汽車電子系統總線設計的時間模型應用

檀庭躍 車長發

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波315336）

主題詞：總線設計 時間模型 實時傳輸

1 介紹

近年來，隨著汽車電子系統復雜度的提升，由于某任務的執行或報文的傳輸沒有在特定的時間內完成而造成的系統功能性故障或較差的用戶體驗愈發普遍，由此，對系統實時性需求的滿足正得到越來越多的關注[1]。產品上出現了諸如Symtavision等專注于嵌入式實時系統時間特性解決方案的開發工具，但這些工具沒有對總線設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計人員來說不夠清晰。筆者從事總線設計開發工作十余年，在理論分析的基礎上，借鑒了Symtavision及Mentor VSA工具的模型開發思路，對系統設計時間模型分析方法做出了進一步的設計及驗證開發工作，結果表明在最差響應時間的情況下，滿足對系統實時傳輸信號的需求。

2 時間模型時延分析

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

（1）端到端的延遲，系統狀態量的檢測到執行機構的響應時間；

（2）發送端延遲，狀態量檢測到ECU應用層數據的更新；

（3）接收端延遲，ECU應用層接收到數據并進行處理響應的時間。

在實際開發中，遠比這些時延分析參數復雜，需要考慮網關及ECU底層傳輸延遲因素，使得系統設計的任務時間可分段肢解并在數據上可量化，最終滿足功能開發的時間要求，并增加用戶對車輛功能響應的時間要求。本文對此進一步論述，如圖1所示，TPL表示發送端延遲，TBT表示數據在總線傳輸前的等待時間，TBD表示數據在總線通道上的傳輸時間，TAR表示數據在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。這樣就通過系統設計定義最大允許的功能延遲來設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

根據系統設計需求及汽車總線協議傳輸需求，本文提出的時間模型分析方法，梳理系統設計需要的時間參數[2]，將發送延遲TPL/接收延遲TSL/允許的最大延遲TMA參數加入時間模型分析；系統設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，并可通過開發工具進行檢查，驗證系統設計錯誤，并給出一致性檢查錯誤數據，及時在系統設計時修正錯誤。

表1 時間模型定義推薦值 ms

4 時間模型分析案例

假設某功能所需要的最大延遲為100 ms，設計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）由于是跨兩個網段傳輸，首先需要確定網段的延時時間；

（2）TACD=TMA-(TPL+TSL)-TGD=100 ms-15 ms-15 ms-5 ms=65 ms，其中TGD表示網關延遲，一般按5 ms計算；

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

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

（5）目標網段和源網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 結語

（1）清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室曾在北京汽車工程學會2005學術年會[3]中對CAN總線通信響應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總線網絡通信協議下的延遲響應時間，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協議的網絡分析方法。這為后續研究提供了思路，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用，利用系統設計對功能響應的最大延遲時間需求及發送端延遲、接收端延遲等參數，綜合考慮應用提出時間模型方法，合理設計網段報文傳輸周期，解決某特定任務不能在規定時間內進行響應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計中，利用合適的工具鏈進行系統設計開發，完成時間模型所需的延遲參數設計，進而滿足通訊延遲的設計要求。

（3）總體來說，總線負載率并不是時間模型系統設計人員需要考慮的因素。但對于總線設計人員來說，需要保證最苛刻（Worst case）情況下的時間延遲要求，需要總線設計人員利用合理的工具進行分析，評估總線負載率，從而優化報文優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過車型項目驗證，是符合當前復雜汽車電子系統對總線通訊響應時間的實時性及可靠性要求的。經過車型項目實施應用，該方法在內部得到進一步推廣，當前系統設計開發人員及總線設計人員均對此方法靈活應用，各參數設計在最差響應時間的情況下，滿足對系統實時傳輸信號的需求。

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