CN103618658B - 一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法，定义了网络时间碎片概念，以消息时间参数为输入，利用FlexRay MAC和编解码机制，建立消息超周期内FlexRay静态段时间碎片计算方法；将节点内消息分组，同组消息使用相同帧ID，推导出该模式下消息最坏响应时间计算方法；在此基础上，以静态段时间碎片最小为目标，以消息最坏响应时间为约束，建立用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型及其求解算法。本发明不仅可以确保所设计系统具有良好的实时性和带宽利用率，而且能够有效降低FlexRay系统设计难度和开发时间。

Description

一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法

技术领域

本发明涉及汽车通信技术领域，尤其涉及一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法。

背景技术

随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化，人们可以不需要传统的机械机构传递控制信号，而是通过电子手段来驾驶汽车，线控技术将成为汽车电子的新方向。FlexRay总线具有带宽高、可靠性高、实时性强、具备容错能力等特点，可以很好地满足线控技术的需求。为保证FlexRay总线正常通信，需要配置大约70多个参数。这些参数对网络带宽利用率、消息传输实时性等有着重大影响，配置过程复杂，迫切需要建立系统化方法来完成该工作。

为解决这一问题，Traian Pop等人对FlexRay总线静态段和动态段的消息传输进行时间分析，而李佳等对FlexRay网络中消息的通信实时性进行评估，以期能够预测消息在FlexRay总线上的通信时间；Inseok Park等从网络带宽资源利用最大化的角度，对FlexRay网络静态段的长度进行优化设计，以期通过对FlexRay网络静态段参数的优化配置提高网络的性能；Klaus Schmidt等先从提高带宽利用率的角度将信号进行封装成消息，然后对消息进行ID分配，以期通过对FlexRay静态段消息优化调度而获得最优的消息ID分配策略。上述研究工作虽然在FlexRay网络静态段的参数设计和消息的优化调度等方面取得了很多成效，但以提高带宽利用率为目的将消息拆分在多个帧发送时极可能出现一个完整信号被拆分到多个帧发送的情况，在消息ID分配时也很少考虑一个ID可以分配给多个消息的情况。因此，现有研究中提出的设计方法较为单一，缺乏对网络带宽利用率、消息传输实时性等因素的综合考虑，无法满足实际汽车FlexRay总线系统的设计需要。

针对上述不足，本发明提出基于时间碎片最小化的FlexRay总线设计方法，给出了消息超周期内时间碎片计算方法，建立了FlexRay参数优化配置模型建立及求解算法。本方法不仅能够确保所设计FlexRay网络中消息传输的实时性，而且能够提高网络的有效利用率，具有超出现有技术的诸多优点。

发明内容

本发明是为适应整车控制系统运行时可靠性和安全性的需求，提出一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法，其目的是从超周期时间碎片概念出发，研究FlexRay网络中用于消息ID分配和网络参数配置的优化模型及其求解算法，进而确保所设计Flexray网络系统具有高带宽利用率和良好时间性能。

本发明为实现以上目的，采用的技术方案为：

定义时间碎片概念，以消息时间参数为输入，利用FlexRay MAC和编解码机制，建立消息超周期内FlexRay时间碎片计算方法；将节点内消息分组，同组消息使用相同帧ID，推导出消息最坏响应时间计算方法；在此基础上，以时间碎片最小为目标，以消息最坏响应时间为约束，建立用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型及其求解算法，进而可实现FlexRay消息ID分配、静态负载长度及数目设计。具体内容如下：

步骤(1)、超周期内FlexRay时间碎片计算方法。定义超周期SP为所有消息发送周期的最小公倍数，其量纲与FlexRay通信周期、消息发送周期一致；定义FlexRay时间碎片为FlexRay协议附加载荷部分和静态时隙中未用来发送消息部分两部分之和；

设FlexRay通信周期长度为T_c，静态时隙的长度为T_sts，静态时隙的数目为N_sts，超周期长度SP数值等于所有消息发送周期的最小公倍数，超周期长度SP单位与消息发送周期单位一致；静态段时间长度T_ST计算公式如下：

设有N个节点，第n个节点即节点n上消息数量为f_n，其中1≤n≤N，表示第1个节点上的第消息，为消息数据位长度，为消息发送周期，为消息截止期，τ_bit为传输一比特数据所需时间，T_RT为实际数据传输时间。由关系得，

$T_{RT}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{f_n}{\Σ}}({\mathrm{bm}}_i^n\·{\mathrm{\τ}}_{bit}\·\frac{SP}{{\mathrm{pm}}_i^n})$

由几何关系得，FlexRay网络一个超周期SP中所产生的时间碎片T_sp可由下式求得:

