旌暇W絡的拓撲結構是前兩種的結合：這種模式結合了其他兩種模式的可靠性和成本效益優勢，很可能是FlexRay技術的未來[5]。

FlexRay技術的一些優勢是高速通信、容錯性和上面介紹的多功能系統方案（更多細節見表一中介紹的最重要特性）。盡管FlexRay可能更昂貴，但它最終可以通過減少車輛中平行CAN網絡的數量來降低通信網絡的成本。

IV.車輛通信網絡的實際分析

在對車輛控制結構中使用的通信網絡的實際分析中，重點是動力系統控制和使用的協議，即CAN和FlexRay，在組件之間傳輸信息。對于動力系統，使用了一個雙引擎模型。使用Matlab/Simulink的TrueTime工具箱[7]，對用于從發動機到車輪的動力傳輸的通信網絡進行了分析。該工具箱被用作仿真媒介，因為它為實時網絡控制系統提供了一個現實的方法。

A.動力系統模型 汽車動力系統是將發動機的動力傳遞給驅動輪的機械系統。目標是通過減少振動振蕩來提高舒適性，這可以通過適當的動力傳輸控制來實現。為此，需要一個合適的模型來設計控制器，它必須滿足兩個要求：它應該足夠復雜，以捕捉動力傳輸系統的基本動態，當車輛動力傳輸控制系統[14]發生延遲時，它應該通向一個可延展的問題。近年來，文獻中提出了許多模型，包括有兩個慣性質量的模型：一個是對應于發動機和變速箱的慣性，另一個是對應于車輛和車輪的質量。

動力系統的離散時間模型由[14]給出

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其中，xk∈Rn，n∈N是系統狀態，包括發動機轉速、車輪轉速和傳動軸的扭矩，uk∈Rm由發動機扭矩作為指令表示，k∈Z+是離散時間指數，

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B.MPC 設計

模型預測控制設計方法基于退行地平線原理[15]，[16]。因此，從初始狀態x = x(k)開始，目標是計算一個控制序列{u0 , u1 , . . . , uN -1 } 使成本函數在一定范圍內最小化，



并執行第一條控制指令 u0。(3)中的參數被定義為：N 是預測范圍， xi , i = 1, . . . , N是預測狀態，xss ＆ uss 是使用基于系統模型的參考發生器計算的狀態和輸入的穩態值，P, Q 和 R是適當尺寸的權重矩陣，用于懲罰最終狀態、中間狀態和控制命令。最佳控制序列被定義為：

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預測控制法由先前計算出的最優序列中的第一個控制指令表示

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對于所考慮的過程，選擇了以下參數：N = 3, P = Q = I3 and R = 2,其中I3代表三階的身份矩陣，產生控制規律

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其中 KMP C = (_0.0689 _ 0.0595 3.171). C.TrueTime的實現 為了通過通信網絡實現控制器結構，類似于[14]中的結構，使用了Matlab/Simulink的TrueTime工具箱。這個工具箱有利于模擬控制器的實時任務，通過通信網絡傳輸信息，同時使用動態過程作為物理工廠[7]。TrueTime模塊作為常規Simulink模塊被連接起來，形成一個實時系統。

在運行模擬之前，有必要初始化核心和網絡塊，并為模擬創建任務、事件、監視器等。TrueTime網絡塊模擬了對環境的訪問和本地網絡的數據包傳輸。當一個節點試圖傳輸信息時，一個觸發信號被發送到相應輸入通道的網絡塊。當模擬消息傳輸完成后，網絡塊向對應于接收節點的輸出通道發送一個新的觸發信號。傳輸的消息被放置在接收節點的緩沖區內。

其中 KMP C = (_0.0689 _ 0.0595 3.171). 利用雙慣性動力系統模型和預先確定的控制器，對控制系統中控制器-執行器和傳感器-控制器之間的通信進行了仿真分析。其目的是觀察網絡引入的負面效應，以及它們對由時間變化的延遲引起的系統的影響。

