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通信网络作为分布式实时控制系统的基础,如今在航空、汽车和工业控制领域得到了广泛应用。在汽车领域,随着电子化程度的提高,一些新的应用,如安全系统和线传电控(x-by-wire),对通信网络的可靠性提出了更高的要求。另一方面,来自周围环境的电磁干扰不可避免地影响着通信网络的性能。
十几年来以诸多优点而取得巨大成功的CAN(ControllerAreaNetwork)总线协议,究竟以何种程度满足可靠性的要求,这正是本文关心的问题。本文以事件触发总线协议CAN及基于CAN的时间触发总线协议TTCAN为对象,对基于二者的实时通信网络在电磁干扰下的可靠性展开研究并提出改进方案。
文章首先基于可靠性基本理论,建立了CAN通信网络的可靠性评估模型并指出,假定通信链路完全可靠时,CAN通信网络的可靠性关键在于节点的持续工作能力和任务的实时性。而冗余的通信链路有利于提高通信网络的可靠性。
随后,文章对CAN网络和TTCAN网络的节点持续工作能力和任务的实时性分别进行了分析和比较。对于前者,文章建立了描述节点状态变化的马尔科夫链模型,分析了在CAN故障界定机制下,当总线遭遇电磁干扰时节点的持续工作能力。结果表明,节点发送的数据帧平均长度越短,节点的可持续工作时间越长。对于任务的实时性,文章通过建立一个符合广义泊松过程的故障概率模型,以最坏情况下响应时间分析理论为基础,得到了消息响应时间的概率分布。
最后,基于上述分析的结果,文章提出TTCAN&CAN复合总线的解决方案,并依据上述的分析方法对它的可靠性进行了研究。复合总线中的TTCAN链路保障了任务响应的确定性和低延迟性,CAN链路提供了良好的故障容错和时限内完成任务的能力。借助于TTCAN同步时钟,CAN链路上任务的响应延迟较单个CAN总线有明显改善,软件模拟的分析结果验证了上述结论。