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【发明授权】汽车FlexRay总线静态段消息调度方法_合肥工业大学_201710446634.3 

申请/专利权人:合肥工业大学

申请日:2017-06-14

公开(公告)日:2020-01-10

公开(公告)号:CN107204881B

主分类号:H04L12/24(20060101)

分类号:H04L12/24(20060101);H04L12/40(20060101);H04L12/885(20130101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.01.10#授权;2017.10.27#实质审查的生效;2017.09.26#公开

摘要:本发明公开了一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,提出了一个求解消息参数的整数线性规划问题模型,对于一个给定的FlexRay网络系统,该模型以节点分配的帧数与节点消息抖动值的加权和为优化目标,要求网络分配节点帧总数与节点消息抖动值加权和越小越好,以消息重复发送周期小于或等于消息重复产生周期、网络静态段节点分配帧数方程和节点消息抖动值方程为约束条件,求解出最优的消息重复发送周期,进而得到FlexRay网络静态段节点的所有消息所对应的重复发送周期以及分配的帧,从而为网络静态段参数配置提供一种算法。本发明不仅可以提高网络带宽利用率,而且适用于消息重复周期与FlexRay通信周期不同步的情况。

主权项:1.一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其特征在于:给定一个FlexRay网络,包括节点数、节点所需发送的消息流集合、所有消息的发送周期;建立一个静态段消息设计的整数线性规划问题模型,所述模型是以节点分配的帧数与节点消息抖动值的加权和为优化目标,保证网络分配的节点帧总数与节点消息抖动值加权和最小,以消息重复发送周期小于或等于消息的重复产生周期、网络静态段节点分配帧数方程和节点消息抖动值方程为约束条件;通过计算获得最优节点消息重复发送周期值,利用最优消息重复发送周期值得到每个节点FlexRay静态段消息的配置参数以及分配的帧ID数,以此得到的FlexRay静态段消息调度能够节省网络带宽、消息传输抖动小、网络传输稳定;具体步骤如下:步骤1、计算节点分配帧数:给定一个FlexRay网络为:节点数为n,对应节点i的消息流集合为Mi,任意消息M∈Mi的重复产生周期为PM、消息重复发送周期设为RPM,所述消息重复发送周期RPM为节点消息重复发送的周期,消息所能选择的重复发送周期集合为RPSM,RPSM={2q|2q≤PM},其中q∈N0,N0为自然数,即非负整数集合,且满足条件2q≤PM;设任意R∈RPSM,引入布尔变量BM,R:有则节点i静态段需分配帧数由式1计算获得: 步骤2、计算节点消息抖动值:定义FlexRay网络在传输消息时的抖动值:开始分配给消息的FlexRay通信计数周期与初始计数周期的差值,消息抖动是由于消息不是在最开始的FlexRay通信计数周期内发送而产生的,则节点i消息抖动值JMi由式2计算获得: R是重复发送周期、RPSM是重复发送周期集合、BM,R是布尔变量、PM是重复产生周期;步骤3、建立线性整数规划模型:以重复发送周期R、布尔变量BM,R和b为优化变量,b∈N0,其中N0为自然数,即非负整数集合,以节点消息分配帧数及节点消息抖动总值的加权和为最小化为目标Minω,以节点消息重复发送周期小于或等于其重复产生周期为约束条件,建立用于求解最优消息重复发送周期的线性规划模型如式3: 其中α和β为加权系数,取α=10,β=0.1;约束条件如下:1且2R∈RPSM={2q|2q≤PM},3b∈N0且取最小值;RPM为消息重复发送周期、RPSM为消息重复发送周期集合、PM为消息的重复产生周期、BM,R为布尔变量、为静态段需分配帧数;步骤4、优化模型的求解算法:通过求解所述线性规划模型,获得节点i消息流集合中各个消息的消息重复周期RPM的最优值、布尔变量BM,R、静态段节点i分配帧数其中N为正整数集合,选取所有符合R∈RPSM={2q|2q≤PM}的R,计算对应符合要求,即b∈N0的b值,得出对应的和JMi,然后算出节点消息分配帧数及节点消息抖动总值的加权和ω值,比较这些ω值,并选取其中最小的ω值作为最佳值ωbest;求解算法按如下步骤进行:4.1令q=0,其中q∈N0,N0为自然数,即非负整数集合;4.2消息重复周期R∈RPSM={2q|2q≤PM};4.3判断布尔变量BM,R,根据步骤3中的约束条件3,要求静态段节点i分配帧数为正整数,求解出最小整数值b使步骤3中的约束条件3两边成立,若不存在b∈N0满足步骤3中的约束条件3,则返回步骤4.2,且将q值增加1,若2q>PM,则返回结束;4.4将布尔变量BM,R、消息重复产生周期PM和重复发送周期R代入步骤2中的式2求解节点i消息抖动值JMi,将节点所有消息按上述步骤求解抖动值,然后根据求解节点消息抖动值之和,若有多个R∈RPSM符合要求,则将所有符合要求的静态段节点i分配帧数和消息抖动值JMi求解出来;4.5利用步骤4.3得到的静态段节点i分配帧数和步骤4.4得到的节点i消息抖动值之和根据步骤3中的式3求解获得当前优化目标ω,ω为节点消息分配帧数及节点消息抖动总值的加权和;若当前优化目标ω较之前求解的ω值而言更小,则令当前优化目标ω为最佳值ωbest;步骤5、节点网络静态段时隙及消息抖动分配算法:通过求解步骤4的优化模型,可得出各个节点的消息最优重复周期及分配的帧数,以任意节点i为例,得到任意消息M∈Mi的重复周期为RPMbest,消息抖动为OFM引入偏移常量集合OF={0,1,…,63},消息M分配ID为FIDM,初始分配帧ID为FIDinit,消息当前分配帧ID为FIDd,将消息流集合Mi中的消息按消息重复周期排序生成集合LMi,具体分配算法如下:5.1当FIDd=FIDinit,定义参数u=0,当LMi为非空集合时继续,否则退出;5.2如果u≥1,则令u=0,OF={0,1,…,63},FIDd=FIDd+1;5.3如果0≤u<1,则移除集合LMi中的第一个元素,u=u+1RPMbest,分配FIDM=FIDd,分配集合OF中最小元素OFmin给OFM,即OFM=OFmin,然后移除集合OF中满足OFmin+k·RPMbest,k∈N0的所有元素,若u<1,则重复步骤5.3,否则返回到步骤5.2;5.4返回关于消息M参数的三元数组RPMbest,OFM,FIDM,完成分配。