步骤(2)、用帧ID模式下消息最坏响应时间计算。定义共用帧ID模式下消息最坏响应时间为消息恰好错过其静态时隙，且消息集合中所有高优先级消息同时出现情况下的消息响应时间，所述消息集合为与所要发送消息具有相同帧ID的所有消息集合；如图1所示，ST表示通信周期静态段，DYN表示通信周期动态段，NIT为通信周期网络空闲，深色方块为要发送消息其最坏响应时间的组成由三部分组成：消息错过发送时隙在当前周期中产生的延时发送消息前发送ID小于或等于自身ID的消息所产生的时延消息的通信时间

设为ID与的ID相同但优先级高于的消息集合，为该集合中的任一消息，即消息最坏响应时间应该出现在其产生时刻恰好错过了所属时隙的起始，它的发送将被推迟。由关系得，

${\mathrm{\σ}}_i^n=T_c-T_{sts}\·N_{ID}\left(lp\right(M_i^n\left)\right)$

分为两部分，一部分为在发送前由于发送产生的延迟，记为图1中，在发送前发送了m-1次；另一部分为在发送前的同一周期内的所有时隙长度和，记为在发送前的所有时隙的数目等于图1中由关系得，

传输消息所需的时间为：

因此，静态段消息的最坏响应时间为：

步骤(3)、用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型。对于节点n的消息其中1≤i≤g_n，所述g_n为节点n上消息数目总数，如果分别为该节点上每个消息单独分配一个ID，那么需要分配的ID数目为g_n。实际传输时，为了减少时间碎片，在满足消息传输时限情况下可将同一ID分配给多个消息，使它们共用一个时隙发送。在节点内部，如果共用时隙的消息同时到达，可依据内部优先级依次发送。设为节点n中第v个帧ID，二进制决策变量为

以超周期内时间碎片T_SP最小化为目标，以消息最坏响应时间小于消息截止期为约束条件，建立用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型如下

满足约束：

$\left(1\right)---z_{vi}^n\≤r_v^n$

$\left(2\right)---N_{sts}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{v=1}{\overset{g_n}{\Σ}}{r}_v^n$

(3)T_sts＝T(u)u＝1,2,…127

步骤(4)、优化模型的求解算法；求解上述优化配置模型，可获得静态段负载长度u、FlexRay消息ID、静态时隙数目N_sts；上述模型中超周期时间碎片T_SP与静态时隙数目N_sts成正比，可通过寻找最小N_sts求解该模型；如图2所示，具体求解算法如下：

1)静态段负载长度

2)设任一节点n(1≤n≤N)内部消息分组数为k，(1≤k≤f_n)，分组数为k时消息组合方式有p种，每种消息组合方式记为(例如，节点中有4个消息，分别为M₁,M₂,M₃,M₄，则分组数为k时消息组合方式如图3所示)；

3)求解任一节点n最佳分组方式和分组数

①分组数为k时集合内组合方式用表示，对系统初始化：k＝1,d＝1；

②选取消息组合方式运用上述步骤(2)中计算方法，分别计算种消息组合方式内所有消息的最坏响应时间

③将②式选取的消息组合方式内各消息最坏响应时间分别与该消息截止期比较：

a.所有消息最坏响应时间均不大于其截止期时，运算终止并输出对应组合方式即

b.若存在消息最坏响应时间大于其截止期有以下三种情况：

i.若d＜p,令d＝d+1，执行上述步骤②操作；

ii.若d≥p且k＜f_n,令d＝1,k＝k+1,执行上述步骤②操作；

iii.若k≥f_n，输出无解并反馈大于其截止期的消息算法终止并退出；

4)若步骤3)有解，运用上述步骤(3)中方法为组合方式中同一组消息分配相同ID；

5)对网络中所有节点重复上述步骤2)、3)、4)，输出静态段负载长度u、各节点各个消息ID和静态时隙数目

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1、本发明提出基于时间碎片最小化的FlexRay参数优化设计模型，不仅能够确保FlexRay总线消息传输的实时性，而且能够大大提高FlexRay总线带宽利用率。

2、本发明给出了基于时间碎片最小化的FlexRay参数优化的实现算法，可以直接应用到汽车FlexRay总线参数的配置，能够大大降低FlexRay网络系统的开发难度和开发时间。

附图说明

图1是静态帧响应时间分析

图2是算法流程图

图3是分组数为k时组合方式集合

图4是输入模块流程图

图5是参数计算模块流程图

具体实施方式

本发明基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法可以通过程序实现。整个程序分为输入模块、参数计算模块、输出模块。输入模块负责消息与节点等参数的输入与格式检测。参数计算模块根据求解算法计算每个节点中消息的分组模式、静态段时隙的长度和个数；输出模块负责消息参数和FlexRay网络配置参数的输出。