為此，引入了一個額外的節點，稱為干擾節點；它在一定的時間間隔內向自己發送消息，具有加載網絡的效果。干擾節點傳輸的消息的大小在 [min frame size, min frame size+800]范圍內, 其中min frame size 表示在特定通信網絡上傳輸的消息的最小大小。為了模擬動力系統，可以包括以下內容：CAN和FlexRay。對于其中的每一個，系統的行為是根據各自網絡的負載水平來分析的。作為系統輸出的參考，即車輪速度，考慮了30rad/s的角速度。

在使用CAN和FlexRay通信網絡分析車輛動力系統時，使用了表二中的參數。

D.比較結果

1) 基于CAN的結果：如前所述，干擾節點通過向自己發送消息來加載網絡。

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網絡負載級別可以通過參數設置，取值范圍為[0,1]，表示0%到100%之間的負載。當網絡負載達到10%時，系統性能與不包括通信網絡的系統性能相似，即超調量 σ = 0 ，車輪角速度響應時間 tr = 8.86s(見圖3)。從40%的負載水平可以觀察到穩定狀態下的小幅振蕩，這是由網絡延遲決定的。將負載水平分別提高到70%，98%，震蕩變得更加頻繁，但性能幾乎保持不變。

在圖2中的控制指令（發動機扭矩）的圖示上可以非常容易地觀察到這些振蕩，它達到了120 Nm的飽和值，這正是由于網絡上傳輸的信息的延遲，干擾節點阻塞了網絡，也是由于從傳感器到調節器的信息傳輸。沒有及時到達的傳感器信息會導致計算出錯誤的控制指令。

對于等于40%的網絡負載，在圖3中可以看到，對應于第三狀態x3的傳感器節點和控制器節點之間的傳輸，大部分延遲都在[0.0005, 0.004]秒的區間內，最大達到0.013秒。對于控制器節點和執行器節點之間的傳輸，大部分延遲都在（0，0.005）秒的區間內，最大為0.0138秒（圖4所示）。

2) 基于FlexRay的結果：

到90%的網絡負載時，系統性能與不包括通信網絡的結果相似，即超調σ=0，響應時間tr=8.86秒（見圖5）。從94%的負載水平開始，性能受到輕微影響，導致超調σ=0.26%，響應時間tr=7.71秒。進一步增加負載水平，觀察到響應時間的逐漸減少和過沖的增加，因此對于96%的負載水平值，獲得的性能是：σ=0.8%和tr=7.12秒。

對于98%的負載水平，過沖值達到σ=1.73%，響應時間tr=6.85秒。超調的增加和響應時間的減少是網絡延遲的原因，使控制指令更難達到穩定狀態值，在更長的時間內保持較大的數值（見圖6）。

對于94%的網絡負載水平，用圖形表示了反饋路徑和前向路徑的網絡延遲值以及延遲發生的數量。在圖7中可以看到，對應于第三狀態x3的傳感器節點和控制器節點之間的傳輸，大部分延遲出現在[0.0017, 0.008]秒的區間，達到最大值0.0095秒。對于控制器節點和執行器節點之間的傳輸，大多數延遲值被發現在[0.001, 0.0109] s的范圍內，其最大值為0.0197 s（見圖8）。

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V.總結

在本文中，貢獻有兩個方面。首先，進行了與車輛控制結構中使用的通信網絡（CAN和FlexRay）有關的理論分析；該分析詳細介紹了每個網絡的特性、優勢和劣勢。其次，進行了實踐部分，其中重點是動力系統和用于在網絡化控制結構節點（即控制器、傳感器、執行器）之間交換信息的通信協議。一個具有兩個慣性質量的模型被用于動力系統，以設計一個狀態空間預測控制器。對測試通信網絡在不同網絡負載水平(由干擾節點給出)下得到的系統響應進行了比較。我們發現，即使延遲發生的頻率和幅度很高，控制器在測試的情況下也能獲得非常好的性能。

審核編輯：劉清