張國勝,王書舉

(1.交通運輸部公路科學研究院，運輸車輛運行安全技術交通行業重點實驗室，北京 100088; 2.遼寧工程技術大學機械工程與自動化學院,阜新 123000)

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2015169

基于數據壓縮的車身CAN網絡優化調度設計*

張國勝1,王書舉2

(1.交通運輸部公路科學研究院，運輸車輛運行安全技術交通行業重點實驗室，北京 100088; 2.遼寧工程技術大學機械工程與自動化學院,阜新 123000)

針對汽車車身網絡節點日漸增多而低速CAN帶寬資源有限的問題，引入減少網絡傳輸數據的數據壓縮技術，分析了車身網絡信息數據變化特點，提出了基于數據壓縮的變化優先(CF)的優化調度算法，介紹了CF算法的數據壓縮、解壓縮和調度原理，將CF算法應用于汽車車身控制系統設計，理論分析和實驗驗證的結果表明，該算法可顯著降低車身CAN總線負載，改善信息的實時性，提高車身CAN總線的擴展靈活性。

車身；控制器局域網;優化調度;數據壓縮

前言

CAN網絡廣泛應用于車輛控制系統，采用CAN網絡的車身電子系統信息容量大、擴展靈活性強、成本低、布線少、維修智能。

汽車車身控制模塊接收乘員的指令，返回系統的運行狀態，車身控制系統中的信息多屬于按鍵、狀態指示類，車身系統對通信網絡的要求有以下幾方面[1]。

(1) 要求信息有一定的實時性，以避免乘駕人員的誤操作。例如，駕駛員對后視鏡的操作指令若不能及時響應，將帶來安全隱患。

(2) 車身網絡對網絡的容量和擴展靈活性的需求越來越大。當前汽車車身的控制功能正向著自動化、智能化的方向發展，車身控制系統中通過網絡互連的電子器件日漸增多。

(3) 汽車車身電子系統對成本因素比較敏感。車身控制網絡目前通常采用低速CAN協議網絡。

由于成本制約和車身信息的實時性要求，對于車身控制網絡的設計更加注重網絡的擴展靈活性或網絡資源的利用效率[1-2]。因此，通過優化調度來提高現有CAN網絡的資源利用率，是車身CAN網絡設計中的重點內容。

1 汽車車身電子系統

汽車車身電子系統包括車內外照明控制、中央門鎖、電動窗、智能雨刮器、電動轉向柱、電動座椅、輔助加熱系統和智能空調器等[3]。車身電控裝置通過CAN總線連接構成車身總線網絡。

為了減少汽車控制模塊與線束、降低成本，一般會根據電器的位置對網絡系統功能模塊進行劃分，然后按照功能相似、位置靠近的原則將車身劃分為多個區域控制節點[4-5]。整個車身網絡包含的部件較多，本文中以中央控制器和4個車門控制器等5個模塊節點為例，介紹車身CAN網絡設計方法。由中央控制器模塊和4個門控制模塊構成的車身CAN系統拓撲結構如圖1所示。

為了提高節點信息解碼的效率，將同一節點的控制信息集中在一起，預留一些保留位用于協議的擴展。左前門節點的狀態或命令信息的數據場中4字節的具體定義如表1[6]所示，其余節點的數據定義詳見文獻[6]。

車身CAN網絡狀態或命令信息傳輸占用的字節較少。由車身節點的信息屬性可以看出，在汽車穩定行駛時，由中央控制器、車門模塊等節點周期性發出的信息中大部分數據并沒有發生變化，這樣的屬性滿足了對傳輸數據進行壓縮的條件。

本文中基于數據壓縮思想提出了根據數據變化情況進行網絡調度的變化優先CF(changed first)算法。

2 車身CAN網絡優化調度算法

數據壓縮技術可以使用更少的數據來傳輸相同的信息內容，該技術已經廣泛應用于圖像傳輸和數據存儲等領域。車身CAN節點收發的信息數據表征汽車的參數或狀態，當汽車的參數或狀態無變化時，相應的信息數據也保持不變。

表1 左前門控制器狀態與命令幀[6]

