CN103841212B - 一种面向汽车can网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，该方法将车辆信号根据带宽消耗大小按递减顺序排序或根据周期大小按递增顺序排序，基于启发式优化方法封装入CAN报文中，按截止期单调方法分配CAN报文优先级，基于最糟糕响应时间分析CAN报文集的可调度性；如果不可调度，则从不可调度CAN报文中找出最糟糕响应时间和截止期差值最小的CAN报文，并将该CAN报文中截止期最严格的车辆信号封装到新CAN报文中，以提高原CAN报文的截止期；直到CAN报文集可调度，或没有CAN报文可被分解为止。本发明的有益效果是：实现了汽车CAN网络带宽消耗优化，保证了系统实时性，为汽车CAN网络应用层协议的设计提供了新方法。

Description

一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法

技术领域

本发明涉及汽车ECU中车辆信号数据的处理，尤其是一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，属于汽车电子领域。

背景技术

随着人们对汽车动力性、安全性和舒适性要求的提高，汽车ECU（电子控制单元）和电子控制装置并不仅仅与负载设备简单地连接在一起，更多的是与外围设备及其它ECU和电子控制装置进行信息交流，并经过复杂的控制决策运算，发出控制指令。为了提高车辆信号的利用率，要求大批车辆信号在不同的汽车ECU之间进行交换和共享，采用车载网络技术可实现汽车各ECU的实时控制。CAN（Controller Area Network，控制器局域网）以其高可靠性和独特设计，适用于现代汽车各ECU间的互联通信。

车辆信号的数据在ECU中被封装成报文并通过CAN总线进行传输，最简单的封装方法是每个CAN报文只装入一个车辆信号。由于CAN报文数和车辆信号数相同，大量CAN报文的传输增加了总线竞争机率和网络带宽消耗。在以市场和技术发展为导向的汽车设计过程中，系统功能的提升会增加新的ECU和车辆信号，意味着会有更多的车辆信号通过CAN网络进行传输。由于CAN网络的带宽是有限的，为了给系统后续扩展提供最大带宽余量，提高网络利用率，必须优化汽车CAN网络带宽消耗，即要求CAN网络带宽消耗达到最小。CAN报文集的构造和优先级的选择又决定了CAN报文的响应时间，进而影响到系统实时特性。

目前汽车CAN网络报文的车辆信号封装大多采用的是SAE J1939协议，由于其对CAN报文的数据域进行了全面定义，导致没有车辆信号被封装时过多地占用了CAN网络带宽。

因此，必须提出面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，并满足系统实时性要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，以减少汽车CAN网络带宽消耗，并满足系统实时性要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

首先设定车辆信号特征其中：是车辆信号产生周期；是车辆信号截止期；是车辆信号长度，单位为bit，且小于或等于CAN报文的数据域最大长度；是车辆信号的带宽消耗；CAN报文特征（T，D，L，DL，BC，P），其中：T是CAN报文产生周期；D是CAN报文截止期；L是CAN报文长度，单位为bit；DL是CAN报文已经封装的车辆信号长度，单位为bit；BC是CAN报文的带宽消耗；P是CAN报文优先级，P越小，CAN报文优先级越大；然后，按照以下步骤操作：

步骤1：在每个ECU上，将车辆信号根据带宽消耗大小按递减顺序排序，车辆信号s_i的带宽消耗为排序后的车辆信号集为S＝{s₁，s₂，...s_i...，s_n}；

步骤2：向CAN报文中装入车辆信号s_i：

步骤2（a）：按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，寻找车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的那些CAN报文；在这些CAN报文中找出将s_i装入后使得带宽消耗最小的那个CAN报文；将该CAN报文的带宽消耗增量（s_i装入该CAN报文后的带宽消耗与该CAN报文原带宽消耗的差值）与将s_i单独装入一个新CAN报文中的带宽消耗进行比较；最后将s_i装入比较后具有最小带宽消耗的那个CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期；

