CN113630267B - 一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法及系统 - Google Patents
一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法及系统,包括:获取通信系统中每条总线的通信参数;利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型;根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能。优点:本发明考虑了传输介质双绞线的分布参数模型、支持多总线通信系统并行仿真,使用物理建模简化了建模过程,使仿真模型精确化基础上更贴合工程机械使用,更能快速、全面地表达通信的实际状况。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法及系统,属于工程机械能耗分析技术领域。
背景技术
目前工程机械的主要通信系统仍然是CAN总线通信,CAN总线是能耗控制系统重要通信方式,其性能的优劣明显影响能耗控制分析测试与验证时的精度。市场上使用的总线通信系统评价方法多数是指定位置、接口在特定节点通过模拟节点加入进行应用层分析,比如CANOE或者CAN总线分析仪,主要通过整体电平分析来评价总线的一致性指标或其他指标,无法兼顾多条总线,无法计算单独节点以及线缆带来的具体影响,需要反向排查性能优的节点才能确定性能差的节点。这种方式往往每一种总线都需要一种专业的分析设备,且多数在测试过程中需要整体系统的实物介入,使用虚拟仿真仅能够实现应用层评价,不能够对通信系统的物理层包含元器件、节点、线缆进行分析和评价,对于信号的物理层分析需要使用实际节点并且最大程度的模拟现场拓扑才能实现,很难在设计阶段及时正向代入总线设计工作。在面对工程机械行业车辆多种不同类型设备整合的通信系统,应用层的通信协议和物理层一致性分析,在设计后期基于实际总线设计,明显会影响产品开发时效。
现有技术中,工程机械能耗控制系统包含电气系统、液压系统,以及通信系统,主要实现过程仍然是以仿真为主,兼容各个子系统的仿真及结果是其主要技术方案。本身系统的复杂的线束和关联控制增加了产品的设计难度,传统的测试方法,例如对节点设备(包括控制器、发动机、显示器、各类传感器、远程控制系统等)之间的通信测试时,往往需要完成整个系统的实物来支撑,在特定位置加入测试节点作为模拟节点进行分析,导致使其不利于单独设备的开发改进工作,且研发周期长,测试费用高。
目前的测试方法建立在整体系统的实物上支撑,主要通过整体电平分析来评价总线的一致性指标或其他指标,无法兼顾多条总线,无法计算单独节点以及线缆带来的具体影响,需要反向排查性能优的节点才能确定性能差的节点,无法实现正向设计,致使其不利于单独设备的开发改进工作,且研发周期长,测试费用高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法及系统。
为解决上述技术问题,本发明提供一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法,包括:
获取通信系统中每条总线的通信参数;
利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型;
根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能。
进一步的,所述通信参数包括每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud、报文信息。
进一步的,所述利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型的过程包括:
根据每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud将总线的通讯网络确定为集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型。
进一步的,在波特率不大于预先设置的第一阈值、且节点数目不大于预先设置的第二阈值时,采用电阻仿真模型,
所述电阻仿真模型表示为:
RL=L*ρ
式中,RL表示双绞线的其中一个通信网络导线的等效电阻,L表示双绞线的单个通信网络导线长度,ρ表示导线电阻率;
在波特率大于预先设置的第一阈值、且节点数目大于预先设置的第二阈值时,采用电阻电容电感仿真模型,
所述电阻电容电感仿真模型表示为:
R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻,k为集肤深度参数,r为线芯半径,La为电感,ca为绝对电容,roc、ac为邻近电阻参数,f为导线通过电流的频率。
一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,包括:
获取模块,用于获取通信系统中每条总线的通信参数;
确定模块,用于利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型;
计算模块,用于根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
比较模块,用于将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能。
进一步的,所述总线包括数个通信节点、通信网络导线和终端电阻;
通信网络导线上设有若干通信节点,通信网络导线的两端分别设置终端电阻。
进一步的,所述通信节点基于状态模型进行仿真模型构建,用于发送或接收总线上的由一组定周期的差分电平构成的数据。
进一步的,所述确定模块包括通信网络模型构建模块,