注：表中未說明的位為保留位，置為1。

2.1 CAN信息標識符和數據域分配

CF算法旨在減少總線傳輸的數據量，給予數據發生變化的信息較高的優先級，給予數據無變化的信息較低優先級。因此，根據CAN協議的“線與”要求，設置信息標識符的ID.10位為數據變化控制位(CIB)，表示數據是否變化。設置ID.9位為數據壓縮控制位(DCB)，表示數據是否壓縮。設置信息的數據域第一個字節為數據壓縮控制(DCC)域。CF算法中對于信息幀的結構配置如圖2所示。

在CF算法中，由于DCC占用了信息數據域的一個字節，當節點中產生的新數據和舊數據有超過一個字節的數據重復時，可以采用數據壓縮技術來減少傳輸的數據量。當節點產生的新信息的數據無變化且滿足壓縮條件時，將CIB位置1，此時，競爭總線資源的其他信息將有更高的優先級，實現了發生變化數據的優先傳輸。CF算法中，CIB和DCB與數據變化的對應設置如表2所示。

表2 CF算法中控制位設置

2.2 CF算法編碼與解碼原理

根據表2的設置，當新數據產生時滿足壓縮要求，通過配置DCC中的對應位來表征數據的組成，如某信息有兩個字節數據發生變化時，其DCC控制位的配置如圖3所示。與節點中備份信息的數據相同的字節無須發送，對于有變化且需要發送的數據字節將DCC對應位置1，有變化的數據字節按先后順序排列，節點發送的新信息將攜帶DCC及其變化的數據。

當信息m首次產生時，將其作為原始信息進行數據備份。當m再次產生時，控制器根據信息的數據變化情況，置位各控制位，具體數據壓縮流程如圖4所示。

接收節點須對數據壓縮信息進行解壓來還原數據，它首先根據控制位判斷數據是否經過壓縮，然后對比相應信息的數據備份，對數據進行復原，接收節點對信息數據的重構過程如圖5所示。

3 車身CAN總線性能分析

3.1 車身CAN網絡性能分析方法

針對車身CAN網絡的實時性和網絡擴展性需求，分析控制策略對網絡這兩個方面性能的影響。

3.1.1 車身CAN網絡實時性分析

信息m在CAN總線中傳輸須經歷一定的時間，考慮CAN協議的位填充和幀間間隔，信息m占用總線的最長傳輸時間tCm[7]為

(1)

式中：fbaud為總線傳輸速率；τbit為網絡位傳輸時間；對于標準信息幀g=34；dm為信息幀m數據域的字節數。

車載網絡信息的實時調度一般采用截止期單調(DM)算法[8]。DM按照信息的截止期分配信息的優先級，通過計算可分析出此信息傳輸能否滿足其實時性要求。

CAN總線信息從發生節點申請發送開始至目標節點完成信息的接收為止要經歷一定的傳輸延時。此延時須考慮信息m的最壞傳輸條件，包括信息m發出總線使用申請后的等待時間(先等待已經在總線上傳輸的低優先級信息傳輸、競爭總線失敗后再等待高優先級的信息傳輸)和自身的傳輸時間。此情況下的延時稱為最長傳輸延時，記為tRm[8]：

(2)

式中：tWm為信息m從申請發送開始到獲得總線使用權的時間；tBm為m申請使用總線時被正在傳輸的低優先級信息所阻礙的時間；h(m)為比信息m優先級高的信息集合；l(m)為比m優先級低的信息集合；Ti為信息幀i的發送周期；tJi為軟件抖動時間；tCi是i信息在總線上的傳輸時間。

對于車載CAN實時系統，若系統中的信息m滿足以下條件，則認為該信息傳輸滿足實時性：

tRm≤tDm-tJm

(3)

式中：tDm為信息m的有效時限，即可允許的最大傳輸延時。

CF調度針對信息的數據變化情況賦予信息不同的優先級，數據無變化的信息則被賦予低優先級而延遲發送，此類信息如果由于調度延遲超出其時間限制，可由接收節點直接采用本地的備份狀態和指令數據；對于數據有變化的信息，其優先級不低于原優先級，其響應時間將不大于采用DM調度時的最長響應時間，則此類信息的實時性可根據式(3)判定。

