车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置

摘要

本发明公开了一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置，包括步骤：对网络静态段信号基本参数定义；对网络静态段信号封装；对网络静态段信号求解。该装置包括网络静态段信号基本参数定义单元；网络静态段信号封装单元；网络静态段信号求解单元。本发明的方法不仅减少了静态时隙的使用，执行效率效率更高，同时还提高了单个静态时隙的扩展性。此方法可用于支持AUTOSAR规范的汽车电子系统设计中，支持多周期的FlexRay网络参数配置。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车通信技术领域，特别涉及一种车载FlexRay总线网络静态段信号封装方法及装置。

背景技术

(1)汽车电子控制系统之间依靠车载总线进行数据传输，而车载总线的传输速率、可靠性以及确定性是又影响着汽车电子控制系统的温度性和可靠性。

(2)FlexRay总线协议是车载总线中传输速率和可靠性比较优越的一种总线协议，但是FlexRay总线的静态时隙的个数是十分有限的，要应对逐渐增加的汽车电子控制系统，必须尽可能地减少静态时隙的分配和使用，同时还需要使单个静态时隙能容纳更多的网络节点，传输更多的数据。

(3)因此，减少静态时隙的使用、提高单个静态时隙的扩展性十分有必要。

与本发明最相近的实现方案：

《一种基于时间碎片最小化的汽车FlexRay总线设计方法》(CN 103618658A)。定义网络时间碎片概念，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，进而可实现FlexRay消息ID分配、静态时隙长度和静态时隙数目设计。

该方法存在的主要缺点：仅对FlexRay消息ID(每个消息ID对应一个静态时隙)分配，无法保证单个静态时隙的扩展性是否最优，也就无法保证FlexRay网络资源的最佳分配利用。

其他缺点：1)不符合AUTOSAR汽车电子软件规范对FlexRay通信周期的规定，方法无法在实际的车载FlexRay网络设计中运用；2)以消息最坏相应时间作为约束一方面使方法的执行效率变差，另一方面由于FlexRay静态段数据传输基于时分多址(TDMA)的形式，每个消息对应的静态时隙在整个FlexRay通信周期内的时间起点和终点都是固定的，所以消息最坏响应时间在实际设计过程中并不具有太大的参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种单个静态时隙的扩展性达到最优，进而保证 FlexRay网络资源的最佳分配利用的车载FlexRay总线的网络静态段信号设计方法及装置。

术语解释：

FlexRay静态段调度相关的主要参数有：

·FlexRay通信周期(FlexRay Communication Cycle)–FC；

·FC的持续时间–T_FC；

·FC重复次数–N_FC；

·当前FC编号–n_FC；

·FlexRay通信控制器(Communication Controller)–CC；

·静态段(Static Segment)–SS；

·动态段(Dynamic Segment)–DS；

·静态时隙(Static Slot)–STS；

·静态时隙个数(gNumberOfStaticSlots)–N_STS；

·静态段持续时间(Duration ofStatic Segment)–T_SS；

·一个静态时隙持续时间(Duration ofStatic Slot)–T_STS；

·一个大时钟节拍的持续时间(DurationofMacrotick)–T_MAT；

·一个小时钟节拍的持续时间(DurationofMicrotick)–T_MIT；

·FlexRay带宽(FlexRayBandwidth)(单位为Mbps)–FB；

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法，包括：

步骤A，对网络静态段信号基本参数定义，根据FlexRay总线访问控制和编码机制，设定有n个节点，n_j∈Nodes，每个节点产生的信号集表示为>所有节点产生的全部信号表示为S＝{S¹,S²,...,Sⁿ}；

步骤B，对网络静态段信号封装，获取步骤A中S＝{S¹,S²,...,Sⁿ}，对信号按所属节点进行分类，Sⁱ∈S，σ_j∈Sⁱ，将信号转换成矩形，转化后为R'；

步骤C，对网络静态段信号求解，对转化后R'运用装箱方法进行求解。

可选的，步骤A中网络静态段信号基本参数定义包括步骤：

设定一个FlexRay应用周期长度为T_AC，一个应用周期内FlexRay通信周期的重复次数为2^R，R∈[0,1,2,...,6]，一个FlexRay通信周期的长度为T_C表示，则

