整车控制系统网络化

整车控制系统网络化关键问题分析
一、整车控制系统的组成及特点
整车控制系统主要包括整车控制器、电机控制器、电池管理系统、混合动力驱动系统中的多能源管理系统、车身控制管理系统、信息显示系统和通信系统等。

整车控制器是整车控制系统的核心，承担了数据交换与管理、故障诊断、安全监控、驾驶员意图解释等功能。

各系统之间的信息传递通过网络通信系统实现，目前常用的通信协议是CAN协议，具有较好的可靠性、实时性和灵活性。

信心显示系统可以实现整车工作状态的实时显示，如车速、电池状态、电机状态、故障显示等，方便驾驶员了解车辆的实时状态。

整车控制系统必须具有较高的可靠性、容错性、电磁兼容性和环境适应性等。

二、网络在整车控制系统的应用
网络化是整车控制系统的发展方向，由于控制网络的引入，将原来分散在不同地点的现场设备连接成网络，自动化系统原有的“信息孤岛”被打破，为工业数据的远程传送与集中管理、以及控制系统与其他信息系统的连接与沟通创造了条件。

现代汽车工业和电子技术飞速发展，汽车上的电子装置越来越多。

一辆高档汽车的电气节点数已达上千个，如果采用传统的方法进行布线，连线的数量非常惊人而且有极大的故障隐患。

为了解决这一问题，各大汽车厂商从上世纪70年代开始了车用网络的研究，并取得了很大的发展，形成了多种适合不同传输速率及特殊用途的网络协议，如：CAN总线、LIN 总线、用于诊断的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒体应用的MOST协议等。

其中CAN(Controller Area Network，控制器局域网)是BOSCH公司于上世纪80年代提出的。

为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，可以很好的解决上述的问题。

现在世界上许多汽车公司，如奔驰、宝马、大众等公司已采用CAN总线来实现汽车内部的数据通信。

我国对车用网络、总线、通讯协议的研究起步比较晚，但近年来发展比较快，尤其在电动汽车项目中总线网络得到广泛的应用。

三、相关的问题及分析
1、网络时延问题及分析
网络诱导时延通常是指由于网络的介入而使得控制系统的信息传输产生的时延，是网络化控制系统研究中面临的主要问题之一。

通常，在进行系统建模过程中，传感器—控制器和控制器—执行器的时延，记为τsc和τca，合称为网络诱导时延。

而在大多数情况下，网络诱导时延是时变不确定的，它可能是短时延，也可能是长时延。

定义1：若网络诱导时延在区间［0 a］内分布，且a≤T，则称这样的网络诱导时延为短时延，其中T为采样周期。

定义2：若网络诱导时延在区间［0 a］内分布，且a>T，则称这样的网络诱导时延为长时延。

从通讯网络角度出发，基本思想是从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等方面提出解决方案，满足系统对实时性的要求，同时减小网络时延和时延的不确定性。

（1) 拓扑结构和介质访问控制层协议
有多种不同的网络类型可以应用于控制系统中，文献[19]对以太网、Controlnet 和Devicenet 进行了详细地分析和比较，研究了每种网络类型的时延特征以及适用范围。

