基于MTS的混合動(dòng)力汽車數(shù)據(jù)通信研究

尹安東， 朱云驍， 江 昊

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 引 言

混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，簡稱HEV）涉及機(jī)械、電力電子、計(jì)算機(jī)控制等多種學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品，需要大量的信息交換和處理，因此在混合動(dòng)力汽車上，控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network，簡稱CAN）總線得到了廣泛的應(yīng)用。

目前基于CAN總線的混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)的調(diào)度算法有固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法［1－2］和動(dòng)態(tài)調(diào)度算法［3－4］。固定優(yōu)先級(jí)算法通過給各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)的報(bào)文事先設(shè)定好優(yōu)先級(jí)，并按優(yōu)先級(jí)順序依次調(diào)度，該算法的實(shí)現(xiàn)最為簡單，但是犧牲了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的利用率，在整車電子系統(tǒng)不斷增加、需要傳遞和共享的數(shù)據(jù)不斷增多的情況下，已經(jīng)很難滿足實(shí)時(shí)通信要求。而動(dòng)態(tài)調(diào)度方法雖然可以提高帶寬利用率，但網(wǎng)絡(luò)中需要發(fā)送的報(bào)文過多時(shí)，所需耗費(fèi)的資源太多。因此既要滿足消息的實(shí)時(shí)性提高系統(tǒng)的帶寬利用率，又要減少系統(tǒng)資源的額外開銷，成為混合動(dòng)力汽車的CAN總線通信的難點(diǎn)所在。混合調(diào)度算法（Mixed Traffic Scheduling，簡稱MTS）綜合了固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法與動(dòng)態(tài)調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì)，有效地結(jié)合了固定調(diào)度對(duì)系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性以及動(dòng)態(tài)調(diào)度的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，既保證消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，又保證提高系統(tǒng)的帶寬利用率，因此文中將混合調(diào)度算法應(yīng)用到基于超級(jí)電容的混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中，并利用True Time仿真和硬件在環(huán)仿真的方法來驗(yàn)證。

1 CAN總線混合調(diào)度算法

1.1 混合調(diào)度算法的基本思路

在HEV的CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，常按實(shí)時(shí)性將傳輸?shù)南澐譃橛矊?shí)時(shí)消息、軟實(shí)時(shí)消息和非實(shí)時(shí)消息等3類。硬實(shí)時(shí)消息包括控制器控制信息、傳感器采樣信息及報(bào)警信息等；軟實(shí)時(shí)消息是事件通告消息，有一定的實(shí)時(shí)性；非實(shí)時(shí)性消息是一些設(shè)備的狀態(tài)信息。

混合調(diào)度算法的思想：先使用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法給硬實(shí)時(shí)消息分配優(yōu)先級(jí)；再使用固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法將軟實(shí)時(shí)消息和非實(shí)時(shí)性消息分配優(yōu)先級(jí)。硬實(shí)時(shí)消息的優(yōu)先級(jí)高于軟實(shí)時(shí)消息和非實(shí)時(shí)消息，將硬實(shí)時(shí)消息分為高速硬實(shí)時(shí)消息和低速硬實(shí)時(shí)消息。將0分配給硬實(shí)時(shí)消息標(biāo)識(shí)符的最高位，而在次高位上分別分配0和1給高速和低速硬實(shí)時(shí)消息；1為軟實(shí)時(shí)消息和非實(shí)時(shí)消息的最高位，分別將軟實(shí)時(shí)消息、非實(shí)時(shí)消息的次高位分配0和1。

1.2 截止期分區(qū)策略

常見的報(bào)文截止期分區(qū)方法有對(duì)數(shù)分區(qū)方法，但對(duì)數(shù)分區(qū)方法比較復(fù)雜繁瑣，計(jì)算量比較大。文中采用公差遞增法對(duì)截止期進(jìn)行分區(qū)，如圖1所示，T為時(shí)間。由圖1可看出，第0個(gè)時(shí)間段為b，第1個(gè)時(shí)間段為時(shí)間a，然后第n個(gè)時(shí)間段為［n（n－1）／2＋1］a。a是可以設(shè)置的，通過調(diào)節(jié)a的大小來調(diào)節(jié)截止期的長短。這種截止期分區(qū)方法對(duì)于截止期比較短的信息，劃分得比較細(xì)；對(duì)于截止期比較長的信息，劃分得比較模糊。這樣就可以滿足截止期短的信息不會(huì)分配在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，避免優(yōu)先級(jí)倒置［5］。相對(duì)于對(duì)數(shù)分區(qū)法，公差遞增法即滿足了實(shí)時(shí)性要求，也簡化了算法的復(fù)雜度。

