汽車電子系統(tǒng)總線設(shè)計的時間模型應(yīng)用

檀庭躍 車長發(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 時間模型 實時傳輸

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)行或報文的傳輸沒有在特定的時間內(nèi)完成而造成的系統(tǒng)功能性故障或較差的用戶體驗愈發(fā)普遍，由此，對系統(tǒng)實時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等專注于嵌入式實時系統(tǒng)時間特性解決方案的開發(fā)工具，但這些工具沒有對總線設(shè)計的時間模型分析方法做出更詳細的說明，對于汽車電子總線設(shè)計人員來說不夠清晰。筆者從事總線設(shè)計開發(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，對系統(tǒng)設(shè)計時間模型分析方法做出了進一步的設(shè)計及驗證開發(fā)工作，結(jié)果表明在最差響應(yīng)時間的情況下，滿足對系統(tǒng)實時傳輸信號的需求。

2 時間模型時延分析

汽車電子系統(tǒng)的時延是指在ECU、總線和系統(tǒng)級不同層面完成實時系統(tǒng)功能所需要的時間，包括如下3個主要方面。

（1）端到端的延遲，系統(tǒng)狀態(tài)量的檢測到執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時間；

（2）發(fā)送端延遲，狀態(tài)量檢測到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)并進行處理響應(yīng)的時間。

在實際開發(fā)中，遠比這些時延分析參數(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)計的任務(wù)時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)的時間要求，并增加用戶對車輛功能響應(yīng)的時間要求。本文對此進一步論述，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間，TBD表示數(shù)據(jù)在總線通道上的傳輸時間，TAR表示數(shù)據(jù)在ECU底層的接收時間，TACD表示通訊允許的延遲時間，TSL表示接收端的延遲時間，TMA表示允許的最大延遲。這樣就通過系統(tǒng)設(shè)計定義最大允許的功能延遲來設(shè)計通訊允許的時間及報文周期。

圖1 端對端時間模型分析[2]

3 時間模型定義指導(dǎo)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求及汽車總線協(xié)議傳輸需求，本文提出的時間模型分析方法，梳理系統(tǒng)設(shè)計需要的時間參數(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)加入時間模型分析；系統(tǒng)設(shè)計人員可以按照允許的最大延遲TMA計算通訊允許的延遲TACD，TMA=TACD+TPL+TSL；在最差響應(yīng)情況下，TBT=TBD=TAR，時間模型定義的推薦值如表1所示，并可通過開發(fā)工具進行檢查，驗證系統(tǒng)設(shè)計錯誤，并給出一致性檢查錯誤數(shù)據(jù)，及時在系統(tǒng)設(shè)計時修正錯誤。

表1 時間模型定義推薦值 ms

4 時間模型分析案例

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

（1）由于是跨兩個網(wǎng)段傳輸，首先需要確定網(wǎng)段的延時時間；

（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計算；

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

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

（5）目標網(wǎng)段和源網(wǎng)段報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)能國家重點實驗室曾在北京汽車工程學(xué)會2005學(xué)術(shù)年會[3]中對CAN總線通信響應(yīng)時間模型進行了充分了理論研究和仿真驗證，計算出目前CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議下的延遲響應(yīng)時間，并用實驗驗證了理論模型。同時，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，本文提出的時間模型分析方法基于吉利車型項目的實際應(yīng)用，利用系統(tǒng)設(shè)計對功能響應(yīng)的最大延遲時間需求及發(fā)送端延遲、接收端延遲等參數(shù)，綜合考慮應(yīng)用提出時間模型方法，合理設(shè)計網(wǎng)段報文傳輸周期，解決某特定任務(wù)不能在規(guī)定時間內(nèi)進行響應(yīng)而造成極差的用戶體驗問題。

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

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

（4）本文的時間模型分析方法經(jīng)過車型項目驗證，是符合當(dāng)前復(fù)雜汽車電子系統(tǒng)對總線通訊響應(yīng)時間的實時性及可靠性要求的。經(jīng)過車型項目實施應(yīng)用，該方法在內(nèi)部得到進一步推廣，當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)人員及總線設(shè)計人員均對此方法靈活應(yīng)用，各參數(shù)設(shè)計在最差響應(yīng)時間的情況下，滿足對系統(tǒng)實時傳輸信號的需求。

（5）本文對時間模型分析方法的應(yīng)用，對其它類型總線的設(shè)計和應(yīng)用同樣具有極高的參考價值。