全文数据:汽车FIexRay总线静态段消息调度方法技术领域[0001]本发明涉及汽车总线网络参数配置技术领域,具体是一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法。背景技术[0002]随着汽车电子技术的发展,车身系统的控制逐步向自动化和智能化转变,汽车电气系统变得日益复杂。人们对车辆安全性、舒适性等要求也越来越高,这使得越来越多的电子控制系统被应用到汽车上,车辆总线上的数据传输量也随之激增,同时也提高了车辆数据交互精度、传输时序的需求,原有的CAN总线通信协议逐渐无法满足要求。[0003]目前的研究工作虽然在FlexRay网络静态段的参数设计和消息的优化调度等方面取得了很多成效,但是在提高网络带宽利用率、消息分配的帧数、消息抖动等方面的综合研究较少。在消息的重复周期与FlexRay的通信周期不一致的情况下,要求消息的响应时间小于或等于其截止时间且消息抖动较小,但现有技术并不能达到这一效果。发明内容[0004]本发明的目的是为了适应整车控制FlexRay系统通信时可靠性和安全性的需求,提供一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其目的是最小化消息分配帧数和消息抖动值大小,研究用于计算消息重复周期参数配置的优化模型及其求解算法,进而获得FlexRay网络静态段最小分配时隙数及分配方案,最终为提高带宽利用率和良好的通信时间性能提供重要的计算方法。[0005]本发明的技术方案如下:[0006]一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其特征在于:具体为:[0007]给定一个FlexRay网络,包括节点数、节点所需发送的消息流集合、所有消息的发送周期;[0008]建立一个静态段消息设计的整数线性规划问题模型,所述模型是以节点分配的帧数与节点消息抖动值的加权和为优化目标,要求网络分配的节点帧总数与节点消息抖动值加权和越小越好,以消息重复发送周期小于或等于消息的重复产生周期、网络静态段节点分配帧数方程和节点消息抖动值方程为约束条件;通过计算获得最优节点消息重复发送周期值,利用最优消息重复发送周期值得到每个节点FlexRay静态段消息的配置参数以及分配的帧ID数,以此得到的FlexRay静态段消息调度能够节省网络带宽、消息传输抖动小、网络传输稳定。[0009]所述的汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其特征在于:按如下步骤进行:[0010]步骤1、计算节点分配帧数:[0011]给定一个FlexRay网络为:节点数为η,对应节点i的消息流集合为Mi,任意消息MeM1的重复产生周期为PM、消息重复发送周期设为RPm,所述消息重复发送周期RPm为节点消息重复发送的周期,消息所能选择的重复发送周期集合为RPSM,RPSM={2q|2q彡PM},其中qeNo,No为自然数,S卩非负整数集合,且满足条件2qPM,则返回结束;[0030]4.4将Bp,r、Pm和R代入步骤2中的式2求解节点i消息抖动值JMi,将节点所有消息按上述步骤求解抖动值,然后根据:求解节点消息抖动值之和,若有多个ReRPSm符合要求,则将所有符合要求的节点i分配帧数和消息抖动值JM1求解出来;[0031]4.5利用步骤4.3得到的节点i分配帧数和步骤4.4得到的节点i消息抖动值之和,根据步骤3中的式3求解获得当前优化目标ω,若当前优化目标ω较之前求解的ω值而言更小,则令当前优化目标ω为最佳值ωbe3St;[0032]步骤5、节点网络静态段时隙及消息抖动分配算法:[0033]通过求解