CN103841213B - 一种面向汽车can网络报文数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网络报文数优化的车辆信号封装方法，旨在提供一种使汽车CAN网络报文数最少，且满足实时性要求的车辆信号封装方法。本发明将车辆信号根据长度大小按递减顺序排序，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网络报文数优化，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网络报文数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网络报文数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）和电子控制装置也在不断增加。它们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，车载网络技术实现了汽车各ECU的实时控制。在多种车载网络技术中，CAN（ControllerArea Network，控制器局域网）以其良好的运行特性，即高可靠性和独特设计，特别适合现代汽车各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。为了降低每个ECU上的CAN报文数量，必须优化CAN网络报文数。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的CAN报文数据域的浪费。

因此，有必要提出面向汽车CAN网络报文数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网络报文数优化的车辆信号封装方法，以减少汽车CAN网络报文数，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：

一种面向汽车CAN网络报文数优化的车辆信号封装方法，该方法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；CAN报文特征（T，D，L，DL，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；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，将车辆信号根据长度大小按递减顺序排序，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}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，则将s_i装入该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，该新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}中的各报文截止期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2（a）还可为：按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，且该CAN报文装下s_i后的剩余可封装长度在所有能够装下s_i的CAN报文中是最小的，则将s_i装入该CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期。

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⁺）传输车辆信号集的数据，的周期为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网络报文数优化，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网络报文数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。CAN报文特征（T，D，L，DL，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；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，将车辆信号根据长度大小按递减顺序排序，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}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，则将s_i装入该CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期；或者，按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，且该CAN报文装下s_i后的剩余可封装长度在所有能够装下s_i的CAN报文中是最小的，则将s_i装入该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，该新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_n}。

步骤4：将最终构造的CAN报文集F＝{f₁，f₂，...，f_m}中的各报文截止期Dj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⁺）传输车辆信号集的数据，的周期为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，则需构造250个CAN报文；而采用本发明的面向汽车CAN网络报文数优化的车辆信号封装方法后，则只需构造24个CAN报文，显然实现了对CAN报文数的优化，并利于系统的实时性。

Claims (4)

1.一种面向汽车CAN网络报文数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；CAN报文特征(T，D，L，DL，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；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，将车辆信号根据长度大小按递减顺序排序，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}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，则将s_i装入该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，该新CAN报文的时间特征为和将所述新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}中的各报文截止期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网络报文数优化的车辆信号封装方法，其特征在于所述步骤2(a)还可为：按顺序观察已经使用过的CAN报文集{f₁，f₂，…，f_j}，一旦发现车辆信号s_i能够装入{f₁，f₂，…，f_j}中的某个CAN报文中，且该CAN报文装下s_i后的剩余可封装长度在所有能够装下s_i的CAN报文中是最小的，则将s_i装入该CAN报文中，并更新该CAN报文的周期和截止期。

3.如权利要求1所述的一种面向汽车CAN网络报文数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∈Ζ⁺”传输车辆信号集的数据，的周期为截止期为 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

4.如权利要求1所述的一种面向汽车CAN网络报文数优化的车辆信号封装方法，其特征在于：CAN报文f_i实际传输的数据域长度为：