步骤2（b）：如果s_i不能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中任何一个CAN报文中，则产生一个新CAN报文f_j+1，该CAN报文的时间特征为和并将所述新CAN报文f_j+1加入到所述已使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}中构成新的已使用过的CAN报文集，并将新的已使用过的CAN报文集仍用{f₁，f₂，…，f_j}的形式表示；

步骤3：如果该ECU仍有车辆信号需要封装，则返回步骤2；如果仍有其他ECU的车辆信号需要封装，则返回步骤1；最终构造的CAN报文集为F＝{f₁，f₂，…，f_m}；

步骤4：将最终构造的CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}中各报文截止期D_j按升序排序，按截止期单调方法为各CAN报文配置优先级，D_j越小，P_j越小；

步骤5：对CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}进行最糟糕情形下的可调度性分析：

步骤5（a）：如果F可调度，则封装成功；

步骤5（b）：如果F不可调度，则在F中找到最糟糕响应时间大于截止期，且至少包含两个车辆信号的CAN报文，并构成不可调度CAN报文集F^*，在F^*中找出最糟糕响应时间和截止期差值最小的CAN报文f_relax，将f_relax中具有最小截止期的那个车辆信号从f_relax中移除，并封装到一个新CAN报文f_m+1中，更新f_relax和f_m+1的周期和截止期，返回步骤4，当所有不可调度CAN报文被全部分解而CAN报文集仍不可调度时，则封装失败。

在上述技术方案中，所述步骤1还可为：在每个ECU上，将车辆信号根据周期大小按递增顺序排序，排序后的车辆信号集为S＝{s₁，s₂，...s_i...，s_n}，即排序后的车辆信号集满足

在上述技术方案中，所述更新CAN报文的周期和截止期方法为：

设CAN报文m_k（k∈Ζ⁺）传输车辆信号集（n∈Ζ⁺）的数据， $s_i^k(i\∈n)$ 的周期为 ${\stackrel{\·}{T}}_i(T_i\∈Z^{+}),$ 截止期为为车辆信号集中具有最小周期的那个车辆信号，即 m_k的周期为T_k（T_k∈Ζ⁺），截止期为D_k（D_k∈Ζ⁺），则 $T_k={\stackrel{\·}{T}}_{\min },D_k=\min \{{\stackrel{\·}{D}}_i-{\stackrel{\·}{T}}_{\min }+\gcd ({\stackrel{\·}{T}}_{\min },{\stackrel{\·}{T}}_i)|s_i^k\∈\{s_1^k,s_2^k,...,s_n^k\}\}.$

由于CAN报文是以字节为单位发送的，因此，CAN报文f_i实际传输的数据域长度为：

采用上述方法后，实现了汽车CAN网络带宽消耗优化，保证了系统实时性，为汽车CAN网络应用层协议的设计提供了新方法。

具体实施方式

本发明涉及一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，该方法包括以下步骤：

首先设定车辆信号特征其中：是车辆信号产生周期；是车辆信号截止期；是车辆信号长度，单位为bit，且小于或等于CAN报文的数据域最大长度；是车辆信号的带宽消耗；CAN报文特征（T，D，L，DL，BC，P），其中：T是CAN报文产生周期；D是CAN报文截止期；L是CAN报文长度，单位为bit；DL是CAN报文已经封装的车辆信号长度，单位为bit；BC是CAN报文的带宽消耗；P是CAN报文优先级，P越小，CAN报文优先级越大；然后，按照以下步骤操作：

步骤1：在每个ECU上，将车辆信号根据带宽消耗大小按递减顺序排序，车辆信号s_i的带宽消耗为排序后的车辆信号集为S＝{s₁，S₂，...s_i...，s_n}；或者，在每个ECU上，将车辆信号根据周期大小按递增顺序排序，排序后的车辆信号集为S＝{s₁，S₂，...s_i...，s_n}，即排序后的车辆信号集满足 $\frac{1}{{\stackrel{\·}{T}}_1}\≥\frac{1}{{\stackrel{\·}{T}}_2}\≥...\≥\frac{1}{{\stackrel{\·}{T}}_n}.$