步骤4的优化模型,可得出各个节点的消息最优重复周期及分配的帧数,以任意节点i为例,得到任意消息MeMi的重复周期为RPMbest,消息抖动为OFm引入偏移常量集合OF={0,1,…,63},消息M分配ID为FIDm,初始分配帧ID为FIDinit,消息当前分配帧ID为FIDd,将消息流集合M1中的消息按消息重复周期排序生成集合Lm1,具体分配算法如下:[0034]5.DFIDd=FIDinit,u=a,当KMi为非空集合时继续,否则退出;[0035]5.2如果u彡1,则令u=0,0F={0,1,···,63},FIDd=FIDd+l;[0036]5·3如果0PM,则返回结束;[0070]4.4将Bp,r、Pm和R代入步骤2中的式2求解节点i消息抖动值JMi,将节点所有消息按上述步骤求解抖动值,然后根据:求解节点消息抖动值之和,若有多个ReRPSm符合要求,则将所有符合要求的节点i分配帧数;和消息抖动值JM1求解出来;[0071]4.5利用步骤4.3得到的节点i分配帧数和步骤4.4得到的节点i消息抖动值之和,根据步骤⑶中的式⑶求解获得当前优化目标ω,若当前优化目标ω较之前求解的ω值而言更小,则令当前优化目标ω为最佳值ωbe3St;[0072]步骤5、节点网络静态段时隙及消息抖动分配算法:[0073]通过求解步骤4的优化模型,可得出各个节点的消息最优重复周期及分配的帧数,以任意节点i为例,得到任意消息MeMi的重复周期为RPMbest,消息抖动为OFm引入偏移常量集合OF={0,1,...,63},消息M分配ID为FIDm,初始分配帧ID为FIDinit,消息当前分配帧ID为FIDd,将消息流集合M1中的消息按消息重复周期排序生成集合Lm1,具体分配算法如下:[0074]5.1FIDd=FIDinit,u=0,当LMi为非空集合时继续,否则退出;[0075]5.2如果u彡1,则令u=0,0F={0,1,···,63},FIDd=FIDd+l;[0076]5·3如果0PM,则返回结束;[0092]3将Bp,r,Pm,R代入步骤⑵中的式⑵中求解节点1消息抖动值JMi;[0093]4将上述步骤2、3得到的节点1分配帧数fi辦和消息抖动值JMi代入步骤⑶中的式⑶中求解优化目标ω,其中α=10,β=0.1,与之前值进行比较,若当前ω更小,则保存^best—^〇[0094]其他节点计算步骤和节点1类同,将表1参数输入程序中,可得到总线上所有消息的最优重复周期如下表2所示:[0095]表2消息最优重复周期计算结果[0096][0097]计算得到消息的最优重复周期后,将最优重复周期代入公式求解每个消息的分配帧ID以及节点分配的帧ID数,具体步骤如下:[0098]lFIDd=FIDinit,u=0,当LMi为非空集合时继续,否则退出;[0099]2如果u彡1,则令u=0,0F={0,1,···,63},FIDd=FIDd+l;[0100]3如果0彡uI,则移除集合LMi中的第一个元素,u=u+lRPMbest,分配FIDn=FIDd,分配集合OF中最小元素OFmin给OFm,即OFM=OFmin,然后移除集合OF中满足0Fmin+k·RPMbest,keN〇的所有元素,若ul,则重复步骤3,否则返回到步骤2;[0101]4返回关于消息M参数的三元数组RPMbest,0FM,FIDM,完成分配。[0102]其他节点计算步骤和节点1类同,将表2参数输入程序中,可得到总线上所有消息的分配帧ID以及节点分配的帧总数如下表3、4所示:[0103]表3节点消息分配帧ID计算结果[0104][0105]表4节点分配帧ID及总数计算结果[0106][0107]综上所述,表2、3、4中数据即为该实例下总线设计的全部输出结果。