3.1.2 車身CAN網絡可擴展性分析

總線負載率是衡量CAN總線可擴展能力的重要指標。它定義為系統各個信息幀總線占用百分比之和：

(4)

式中Tm為信息幀m的發送周期。

擴展靈活性因子UFR[1]是評價CAN總線可擴展能力的另一個重要指標，表示新調度方案相對于傳統方案的總線利用節約百分率。UFR的值越大，說明CAN總線網絡的可擴展性能越強。采用CF算法進行信息調度的總線擴展靈活性因子[9]為

(5)

式中：UTrad為采用傳統調度形式時的總線負載率；UCF為采用CF時的總線負載率。

3.2 車身CAN網絡性能分析

采用與文獻[6]中汽車車身控制系統相同的參數配置，取中央控制器模塊和4個門控制模塊構建車身網絡。CAN網絡位速率為62.5kbit/s，各模塊節點的信息屬性如表3所示。針對車身應用環境，取軟件抖動為1ms。

表3 車身控制系統信息屬性

由表1車身信息中對信號的定義可以看出，在車輛行駛中，車身各模塊節點發送的信息所攜帶的數據中有多個字節數據不發生變化甚至整個數據沒有變化。本文中取中央節點和兩前門節點發送的信息數據中有4字節重復不變，兩后門節點有2字節不變時的情況[6]對網絡性能進行分析。

3.2.1 車身CAN網絡實時性分析

對采用CF算法與采用傳統傳輸方式(TradT)的信息最長響應時間進行計算，得到信息的延遲時間如圖6所示。由圖可見，采用CF算法后信息的最長響應時間縮短，數據有變化的低優先級信息的實時性得到明顯改善。

3.2.2 車身CAN網絡擴展性實驗分析

利用5節點實驗系統對數據壓縮方案進行驗證分析，實驗系統由3個單片機節點和2個PC節點組成，設置系統傳輸速率為62.5kbit/s，實驗系統如圖7所示。

實驗中各節點周期性發送帶8字數據節信息，單片機節點所發送的信息數據有4字節重復，PC節點發送數據中有2字節重復。網絡監測結果表明，實施CF方案前后的系統網絡負載率分別為16.62%和13.86%，可見經過優化后的總線負載明顯降低。實驗測得的總線負載率比理論計算結果略小，這是由于理論計算中考慮的是信息幀m的最大位填充的情況。

相比傳統調度方案，采用CF時的車身系統的擴展靈活因子為

即本文方案相對于傳統傳輸方案的擴展靈活性提高了16.606%，采用CF算法后系統的可擴展性明顯提高。

4 結論

針對車身網絡擴展性和實時性的要求，分析了車身網絡信息數據變化的特點，基于數據壓縮思想提出了變化優先調度方案。分析結果表明，該方案可使數據有變化的信息優先獲得總線資源，能提高CAN網絡的傳輸效率，同時改善低優先級信息的實時性，為未來車身電子系統的入網擴展提供了優化設計方案。

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[4] 白中浩,曹立波,劉擁華,等.基于CAN總線的汽車車身網絡系統的開發[J].客車技術與研究,2005,27(6):18-20.

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Optimized Scheduling of Vehicle Body CAN Based on Data Compression

Zhang Guosheng1& Wang Shuju2

1.KeyLaboratoryofOperationSafetyTechnologyonTransportVehiclesMinistryofCommunication,PRC,ResearchInstituteofHighwayMinistryofCommunications,Beijing100088; 2.SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000

In view of the contradiction between the ever increasing network nodes in vehicle body and the limited bandwidth resources of low-speed CAN, a data compression technique is introduced to reduce network transmission data. Then based on the analysis on the changing features of vehicle body network data, an optimization scheduling algorithm with "changed first" principle is proposed for data compression and is then applied to the control system design of vehicle body. The results of theoretical analysis and experimental verification indicate that the algorithm proposed can obviously reduce the load of vehicle body CAN bus, improve the real time performance of information and enhance the expansion flexibility of vehicle body CAN bus.

vehicle body; CAN; optimized scheduling; data compression

*國家自然科學基金青年基金(51305181和51405213)資助。

原稿收到日期為2013年10月8日，修改稿收到日期為2014年1月22日。