车载CAN-TSN异构网络原型系统设计和网关调度策略研究

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随着互联,自动,共享和电力(CASE)的逐步发展以及基础设施和工业生态的改善,新一代智能网联汽车的时代即将来临。诸如高阶辅助驾驶系统(ADAS)、自适应巡航控制(ACC)系统、智能座舱等汽车应用不断涌现,传统车载网络(控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)、Flex Ray等)逐渐无法满足汽车的高带宽压力和高可靠性需求,车载网络架构亟待变革。随着车载以太网和时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)的发展,汽车行业逐渐形成了新的电子电气(Electroni/Engineering,E/E)架构共识:基于域控制单元(Domain Controller Unit,DCU)的主干以太网E/E体系结构。新一代智能网联车载网络架构将以TSN为主干网,按照功能划分通信子域,各功能子域(如动力总成域、底盘域等)内使用传统车载网络(CAN、Flex Ray等),主干网与其他功能子域通过网关连接。新一代车载网络架构不仅可以保持现有分布式集成体系结构的域划分特性,还能满足新一代汽车应用对于车载网络提出的高带宽、低时延和高可靠性的需求。本文主要工作及贡献如下:基于新一代智能网联车载网络架构,本文完成了CAN-TSN异构网络原型系统方案设计,该原型系统围绕NXP车规级的TSN交换芯片SJA1105TEL进行设计。原型系统上实现了802.1AS、802.1Qav、802.1Qbv等车载TSN相关协议,并且在此基础上对CAN和TSN进行了互连。该系统是一种将TSN运用于车载网络的尝试,可以很方便的对此进行二次开发,可用于新一代智能网联车载网络架构下应用的预研,对于将TSN运用于车载网络有重要的意义。此外,本文还提出了一个基于嵌入式Linux的CAN-TSN网关设计方案,该网关使用了更高主频(800Mhz)的主控芯片(I.MX6ULL),因此具有更好的性能。本文还对CAN-TSN网关结构和网关内调度策略进行了设计。本文提出了一种离散信道型网关结构设计,在该设计下网关具有良好的灵活性和可拓展性。本文提出了一种新的基于网关内MAT(最大等待时间)的调度策略,该调度策略以CAN-TSN调度模型为基础,同时考虑了CAN帧的截止期和CAN ID,因此能保证网关具有更好的实时性。在原型系统上的实验能够证明:相比于传统的调度策略(基于FIFO的调度策略和基于CAN ID的调度策略),该调度策略能保证CAN帧具有更高的接收率,使用该调度策略的网关具有更好的实时性。
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