T_AC＝2^R·T_C

一个应用周期内包含2^R个FlexRay通信周期：其中，AC表示一个应用周期，FC表示FlexRay通信周期；

T_SS＝N_STS·T_STS

其中SS表示静态段，T_SS表示静态段持续时间，N_STS表示静态时隙个数，T_STS表示一个静态时隙持续时间；

节点N_i有信号集待发送，

信号对应的长度为：

对应的周期分别为：

FlexRay通信周期T_C取作所有信号周期的最大公约数T_C＝gcd(P¹,P²,...,Pⁿ)或最大公约数的整约数，应用周期T_AC应取所有信号周期的最小公倍数T_AC＝lcm(P¹,P²,...,Pⁿ)或其整倍数；

分配给节点N_i的静态时隙为：其中0≤m≤n；

STSⁱ对应着数据帧集：

信号封装问题可记作：

pack:Sⁱ→Fⁱ

用变量表示信号是否在FC_j内被发送：

用变量gj,k,mi表示节点Ni的信号(ki在FCj内是否被映射到slotmi上：

STS的字节长度可表示为：

W_STS＝T_STS·B

其中，B表示FlexRay波特率；

映射到同一个静态时隙上的所有信号的长度不能超过静态时隙自身的长度，即满足约束条件：

信号在FC_j内是通过数据帧来实现的，则映射到上的信号的总长度应小于的数据段的最大长度；的数据段的有效总长度为：

W_NM为网络管理数据占用的位长，W_NM＝0-12bytes；

更确切的范围应该是：

用Q_ni,j表示一个STS:slot_j被节点n_i占有的状态：

信号要在slot_j内发送，应满足：

一个STS只能被分配给一个节点：

可选的，步骤B根据网络静态段信号封装包括步骤：

给出映射f:σ_i→R_i

{x_i,y_i,w_i,h_i}表示二维矩形条带装箱问题里的矩形元素，其中，x_i，y_i分别表示矩形条带装入后的横、纵坐标，w_i表示矩形条带的宽度，h_i表示矩形条带的高度；因为信号σ_i的相位φ_i和其周期p_i不能相互替代，对应地，装箱问题不考虑矩形的旋转情况，

H_b＝2^R

W_b＝ω_i

当前节点占用一个STS，共有4个信号{σ₀,σ₁,σ₂,σ₃}需要传输，信号的长度依次为{w₀＝3byte,w₁＝1byte,w₂＝4byte,w₃＝2byte}信号的周期分别为{p₀＝40ms,p₁＝20ms,p₂＝40ms,p₃＝40ms}，取应用周期为AP＝lcm{p₀,p₁,p₂,p₃}＝lcm{40ms,20ms,40ms,40ms}＝40ms，FC的持续时间取为T_FC＝10ms；对应地，σ₀在FC₀内发送，σ₁分别在FC₀和FC₂内各发送一次，σ₂在FC₂内发送，σ₃在FC₃内发送；转化后的矩形记作{r₀,r₁,r₂,r₃}，其宽和高((w,h))依次为{(3,1),(1,2),(4,1),(2,1)}。

可选的，步骤C所述网络静态段信号求解：

主要步骤如下：

初始化待装矩形集合R_i∈R，使用的箱子数n←0，装修高度h←0，装箱过程产生的轮廓线集合edges←NULL；

判断矩形R_i是否装入箱子中，未装入则，从edges中选取最低水平线e_k，j←-1，运用完全匹配优先方法装入矩形，记录返回值j←WFF(R_i,e_k)；判断j是否小于-1，小于则，运用高度匹配优先方法装入矩形，记录返回值j←HFF(R_i,e_k)，再次判断判断j是否小于-1，小于则，运用组合宽度匹配优先方法装入矩形，记录返回值j←HFF(R_i,e_k)；继续判断判断j是否小于-1，小于则，运用组合宽度匹配优先方法装入矩形，记录返回值j←JWFF(R_i,e_k)；合并edges中部分轮廓线；

装入则，将矩形R_i装入e_k对应的位置上，h←max(h,R_i.y+R_i.h)；

更新集合edges和R；

i←i+1；

判断装箱是否结束，结束则，输出装箱结果n，h；没结束则判断当前箱子是否装满，装满则，开启一个新的箱子，初始化edges，未装满，继续装入。

一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计装置，包括：

网络静态段信号基本参数定义单元，所述网络静态段信号基本参数定义单元完成对网络静态段信号基本参数定义；网络静态段信号封装，所述网络静态段信号封装单元完成对网络静态段信号封装；网络静态段信号求解，所述网络静态段信号求解单元完成对网络静态段信号求解。