步骤2：向CAN报文中装入车辆信号s_i：

步骤2（a）：按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，寻找车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的那些CAN报文；在这些CAN报文中找出将s_i装入后使得带宽消耗最小的那个CAN报文；将该CAN报文的带宽消耗增量（s_i装入该CAN报文后的带宽消耗与该CAN报文原带宽消耗的差值）与将s_i单独装入一个新CAN报文中的带宽消耗进行比较；最后将s_i装入比较后具有最小带宽消耗的那个CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期；

步骤2（b）：如果s_i不能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中任何一个CAN报文中，则产生一个新CAN报文f_j+1，该CAN报文的时间特征为和并将所述新CAN报文f_j+1加入到所述已使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}中构成新的已使用过的CAN报文集，并将新的已使用过的CAN报文集仍用{f₁，f₂，…，f_j}的形式表示。

步骤3：如果该ECU仍有车辆信号需要封装，则返回步骤2；如果仍有其他ECU的车辆信号需要封装，则返回步骤1；最终构造的CAN报文集为F＝{f₁，f₂，…，f_m}。

步骤4：将最终构造的CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}中各报文截止期D_j按升序排序，按截止期单调方法为各CAN报文配置优先级，D_j越小，P_j越小（优先级越高）。

步骤5：对CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}进行最糟糕情形下的可调度性分析：

步骤5（a）：如果F可调度，则封装成功。

步骤5（b）：如果F不可调度，则在F中找到最糟糕响应时间大于截止期，且至少包含两个车辆信号的CAN报文，并构成不可调度CAN报文集F^*，在F^*中找出最糟糕响应时间和截止期差值最小的CAN报文f_relax，将f_relax中具有最小截止期的那个车辆信号从f_relax中移除，并封装到一个新CAN报文f_m+1中，更新f_relax和f_m+1的周期和截止期，返回步骤4，当所有不可调度CAN报文被全部分解而CAN报文集仍不可调度时，则封装失败。

在上述步骤2（a）、5（b）中，CAN报文周期和截止期的更新方法为：设CAN报文m_k（k∈Ζ+）传输车辆信号集（n∈Ζ⁺）的数据， $s_i^k(i\∈n)$ 的周期为 ${\stackrel{\·}{T}}_i(T_i\∈Z^{+}),$ 截止期为为车辆信号集中具有最小周期的那个车辆信号，即 m_k的周期为T_k（T_k∈Ζ⁺），截止期为D_k（D_k∈Ζ⁺），则 $D_k=\min \{{\stackrel{\·}{D}}_i-{\stackrel{\·}{T}}_{\min }+\gcd ({\stackrel{\·}{T}}_{\min },{\stackrel{\·}{T}}_i)|s_i^k\∈\{s_1^k,s_2^k,...,s_n^k\}\}.$

由于CAN报文是以字节为单位发送的，因此，CAN报文f_i实际传输的数据域长度为：本实施中，CAN网络报文的数据域最大长度是64bit。

本实施例依据以下要求随机产生了250个车辆信号：

（1）汽车CAN网络带宽为500kbps；

（2）ECU个数为10个；

（3）车辆信号长度分别为2bit、4bit、8bit、16bit、24bit和32bit，并加入具有小概率的随机长度；

（4）车辆信号周期分别为10ms、20ms、50ms、100ms、200ms、500ms和1000ms；

（5）车辆信号负载率为10%。

如果按照现有技术采用每个CAN报文只装入一个车辆信号，则汽车CAN网络带宽消耗为547kbps，大于设定的汽车CAN网络带宽500kbps，不能满足系统可调度性要求；采用本发明的面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法后，则汽车CAN网络带宽消耗仅为380kbps，显然实现了对CAN网络带宽的优化，并利于系统的实时性。