圖1 截止期公差遞增法

1.3 分配優(yōu)先級(jí)

對(duì)按上述方法劃分的時(shí)間段，首先要保證最后一個(gè)時(shí)間段n包含總線中消息的最大截止期，即滿足：

考慮到n為整數(shù)，故需加一個(gè)時(shí)間段b來完成等式，如圖1所示。當(dāng)消息處在b這個(gè)時(shí)間段時(shí)，將它的優(yōu)先級(jí)定為0。如果硬實(shí)時(shí)消息編碼為m位，考慮到m位能表示的優(yōu)先級(jí)可能大于n，所以在時(shí)間段分為n段的基礎(chǔ)上，每個(gè)時(shí)間段又可以分為q＝［2m／n］個(gè)單元，通過對(duì)a的調(diào)整，可以使2m大于n，這樣在第i個(gè)時(shí)間段里，每個(gè)時(shí)間單元的長度為：

為求出一個(gè)消息的優(yōu)先級(jí)，需求出其所屬的時(shí)間段，再求該時(shí)間段的單元。假設(shè)它的截止期在i＋1個(gè)時(shí)間段內(nèi)，則

其中，di＝Di－Tst；di為消息的相對(duì)截止期；Di為消息的絕對(duì)截止期；Tst為每一輪仲裁開始的時(shí)刻［5］。其優(yōu)先級(jí)可以表示為：

文中對(duì)于硬實(shí)時(shí)消息，采用截止期優(yōu)先［6－7］（Earliest Deadline First，簡稱EDF）算法，當(dāng)遇到比其自身優(yōu)先級(jí)高的消息沒有發(fā)送成功時(shí)，它的截止期會(huì)隨著時(shí)間流逝而逐漸變小，同時(shí)因?yàn)榻刂蛊诘牟粩嘧冃?，?huì)使優(yōu)先級(jí)不斷地變高，從而最后得以發(fā)送出去。

而對(duì)于軟實(shí)時(shí)消息和非實(shí)時(shí)消息采用截止期單調(diào)（Deadline Monotonic，簡稱DM）算法，按照所對(duì)應(yīng)的截止期區(qū)間對(duì)其分配優(yōu)先級(jí)，并一直保持這個(gè)優(yōu)先級(jí)不變。

2 CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)先級(jí)分配

CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前最多可以達(dá)到110多個(gè)，完全可以滿足現(xiàn)階段混合動(dòng)力汽車控制總線的要求。設(shè)計(jì)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)－超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)總成網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 動(dòng)力總成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔磳?shí)時(shí)性分類［8］，見表1所列。

表1 HEV總線各節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的分類

對(duì)于硬實(shí)時(shí)消息，見表2所列，其29位標(biāo)識(shí)符分配為：前2位表示消息類型，考慮到動(dòng)力總成中硬實(shí)時(shí)信息的個(gè)數(shù)為15，故取5位作優(yōu)先級(jí)表示位；再取7位做截止期編碼位，余下的標(biāo)識(shí)符位前7位表示目的地址，中間1位保留位，后7位表示源地址。在每一輪仲裁后，硬實(shí)時(shí)消息根據(jù)其截止期長短重新分配優(yōu)先級(jí)。而軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)消息采用固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度，其優(yōu)先級(jí)不隨系統(tǒng)運(yùn)行而變化，它的29位標(biāo)識(shí)符分配為：前2位表示消息類型，后8位表示其優(yōu)先級(jí)，再取14位為目的地址和源地址，余下5位為保留位。

表2 29位標(biāo)識(shí)符的分配

在分配初始優(yōu)先級(jí)時(shí)，應(yīng)先總結(jié)出所有消息的截止期，再通過公差遞增法求出每個(gè)消息的初始優(yōu)先級(jí)。分別分配主控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、電機(jī)控制器及電容控制器地址為0111100、100 0110、1010000、1011010，則幾類消息的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)符編碼方式示例，見表3所列。

表3 HEV動(dòng)力系統(tǒng)總成編碼

3 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證新的截止期分區(qū)策略所設(shè)計(jì)的MTS算法的合理性，利用Matlab／Simulink下的True Time工具箱，建立上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定CAN總線的波特率為250 kb／s。使用DM算法和MTS算法時(shí)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度如圖3所示。其中，縱坐標(biāo)表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號(hào)，分別表示主控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、電機(jī)控制器和電容控制器。