本发明的有益效果：

本发明通过定义对网络静态段信号基本参数定义，网络静态段信号封装后把问题转换为矩形问题，进而对转换后矩形运用装箱方法进行求解不仅减少了静态时隙的使用(也即最小化时间碎片)，执行效率效率更高，同时还提高了单个静态时隙的扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的流程示意图；

图2为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的FlexRay总体结构；

图3为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的信号封装问题到装箱问题的转换；

图4为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的信号封装问题求解方法流程图；

图5为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的LBFP算法流程图；

图6为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的解决最小化静态时隙的使用、提高单个静态时隙扩展性的方法流程图；

图7为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的采用LBFP+GA方法前的示意图；

图8为本发明一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置的采用LBFP+GA方法后的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(1)FlexRay基本特性

一个FlexRay基本通信周期包括静态段(Static Segment,SS)、动态段(DynamicSegment,DS)、符号窗口(Symbol Window,SW)和网络空闲时间(Network Idle Time,NIT)。其中，静态段又被分成有限个长度相同的静态时隙(Static Slot,STS)。FlexRay网络中的节点只能在属于自己的STS的时间范围内发送和接收消息。为了尽可能减少静态时隙的浪费，静态段一般只用来发送周期信号，而非周期信号则在采用柔性时分多址(FlexibleTime Division Media Access,FTDMA)访问机制的动态段进行发送和接收。本发明主要针对FlexRay的静态段。

FlexRay网络节点中的信号若要被发送出去，则需要将其封装成帧，才能在每个时隙内进行发送，参见图2所示。

在实际的FlexRay应用中，每个节点待发送的信号数量巨大，而且可能具有不同的周期，而FlexRay的静态段的参数又是被静态设置的，即一个支持FlexRay总线的控制系统出厂后，这些参数将不能被改变。因此，信号封装是在设计阶段就必须考虑的一个重要问题。

另一方面，节点信号数据吞吐量的大小影响着静态时隙的分配，信号量大，则该节点需要分配更多的静态时隙，信号量小，则该节点只需占用少量的静态时隙。

(2)基本参数定义

根据FlexRay协议规定，静态段SS包含N_STS个STS，即：

T_SS＝N_STS·T_STS>

一个FlexRay通信周期(FlexRay Cycle,FC)的长度记作T_C，一个应用周期(Application>AC，根据AUTOSAR规范及FlexRay协议可知：

T_AC＝2^R·T_C>

其中，2^R为一个应用周期内FC的重复次数，R∈[0,1,2,...,6]。

可知，一个应用周期(AC)内包含2^R个FlexRay通信周期(FC)：>

静态段的长度(时长)记作T_SS，静态段包含N_STS个静态时隙，每个静态时隙的长度(时长)为T_STS，则T_SS可表示为：

T_SS＝N_STS·T_STS(1.3)

节点N_i有信号集待发送，信号对应的长度为：对应的周期分别为：根据Klaus Schmidt等及Zeng H等的定义，FlexRay通信周期T_C取作所有信号周期的最大公约数T_C＝gcd(P¹,P²,...,Pⁿ)或最大公约数的整约数，应用周期T_AC应取所有信号周期的最小公倍数T_AC＝lcm(P¹,P²,...,Pⁿ)或其整倍数。

分配给节点N_i的静态时隙为：其中0≤m≤n。根据FlexRay协议规定，信号在STS内的发送是通过数据帧来实现的，且一个STS内最多允许发送一帧数据。则STSⁱ对应着数据帧集：从而信号封装问题可记作：

pack:Sⁱ→Fⁱ(1.4)