定义结构体struct Message{long data_Length；int period_Send；int deadLine；floatbit_Time}为消息特性的数据结构，其中data_Length为消息M的数据位长度，period_Send为发送周期，deadLine为截止期，bit_Time为传输一位所需时间。

定义结构体struct Node{int number；Struct messgage M_Array[maxMCount]；int m_ID[maxMCount]；int M_count；int b_Best[maxMCount]；int k_best；long dl}为节点特性的数据结构，其中number为节点序号，即第几个节点；M_Array[max MCount]保存所有节点中所有消息，maxMCount为所允许节点上消息的最大数目，默认值为100；m_ID[maxMCount]记录节点中各个消息所在的组号，与消息一一对应；M_count为节点中消息的数量；b_Best[maxMCount]保存所有节点满足最坏响应时间条件的分组方式；k_best保存满足最坏响应时间时对应的分组数k值；dl为节点内所有消息数据位长度最大值。定义数组struct messgage m_Array[maxMCount]为中间变量保存节点内部所有消息信息；定义数组struct Node n_Array[maxNCount]保存网络中所有节点,其中maxNCount为网络中节点的最大数目，默认值为30。

定义函数checkFormat(int i)检查n_Array[i]内部所有元素的格式，如果全部正确，函数返回true，否则返回flase；定义函数setNode(struct Node nd)将节点i内的信息放入数组n_Array[i]中；定义函数calculateGroupCount(int k，int q)计算消息数为q，分组数为k时，消息共有多少种分组方式；定义函数selectGroup(int m_ID[]，int q，int k，int j)输出消息数为q，分组数为k，消息分组方式为j时，节点中消息所在的组号，并放在数组m_ID中；定义boolean函数calculateWorstcaseTime(int b[]，intm_Array[])输出数组b中元素对应消息的最坏响应时间，并分别与该消息截止期比较：如果所有消息的最坏响应时间均不大于其截止期，函数返回true，否则返回false；定义boolen全局变量isSuccessful表示参数计算模块是否有解；定义函数sum(int n_Array[].k_best)累加所有节点最佳分组方式对应的分组数k；定义函数compare(float n_Array[].dl)比较并输出所有节点消息数据位长度最大值。

输入模块功能的具体流程如图4所示。用户输入完数据后，对节点序号i初始化，选取节点i，并对消息组号数组m_ID初始化，即节点n_Array[i].number＝i，m_ID[maxMCount]＝0；结合函数checkFormat(int i)检查n_Array[i]节点内部所有元素的格式：如果函数返回true，调用函数setNode(struct Node nd)将节点i内的信息放入数组n_Array[i]中，否则输出错误信息。

参数计算模块具体流程如图5所示。首先对节点序号i(0≤i≤N)和分组数k初始化，由节点i内消息数q和分组数k(1≤k≤p)并结合函数calculateGroupCount(k，q)可计算得到消息数q和分组数k时消息共有GN种分组方式；任取一种分组方式j(1≤j≤GN)，调用函数selectGroup(m_ID，q，k，j)计算消息数为q，分组数为k，消息分组方式为j时，节点中消息所在的组号，并放在数组m_ID中。遍历m_ID数组中所有元素，保留数值与组号n1(1≤n1≤k)相等的消息号n2(1≤n2≤q)，并放入数组b中，调用calculateWorstcaseTime(b，m_Array)计算数组b中元素对应消息的最坏响应时间。若存在一种分组方式内所有消息的最坏响应时间均不大于其截止期，则置变量isSuccessful为true，分别在b_Best数组、k_best中保留该分组方式和对应的分组数并对下一节点(节点总数用变量N表示)重复上述操作；否则，置变量isSuccessful为false并终止运算。

输出模块具体流程如下所示。判断变量isSuccessful值：如果变量值为true，输出记录所有消息所在组号的数组b_Best，并调用函数compare(n_Array[].dl)和sum(n_Array[].k_best)输出静态段长度u和静态段总时隙数目NS；如果变量值为false，则输出无解并输出错误信息。

实施例：已知FlexRay总线上有4个节点，表示第那个节点即节点n上第i个消息，具体各个消息时间参数如下表1所示，输入步骤参见图4：

参见图5，节点4计算步骤如下：

1、输入时令n_Array[i].number＝4并对数组m_ID初始化，函数checkFormat(int i)检查数据格式输出true后调用函数setNode(struct Node nd)将节点4内的信息放入数组n_Array[i]中；

2、已知消息数q＝2，对分组数k初始化，即k＝1，结合函数calculateGroupCount(k，q)计算消息数为q和分组数为k时消息共有GN种分组方式中的GN值，此时GN＝1；

3、任取一种分组方式j(1≤j≤GN)，函数selectGroup(m_ID，q，k，j)计算消息数为q，分组数为k，消息分组方式为j时，节点中消息所在的组号，并放在数组m_ID中，此时组号均为1；

