基于TCP/IP的智能汽车控制系统设计

【前言】基于TCP/IP的智能汽车控制系统设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。要彻底解决交通安全问题,智能汽车是未来汽车发展的方向。国外无人驾驶汽车已有十余年的研究历史,取得了能在高速公路上试验行驶数千英里的成果,但离真正使用尚有较大距离。我们现阶段研究智能汽车的目的是通过大量传感器获得车内、外部环境参数,并在合理的控制策略下实...

摘要:针对现场总线存在传输速率低、成本相对较高等问题,设计了一种基于tcp/ip协议的工业以太网实现嵌入式环境下Server/Client结构的控制系统。重点阐述了系统的网络通信、软件结构和控制方式,并说明了如何采用XML语言进行帧数据传递。通过研究消息队列调度算法和共享缓冲池数据聚类以增强系统实时性和达到告警、控制的目的。系统实验表明,采用工业以太网总线方式,具有通信速率高、开放性好、成本低廉的优点。该设计应用在智能汽车辅助驾驶和控制系统中是一种可行、有效的方法。

关键词:汽车电子;工业以太网;智能汽车;TCP/IP;消息处理;嵌入式控制系统

中图分类号:TP273.5

文献标志码:A

0引言

要彻底解决交通安全问题,智能汽车是未来汽车发展的方向。国外无人驾驶汽车已有十余年的研究历史,取得了能在高速公路上试验行驶数千英里的成果,但离真正使用尚有较大距离。我们现阶段研究智能汽车的目的是通过大量传感器获得车内、外部环境参数,并在合理的控制策略下实现辅助驾驶、主动避障等功能,从而极大提高车辆的安全性。智能汽车综合应用了智能控制、多传感器融合、计算机网络以及车辆工程等多种技术。本文主要从通信总线的改进设计出发研究智能汽车嵌入式控制系统的构成和特点。

目前流行的汽车控制器通信有5种不同的网络总线结构,即CAN总线、CANPeripheries总线、LIN总线、MOST总线和FlexRay总线[1]。由于负载和网速等问题,在汽车中经常混合采用上述总线,例如CAN与LIN的混合[2]或高速CAN与低速CAN的混合等。这样,由于通信“语言”的不同,为了使来自不同网络的信息能够交换,必须在网关中不停地进行“翻译”,延缓了信息传递时间。另外,随着汽车电子的发展,许多信息如GPS、车车通信或车路通信等往往需要在因特网中广域传送,而上述总线缺乏此种功能。企业内部互联网(Intranet)、外部互联网(Extranet)以及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域,而且已应用于生产和过程自动化。继10@M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能、全双工和自适应的100@M波特率快速以太网(FastEthernet,符合IEEE802.3u的标准)也已成功运行多年,为工业以太网在过程控制中的应用奠定了基础,如美国洛克韦尔自动化公司于2000年就了工业Ethernet规范[3]。工业以太网不是仅指物理层和链路层的Ethernet,而是指基于Internet技术的以太网,即Ethernet+TCP/UDP/IP+应用层。以太网技术是未来控制网络的最佳解决方案,工业以太网主导现场总线也已成为许多专家的共识。因此,文中设计了一种基于TCP/IP协议的以太网实现嵌入式开发环境下Server/Client结构的控制系统。软件用XML语言通过TCP/IP网络协议进行帧数据传递,采用消息队列调度算法和共享缓冲池数据聚类达到告警和控制功能。

1嵌入式系统及网络通信系统

1.1嵌入式系统

嵌入式系统是嵌入到对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统。具有体积小、功耗低、集成度高、子系统间能通信融合的优点。目前,从车身控制、底盘控制、发动机管理、主、被动安全系统到车载娱乐、信息系统都离不开嵌入式技术的支持。智能汽车控制系统的开发平台选用嵌入式可大大提高汽车电子的实时性、可靠性和智能化程度。

1.2网络通信系统

CAN协议通常用于连接动力传动系统和车身电子系统,为汽车内部测量与控制中心之间的数据通信提供一种串行数据通信协议[4]。目前车用总线大多设计为CAN网络和LIN网络,但CAN总线存在着需自定义标准、传输速率低(最大1@Mbps)、跨网络通信必须通过网关实现链接等局限性。随着网络技术的发展应用,许多工业通信总线正向以太网发展,以太网具有通用性强、技术成熟、带宽增加快、便于与广域网交换信息等优点,数据传送的速率从10@MBps～1@GBps,比目前流行的车用总线系统至少快了10倍。同时以太网构建汽车系统在成本上也远低于CAN网络的模块集成。

作为汽车的控制系统实时性的要求高,CAN总线由于各节点都可根据总线访问优先权,采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,废除了站地址编码,使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强。而工业以太网采用的是载波侦听/冲突检测(CarrierSenseMultiAccess/CollisionAvoidance,CSMA/CD)的多路访问协议,容易形成节点发送的延迟。为了满足实时性要求,信息交互必须在一定的通信延迟时间[4]内完成,即:T总延迟=T排队延迟+T发送延迟+T传输延迟。由于汽车节点数量较少、车内网络传输距离短、以短帧(12@Bpf)传输、发送带宽高,并采用多CPU大缓存技术,如果按汽车内部100个节点、带宽100@Mbps计算,T总延迟为0.1@ms,可以满足实时性要求。

本文设计的智能汽车内部局域网采用广播式以太网通信方式,将汽车所有节点设备都连在网络上,它们共享同一个通信通道。数据以广播帧形式传递,在报头中包含目的地址,一般情况下只有与数据包中目的地址一致的节点才会接收数据包。当广播帧以广播地址(地址的每一位都为“1”)为目的地址时,则网络中所有的节点均可接收此帧并处理它。图1为广播式通道模型。