用于根据每条总线的通信参数将总线的通讯网络确定通信网络的建模类型,根据建模类型构建集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型,其中通信参数包括每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud、报文信息。
进一步的,所述通信网络模型构建模块,用于
在波特率不大于预先设置的第一阈值、且节点数目不大于预先设置的第二阈值时,采用电阻仿真模型,
所述电阻仿真模型表示为:
RL=L*ρ
式中,RL表示双绞线的其中一个通信网络导线的等效电阻,L表示双绞线的单个通信网络导线长度,ρ表示导线电阻率;
在波特率大于预先设置的第一阈值、且节点数目大于预先设置的第二阈值时,采用电阻电容电感仿真模型,
所述电阻电容电感仿真模型表示为:
R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻,k为集肤深度参数,r为线芯半径,La为电感,ca为绝对电容,roc、ac为邻近电阻参数,f为导线通过电流的频率。
进一步的,所述仿真模型采用Modelica仿真语言进行构建;
所述比较模块采用Python编辑语言进行构建。
本发明所达到的有益效果:
本发明考虑了传输介质双绞线的分布参数模型、支持多总线通信系统并行仿真,使用物理建模简化了建模过程,使仿真模型精确化基础上更贴合工程机械使用,模型固化后能够更加快速的实现建模过程,更能快速、全面地表达通信的实际状况。通过仿真计算出接收方接收处理数据时信号的衰减过程,为实现终端电阻与网络的特性阻抗相匹配提供精确依据。
附图说明
图1为本发明节点间电气连接示意图,;
图2为通信节点状态模型建模示意图;
图3为双绞线分布参数模型示意图;
图4为通信系统示意图;
图5为仿真评价通信系统的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法,包括:
获取通信系统中每条总线的节点数量n、距离L和波特率Baud、报文信息;
利用每条总线的节点数量n、距离L和波特率Baud、报文信息确定双绞线仿真模型;
根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能。
所述利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型的过程包括:
根据每条总线的节点数量n、每条总线的距离和波特率Baud将总线的通讯网络确定为集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型。
在波特率≤250Kbit/s、且节点数目≤20个时,采用电阻仿真模型,
所述电阻仿真模型表示为:
RLa=L*ρ,
RLb=L*ρ
式中,RLa和RLb表示双绞线的两个通信网络导线的等效电阻,L表示双绞线的单个通信网络导线长度,ρ表示导线电阻率;
在波特率>250Kbit/s、且节点数目>20个时,采用电阻电容电感仿真模型,
所述电阻电容电感仿真模型表示为:
R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻,k为集肤深度参数,r为线芯半径,La为电感,ca为绝对电容,roc、ac为邻近电阻参数,f为频率,本实例中,roc=174.56Ω/Km,ac=0.053Ω4/Km4Hz2。
相应的本发明还提供一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,如图1所示,该建模评价过程建立在通过Modelica的仿真语言的物理建模的基础上,初始化参数由评价系统界面完成设置,仿真结果由Modelica仿真系统传回评价系统进行综合评定和结果显示。
具体包括:
获取模块,用于获取通信系统中每条总线的节点数量n、每条总线的距离和波特率Baud、报文信息;
确定模块,用于利用每条总线的节点数量n、每条总线的距离和波特率Baud、报文信息确定双绞线仿真模型;
计算模块,用于根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
比较模块,用于将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能。
如图2所示,所述总线包括数个通信节点、通信网络和两端终端电阻;所述总线包括数个通信节点、通信网络导线和终端电阻;通信网络导线上设有若干通信节点,通信网络导线的两端分别设置终端电阻。
如图3所示,其中,双绞线分布参数模型共有两路建模通道可选,通过波特率、距离、节点数目进行建模匹配和选择;
1、选择建模的双绞线模型,主要根据节点数量n、距离L和波特率Baud分别为集总参数电路法的电阻模型和分布参数电路法的电容电感模型:
(1)、集总参数电路法的电阻模型:当波特率不大(≤250Kbit/s)并且节点数目较少(≤20个)时,将双绞线等效为电阻,建模图如图4所示,电阻值大小RLa与导线电阻率ρ、导线长度L、截面积S、使用实际温度T相关,简化忽略温度影响建模后,RLa=L*ρ,RLb=L*ρ,本实例中,ρ=0.017Ω/m;
(2)、分布参数电路法的电容电感模型:当波特率较大(>250Kbit/s)节点数目较多(>20个)时,双绞线等效同时考虑分布电容和分布电感,建立的简化模型如图4所示,其中,La为电感,ca为绝对电容,R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻。根据经典传输线理论,对于选用型号的铜质双绞线CAN总线网络,La,ca数值由实际电缆特征确定,本实例中,La=800uH/Km,Ca=0.06uF/Km,单位分别为数量级在e-7和e-9的单位量级上,使用物理模型直接建模时,k为集肤深度参数,单位数量级在e-3,r为线芯半径;roc为ac邻近电阻参数,单位分别为数量级在e-1和e-3的单位量级上,本实例中,roc=174.56Ω/Km,ac=0.053Ω4/Km4Hz2。