4、遍历m_ID数组中所有元素，保留数值与组号n1(1≤n1≤k)相等的消息号n2(1≤n2≤q)，并放入数组b中，调用calculateWorstcaseTime(b，m_Array)计算数组b中元素对应消息最坏响应时间，此时与最坏响应时间分别是1.5和3，显然消息最坏响应时间大于其截止期，表示消息存在传输失败的可能；

5、由于k＝1时GN＝1表示只有一种分组可能，则令k＝k+1，且k≤q，重复上述操作；k＝2时，与最坏响应时间均为1，均不大于其截至期，则分别在b_Best数组、k_best中保留该分组方式和对应的分组数待输出；

其他节点计算步骤和节点4类同，综合上述结果可得到总线上所有消息ID分配结果如下表2所示：

表2

同时FlexRay总线参数配置如下表3所示，通信周期为2ms，MT的长度为1μs，静态时隙数目等于ID总数即为10，时隙长度为170MT。

表3

综上，表2与表3中数据即为该实例下总线设计的全部输出。

Claims (1)

1.一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法，其特征在于：定义时间碎片概念，以消息时间参数为输入，利用FlexRay媒体访问控制和编解码机制，建立消息超周期内FlexRay时间碎片计算方法；将节点内消息分组，同组消息使用相同帧ID，推导出消息最坏响应时间计算方法；在此基础上，以时间碎片最小为目标，以消息最坏响应时间为约束，建立用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型及其求解算法，进而可实现FlexRay消息ID分配、静态负载长度和静态时隙数目设计；具体内容如下：

步骤(1)、超周期内FlexRay时间碎片计算方法；定义超周期SP为所有消息发送周期的最小公倍数，其量纲与FlexRay通信周期、消息发送周期一致；定义FlexRay时间碎片为FlexRay协议附加载荷部分和静态时隙中未用来发送消息部分两部分之和；

设FlexRay通信周期长度为T_c，静态负载长度为T_sts，静态时隙数目为N_sts，τ_bit为传输一个比特数据所需时间，超周期SP数值等于所有消息发送周期的最小公倍数，其量纲与FlexRay通信周期、消息发送周期一致；设通道上有N个节点，第n个节点即节点n上消息数量为f_n，其中1≤n≤N，表示第n个节点上的第i条消息，为消息数据位长度，为消息发送周期，为消息截止期，则超周期时间碎片T_SP可由下公式计算：

步骤(2)、共用帧ID模式下消息最坏响应时间计算；定义共用帧ID模式下消息最坏响应时间为消息恰好错过其静态时隙，且消息集合中所有高优先级消息同时出现情况下的消息响应时间，所述消息集合为与所要发送消息具有相同帧ID的所有消息集合；设为帧ID与的ID相同但优先级高于的消息集合，则最坏响应时间可由下公式计算：

其中，为该集合中的任一消息，即

步骤(3)、用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型；设为节点n中第v个帧ID，二进制决策变量

以超周期内时间碎片T_SP最小化为目标，以消息最坏响应时间小于消息截止期为约束条件，建立用于消息分组和FlexRay参数优化配置模型如下

满足约束：

(1)

(2)

(3)T_sts＝T(u)u＝1,2,…127

(4)

步骤(4)、优化模型的求解算法；求解上述优化配置模型，可获得静态段负载长度u、FlexRay消息ID、静态时隙数目N_sts；上述模型中超周期时间碎片T_SP与静态时隙数目N_sts成正比，可通过寻找最小N_sts求解该模型；具体求解算法如下：

1)静态段负载长度

2)设任一节点n内部消息分组数为k，其中1≤n≤N，1≤k≤f_n，分组数为k时消息组合方式有p种，每种消息组合方式记为

3)求解任一节点n最佳分组方式和分组数

①分组数为k时集合内组合方式用表示，其中1≤d≤p，对系统初始化：k＝1,d＝1；

②选取消息组合方式运用上述步骤(2)中计算方法，分别计算种消息组合方式内所有消息的最坏响应时间

③将②式选取的消息组合方式内各消息最坏响应时间分别与该消息截止期比较：

a.所有消息最坏响应时间均不大于其截止期时，运算终止并输出对应组合方式即

b.若存在消息最坏响应时间大于其截止期有以下三种情况：

i.若d＜p,令d＝d+1，执行上述步骤②操作；

ii.若d≥p且k＜f_n,令d＝1,k＝k+1,执行上述步骤②操作；

iii.若k≥f_n，输出无解并反馈大于其截止期的消息算法终止并退出；

4)若步骤3)有解，运用上述步骤(3)中方法为组合方式中同一组消息分配相同ID；

5)对网络中所有节点重复上述步骤2)、3)、4)，输出静态段负载长度u、各节点各消息ID和静态时隙数目