为了将以太网应用于工业控制领域，许多学者从网络协议和拓扑结构角度进行了研究。

建议以太网中每一个信息包发送之前加上时间戳，但要做到这一点，必须网络中各个节点时钟同步。

在实际的以太网中，这很难实现。

提出多种基于冲突包确定性重传时延的方案，以保证所有信息包的时延具有上界，但这种做法会降低以太网CSMA/CD 介质访问控制协议的工作效率和信道的利用率。

还有些学者为了提高网络中实时性要求高的信息包的响应时间，提出在以太网中增加优先级设置。

近年来，利用交换式以太网提高网络效率是一种不错的解决办法，可以大大减少网络冲突，从而减小时延。

（2) 任务调度算法
任务调度算法是指对网络中的信息传输进行有效的调度，避免信息的阻塞，同时尽可能地提高网络资源的利用率。

Walsh 等研究了两种调度策略：TOD(Try-once-Discard)和token-ring-type 静态调度策略。

Walsh 假定NCS 中有p 个传感器节点，静态调度意味着每个节点按照某种顺序在每p 次传输中只能传输一次。

在最大允许传输间隔（MATI）范围内，控制器每τ秒至少接收从一个传感器节点传输过来的数据。

因此，在静态调度策略下，所有传感器数据最多pτ秒内就会更新一次。

而按照TOD 思想，具有最大误差的信息包首先传输，MA TI 保证每τ秒至少传输一次这样的信息。

所以，TOD 不能保证所有节点在每p 次传输中都能传输。

Walsh 等人在后续的研究文章中对这种方法做了较大改进。

ZHANG利用RM 静态优先调度策略研究了一类半回路网路控制系统在多包传输和丢包情况下的调度问题，给出了在RM 策略下的最优调度和稳定域。

2、网络通讯速度问题及分析
随着车载多媒体在车辆中的广泛应用，GPS、电话、音响、电视、DVD等系统进入汽车内，这些装置之间需要频繁的通讯，而且信息量巨大，CAN总线或J1850总线无法满足这些装置间的通讯要求，因为传输地理信息(GI)、数字音频信息或车辆位置信息至少需要5Mbps的网络速度，这样就出现了一种新型总线IDB-1394，可以支持100、200、400Mbps的通讯速度，完全可以满足高速通讯的网络需求。

CAN总线是一种控制策略总线，主要实现对车辆本身的控制，而IDB-1394总线则是以多媒体信息交互、共享为目的。

为实现车身整体性能的优化和实现CAN总线和IDB-1394总线间的信息流动，在两总线间增加网关就可以实现车身总线网络的一体化，从而实现车身的总线一体化控制。

3、控制系统网络化的安全问题及分析
随着汽车、电力等行业进入规模化生产，生产装置积聚的能量越来越大，并造成重大工业事故。

印度博帕尔毒气泄漏、前苏联切尔诺贝利核电站爆炸等震惊世界的灾难使人们前所未有地重视工业生产中的安全问题。

为此，安全仪表系统是安全相关系统的一类，是保障生产安全的重要措施，它应在危险事件发生之前正确地执行其安全功能，避免或减少事故的发生。

然而有些时候，由于安全仪表系统发生失效，在需要它执行安全功能时无法正确执行预定的功能，从而导致灾难事故的发生。

为了确保安全仪表系统的功能得到切实执行，功能安全的相关研究就诞生了。

2 0 0 0 年，国际电工委员会发布了I E C61508 标准，该标准明确提出了安全相关系统的功能安全。

功能安全是安全仪表系统有效地执行其安全功能的能力体现，是以系统功能的可靠执行来保证安全。

功能安全相关问题已成为研究热点。

下面从功能安全相关标准、理论研究、评估和认证以及安全监控产品等方面进行综述。

4、整车控制系统网络化线路简化问题及分析
整车控制ECU是整个汽车控制的中心。

司机的钥匙信号、加速信号、制动信号都进入到整车控制ECU，整车控制ECU通过对这些信号的分析并综合检测传感器的状态，产生各个节点的操作信号，并通过CAN总线将控制指令送到相应的节点。

电机控制ECU和转向、制动ECU根据整车控制ECU的控制指令，操纵汽车按照要求行驶。

高速CAN总线上还设置故障诊断ECU，负责整车故障信息的诊断和存储，并控制故障信号显示，还可以通过无线通讯系统和外部的故障诊断系统进行通讯。

另外高速CAN总线上设置了车载记录仪，其作用类似飞机的“黑匣子”，用于记录行车数据，分析记录整车系统的运行情况。

控制网络的低速总线采用LIN总线。

LIN总线是单主机节点和一组从机节点多点总线，主控制器为主站，其它车身系统为从站，主控制器同时作为LIN总线和高速CAN总线的网关，将整个车身系统总线连成一个统一的网络，这样所有 ECU 都挂到总线上，极大地简化了汽车内控制系统的线路联系，达到简化布线、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好的协调各个控制子系统的目的。

随着汽车技术的飞速发展，整车控制系统网络化这种有巨大应用前景的技术将得到更快的发展和更广泛的应用。

就我国的国情而言，加快对整车控制系统网络化技术的研究，开发有自主知识产权的整车控制系统网络化技术并应用于自己的汽车产业是当务之急，也是人们工作的重点。