如图4所示,其中可以通过评价系统的人机显示界面实现通信节点和网络的初始化设计,通过监测输入、输出端口CANH与CANL的最终电压,在其中在仿真系统里实现物理层评价;可以通过输出数据的分析,完成仿真系统的应用层指标评价。允许多条总线同时仿真,每条总线允许多个节点进行同时仿真通信。
如图5为仿真评价通信系统的流程图,其中主要步骤为:
1、选择建模的双绞线模型,主要根据节点数量n、距离L和波特率Baud分别为集总参数电路法的电阻模型和分布参数电路法的电容电感模型:
2、初始化环节,使能节点使能信号,选择通信系统外部因素(波特率、通信线缆长度、节点数目)后,设置节点传输数据;
3、进入物理层仿真评价环节,得到输出环节的电平曲线,仿真得到的特性阻抗特性曲线。
4、进入应用层仿真评价环节,统计数据错误率、总线负载率等特性数据;
5、将测试的数据进行总线数据性能分析,仿真结果(电平曲线,特征阻抗)传输到评价系统,根据评价策略显示测试结果并形成文档显示。
其中本实例中采用只听模式侦听总线数据,并通过运行结果对物理层电平、匹配阻抗等参数以及应用层数据进行总线负载率等参数统计并形成数据文档显示,得到的特征阻抗与终端电阻进行比对,差值进行显示,差值越小,抗反射性能越好,信号质量越好。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价方法,其特征在于,包括:
获取通信系统中每条总线的通信参数;
利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型;
根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能;
所述通信参数包括每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud、报文信息;
所述利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型的过程包括:
根据每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud将总线的通讯网络确定为集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型;
在波特率不大于预先设置的第一阈值、且节点数目不大于预先设置的第二阈值时,采用电阻仿真模型,
所述电阻仿真模型表示为:
RL=L*ρ
式中,RL表示双绞线的其中一个通信网络导线的等效电阻,L表示双绞线的单个通信网络导线长度,ρ表示导线电阻率;
在波特率大于预先设置的第一阈值、且节点数目大于预先设置的第二阈值时,采用电阻电容电感仿真模型,
所述电阻电容电感仿真模型表示为:
R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻,k为集肤效应相关参数,r为线芯半径,La为电感,ca为绝对电容,roc、ac为邻近电阻参数,f为导线通过电流的频率。
2.一种适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取通信系统中每条总线的通信参数;
确定模块,用于利用每条总线的通信参数确定双绞线仿真模型;
计算模块,用于根据双绞线仿真模型计算得到每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率;
比较模块,用于将预先设置的评价规则标准和计算得到的每条总线的终端电阻、总线的网络特性阻抗、总线数据错误率和总线数据负载率进行比较,根据比较的结果确定通信系统的性能;
所述确定模块包括通信网络模型构建模块,
用于根据每条总线的通信参数将总线的通讯网络确定通信网络的建模类型,根据建模类型构建集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型,其中通信参数包括每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud、报文信息;
所述通信网络模型构建模块,用于
在波特率不大于预先设置的第一阈值、且节点数目不大于预先设置的第二阈值时,采用电阻仿真模型,
所述电阻仿真模型表示为:
RL=L*ρ
式中,RL表示双绞线的其中一个通信网络导线的等效电阻,L表示双绞线的单个通信网络导线长度,ρ表示导线电阻率;
在波特率大于预先设置的第一阈值、且节点数目大于预先设置的第二阈值时,采用电阻电容电感仿真模型,
所述电阻电容电感仿真模型表示为:
R1为趋肤效应电阻,R2为邻近效应电阻,k为集肤深度参数,r为线芯半径,La为电感,ca为绝对电容,roc、ac为邻近电阻参数,f为导线通过电流的频率。
3.根据权利要求2所述的适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,其特征在于,所述总线包括数个通信节点、通信网络导线和终端电阻;
通信网络导线上设有若干通信节点,通信网络导线的两端分别设置终端电阻。
4.根据权利要求3所述的适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,其特征在于,所述通信节点基于状态模型进行仿真模型构建,用于发送或接收总线上的由一组定周期的差分电平构成的数据;
所述确定模块包括通信网络模型构建模块,
用于根据每条总线的通信参数将总线的通讯网络确定通信网络的建模类型,根据建模类型构建集总参数电路法的电阻仿真模型或分布参数电路法的电阻电容电感仿真模型,其中通信参数包括每条总线的节点数量n、每条总线的导线长度和波特率Baud、报文信息。
5.根据权利要求4所述的适用于能耗控制系统的通信系统仿真评价系统,其特征在于,
所述仿真模型采用Modelica仿真语言进行构建;
所述比较模块采用Python编辑语言进行构建。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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