Claims (4)

1.一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，其特征在于：首先设定车辆信号特征其中：是车辆信号产生周期；是车辆信号截止期；是车辆信号长度，单位为bit，且小于或等于CAN报文的数据域最大长度；是车辆信号的带宽消耗；CAN报文特征(T，D，L，DL，BC，P)，其中：T是CAN报文产生周期；D是CAN报文截止期；L是CAN报文长度，单位为bit；DL是CAN报文已经封装的车辆信号长度，单位为bit；BC是CAN报文的带宽消耗；P是CAN报文优先级，P越小，CAN报文优先级越大；然后，按照以下步骤操作：

步骤1：在每个ECU上，将车辆信号根据带宽消耗大小按递减顺序排序，车辆信号s_i的带宽消耗为排序后的车辆信号集为S＝{s₁，s₂，…s_i…，s_n}；

步骤2：向CAN报文中装入车辆信号s_i：

步骤2(a)：按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，寻找车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的那些CAN报文；在这些CAN报文中找出将s_i装入后使得带宽消耗最小的那个CAN报文；将该CAN报文的带宽消耗增量与将s_i单独装入一个新CAN报文中的带宽消耗进行比较；最后将s_i装入比较后具有最小带宽消耗的那个CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期；

步骤2(b)：如果s_i不能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中任何一个CAN报文中，则产生一个新CAN报文f_j+1，该CAN报文的时间特征为和并将所述新CAN报文f_j+1加入到所述已使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}中 构成新的已使用过的CAN报文集，并将新的已使用过的CAN报文集仍用{f₁，f₂，…，f_j}的形式表示；

步骤3：如果该ECU仍有车辆信号需要封装，则返回步骤2；如果仍有其他ECU的车辆信号需要封装，则返回步骤1；最终构造的CAN报文集为F＝{f₁，f₂，…，f_m}；

步骤4：将最终构造的CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}中各报文截止期D_j按升序排序，按截止期单调方法为各CAN报文配置优先级，D_j越小，P_j越小；

步骤5：对CAN报文集F＝{f₁，f₂，…，f_m}进行最糟糕情形下的可调度性分析；

步骤5(a)：如果F可调度，则封装成功；

步骤5(b)：如果F不可调度，则在F中找到最糟糕响应时间大于截止期，且至少包含两个车辆信号的CAN报文，并构成不可调度CAN报文集F^*，在F^*中找出最糟糕响应时间和截止期差值最小的CAN报文f_relax，将f_relax中具有最小截止期的那个车辆信号从f_relax中移除，并封装到一个新CAN报文f_m+1中，更新f_relax和f_m+1的周期和截止期，返回步骤4，当所有不可调度CAN报文被全部分解而CAN报文集仍不可调度时，则封装失败。

2.如权利要求1所述的一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，其特征在于所述步骤1还可为：在每个ECU上，将车辆信号根据周期大小按递增顺序排序，排序后的车辆信号集为S＝{s₁，s₂，…s_i…，s_n}，即排序后的车辆信号集满足

3.如权利要求1所述的一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，其特征在于所述更新CAN报文的周期和截止期方法为：

设CAN报文“m_k，k∈Z⁺”传输车辆信号集“n∈Z⁺”的数据，“i∈n”的周期为“T_i∈Z⁺”，截止期为 为车辆信号集中具有最小周期的那个车辆信号，即 m_k的周期为“T_k,T_k∈Z⁺”，截止期为“D_k,D_k∈Z⁺”，则

4.如权利要求1所述的一种面向汽车CAN网络带宽消耗优化的车辆信号封装方法，其特征在于：由于CAN报文是以字节为单位发送的，因此，CAN报文f_i实际传输的数据域长度为：