用变量表示信号是否在FC_j内被发送：

用变量g_j,k,mⁱ表示节点N_i的信号σ_kⁱ在FC_j内是否被映射到slot_mⁱ上：

为避免引起歧义，文中的所有关于时间长度的定义都用字母T或t表示，关于字节长度或位长的定义都用W或ω表示。根据式的定义，STS的字节长度可表示可表示为：

W_STS＝T_STS·B>

其中，B表示FlexRay波特率。

映射到同一个静态时隙上的所有信号的长度不能超过静态时隙自身的长度(位长)，否则该信号无法被发送出去。即应满足约束条件：

进一步分析，信号在FC_j内是通过数据帧来实现的，则映射到上的信号的总长度应小于的数据段的最大长度。根据FlexRay协议，的数据段的有效总长度为：

其中，W_NM为网络管理数据占用的位长，FlexRay协议里规定W_NM＝0-12bytes。因此，更确切的范围应该是：

用Q_ni,j表示一个STS:slot_j被节点n_i占有的状态：

信号要在slot_j内发送，则产生信号的节点必须占有该STS，即应满足：

另根据协议的规定，一个STS只能被分配给一个节点：

(3)信号封装问题的转换

根据式(1.1)-(1.13)给出映射f:σ_i→R_i:

而{x_i,y_i,w_i,h_i}可以表示二维矩形条带装箱(2D>i，y_i分别表示矩形条带装入后的横、纵坐标，w_i表示矩形条带的宽度，h_i表示矩形条带的高度。因为信号σ_i的相位φ_i和其周期p_i不能相互替代，对应地，装箱问题不考虑矩形的旋转情况。

另根据，箱子的宽和高取为：

H_b＝2^R

W_b＝ω_i>

至此，可将信号封装问题转化为2DR-SPP问题。当前节点占用一个STS，共有4个信号{σ₀,σ₁,σ₂,σ₃}需要传输，信号的长度依次为>0＝3byte,w₁＝1byte,w₂＝4byte,w₃＝2byte}信号的周期分别为{p₀＝40ms,p₁＝20ms,p₂＝40ms,p₃＝40ms}，取应用周期为AP＝lcm{p₀,p₁,p₂,p₃}＝lcm{40ms,20ms,40ms,40ms}＝40ms，FC的持续时间取为T_FC＝10ms。对应地，σ₀在FC₀内发送，σ₁分别在FC₀和FC₂内各发送一次，σ₂在FC₂内发送，σ₃在FC₃内发送。转化后的矩形记作{r₀,r₁,r₂,r₃}，其宽和高((w,h))依次为{(3,1),(1,2),(4,1),(2,1)}。

(4)信号封装问题求解对于任意一个节点n_j∈Nodes，该节点产生的信号集表示为所有节点产生的全部信号可表示为S＝{S¹,S²,...,Sⁿ}。对于信号集S，信号封装的一般算法步骤如下：

(5)LBFP方法

LBFP方法支持对多个静态时隙问题进行求解，主要步骤如下：

(6)解决最小化静态时隙的使用、提高单个静态时隙扩展性的方法

实施例3

一种车载FlexRay总线网络静态段信号设计方法及装置，该装置包括网络静态段信号基本参数定义单元；网络静态段信号封装单元；网络静态段信号求解单元。

其它优点：此方法可用于支持AUTOSAR规范的汽车电子系统设计中，支持多周期的FlexRay网络参数配置。

Klaus Schmidt等提出总线带宽利用率来评价调度结果，其定义如下：

总线带宽利用率U虽然在一定程度上能表示调度结果，但是不能用来很好地评价总线扩展性。给定一组信号{σ₀,σ₁,σ₂,σ₃,σ₄}。信号长度分别为{σ₀＝3bytes,σ₁＝4bytes,σ₂＝1bytes,σ₃＝2bytes,σ₄＝1bytes}，信号的周期分别为{p₀＝p₁＝p₂＝p₃＝p₄＝40ms}，FlexRay通信周期为T_C＝10ms，FlexRay应用周期为T_AC＝40ms，FlexRay波特率记作B，静态时隙的时间长度记作T_STS优化前的信号封装形式，优化后的信号封装形式。优化前后的带宽利用率分别记作U_a,U_b：

即优化前后的带宽利用率U_a＝U_b，但还可以在第2个通信周期FC₁内传输最大长度为3bytes的信号，而还可以在第4个通信周期FC₃内传输最大长度为4bytes的信号，两者的扩展性存在差异，但其带宽利用率相同。

因此，引入新的评价指标剩余有效带宽比(Residual Effective BandwidthRatio,ERB):

其中，W_f′表示帧的剩余有效长度，l_max是可加入传输的最大信号长度。优化前和优化后的剩余有效带宽比分别为：

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。