圖3中，低信號(hào)表示閑置狀態(tài)，高信號(hào)表示發(fā)送狀態(tài)，中間信號(hào)表示該報(bào)文處于等待狀態(tài)。

由圖3可以看出，使用MTS調(diào)度時(shí)，報(bào)文需要等待的時(shí)間比DM算法大大減少，可以保證報(bào)文在其截止期內(nèi)順利完成傳輸，有效地避免了錯(cuò)誤幀的產(chǎn)生。

圖3 不同算法調(diào)度圖

為了驗(yàn)證基于公差遞增法的MTS算法的可行性，采用基于dSPACE硬件在環(huán)［9］仿真試驗(yàn)來檢測(cè)該算法后的CAN報(bào)文幀發(fā)送情況。文中控制芯片選用MC9S12XDT512，片內(nèi)集成CAN2.0A／B控制器，收發(fā)器采用CTM1050，用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的通信。結(jié)合實(shí)時(shí)模擬和真實(shí)CAN總線，以整車HEV為模型，通過PC機(jī)和USBCAN監(jiān)測(cè)整車實(shí)驗(yàn)工況下性能和CAN的收發(fā)數(shù)據(jù)情況來驗(yàn)證系統(tǒng)［10］。系統(tǒng)仿真初始參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為162 k W、電動(dòng)機(jī)額定功率為45 k W。分別使用DM算法和MTS算法調(diào)度報(bào)文，仿真得出錯(cuò)誤幀所占報(bào)文的比例，如圖4所示。

圖4 不同算法錯(cuò)誤幀比例

由圖4可見，使用DM算法時(shí)，待發(fā)送的報(bào)文由于需要等待的時(shí)間過長，導(dǎo)致該報(bào)文不能在其截止期內(nèi)完成傳送，從而導(dǎo)致過多的錯(cuò)誤幀出現(xiàn)；而使用MTS調(diào)度時(shí)，待發(fā)送的報(bào)文需要等待的時(shí)間大大縮短，錯(cuò)誤幀的出現(xiàn)明顯減少?？梢钥闯?，使用MTS調(diào)度算法的CAN總線工作穩(wěn)定、可靠，能夠正常地完成數(shù)據(jù)通信工作，滿足混合動(dòng)力汽車實(shí)時(shí)控制要求。

4 結(jié)束語

由于HEV多能源管理的復(fù)雜性，對(duì)整車的數(shù)據(jù)通信的控制變得尤為重要，文中基于對(duì)HEV的CAN總線報(bào)文調(diào)度分析，采用一種公差遞增法對(duì)截止期進(jìn)行分區(qū)，從而為混合調(diào)度算法中的報(bào)文優(yōu)先級(jí)劃分提供支持。

采用True Time仿真和硬件在環(huán)仿真的方法來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于MTS的混合動(dòng)力汽車CAN總線數(shù)據(jù)通信可行性，結(jié)果表明，所采用的混合調(diào)度算法應(yīng)用性強(qiáng)，能夠滿足整車CAN數(shù)據(jù)通信總線的需求。

［1］ 崔 煒，龐彥斌.調(diào)度通信在CAN總線中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005（9）：27－29.

［2］ 田 靜，黃亞樓.CAN總線固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程，2006，32（23）：94－96.

［3］ 王躍飛，張偉偉，嚴(yán) 剛，等.CAN消息的動(dòng)態(tài)調(diào)度截止期選取研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（5）：644－646，651.

［4］ Zuber I K M，Shin K G.Design and implementation of efficient message scheduling for controller area network［J］. IEEE Transactions on Computers，2000，49（2）：182－188.

［5］ 王書舉，張?zhí)靷b，張國勝.采用混合調(diào)度策略的電動(dòng)汽車TTCAN網(wǎng)絡(luò)［J］.汽車工程，2010，32（11）：993－996.

［6］ Fuster S，Rodriguez F，Bonastre A.Software－based EDF message scheduling on CAN Networks［C］／／Proceedings of the Second International Conference on Embedded Software and Systems，2005：450－455.

［7］ Zhang Fengxiang，Burn S A.Schedulability analysis for realtime systems with EDF scheduling［J］.IEEE Transactions on Computers，2009，58（9）：1250－1258.

［8］ 黃森仁，宋建峰.混合動(dòng)力汽車CAN總線通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［C］／／安徽汽車工程學(xué)會(huì)2010學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2010：669－675.

［9］ 荊新超，敖國強(qiáng).混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2006（6）：20－23.

［10］ 趙 韓，姜建滿.國內(nèi)外電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（7）：961－965，971.