权利要求:1.一种汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其特征在于:具体为:给定一个FlexRay网络,包括节点数、节点所需发送的消息流集合、所有消息的发送周期;建立一个静态段消息设计的整数线性规划问题模型,所述模型是以节点分配的帧数与节点消息抖动值的加权和为优化目标,要求网络分配的节点帧总数与节点消息抖动值加权和越小越好,以消息重复发送周期小于或等于消息的重复产生周期、网络静态段节点分配帧数方程和节点消息抖动值方程为约束条件;通过计算获得最优节点消息重复发送周期值,利用最优消息重复发送周期值得到每个节点FlexRay静态段消息的配置参数以及分配的帧ID数,以此得到的FlexRay静态段消息调度能够节省网络带宽、消息传输抖动小、网络传输稳定。2.根据权利要求1所述的汽车FlexRay总线静态段消息调度方法,其特征在于:按如下步骤进行:步骤1、计算节点分配帧数:给定一个FlexRay网络为:节点数为η,对应节点i的消息流集合为Mi,任意消息MeMi的重复产生周期为Pm、消息重复发送周期设为RPm,所述消息重复发送周期RPm为节点消息重复发送的周期,消息所能选择的重复发送周期集合为为自然数,即非负整数集合,且满足条件2qPM,则返回结束;4.4将Bp,r、Pm和R代入步骤2中的式2求解节点i消息抖动值JMi,将节点所有消息按上述步骤求解抖动值,然后根Sέ求解节点消息抖动值之和,若有多个ReRPSm符合要求,则将所有符合要求的节点i分配帧数和消息抖动值JM1求解出来;4.5利用步骤4.3得到的节点i分配帧I和步骤4.4得到的节点i消息抖动值之和];:,根据步骤⑶中的式⑶求解获得当前优化目标ω,若当前优化目标ω较之前求解的ω值而言更小,则令当前优化目标ω为最佳值ωbe3St;步骤5、节点网络静态段时隙及消息抖动分配算法:通过求解步骤4的优化模型,可得出各个节点的消息最优重复周期及分配的帧数,以任意节点i为例,得到任意消息MeMi的重复周期为RPMbest,消息抖动为OFm引入偏移常量集合OF={0,1,…,63},消息M分配ID为FIDm,初始分配帧ID为FIDinit,消息当前分配帧ID为FIDd,将消息流集合M1中的消息按消息重复周期排序生成集合Lm1,具体分配算法如下:5.1FIDd=FIDinit,U=O,当LMi为非空集合时继续,否则退出;5·2如果u彡1,则令u=O,OF={0,1,…,63},FIDd=FIDd+1;5.3如果0彡u1,则移除集合LMi中的第一个元素,u=u+lRPMbest,分配FIDM=FIDd,分配集合OF中最小元素OFmin给OFm,即OFM=OFmin,然后移除集合OF中满足0Fmin+k·RPMbest,keN〇的所有元素,若ul,则重复步骤5.3,否则返回到步骤5.2;5.4返回关于消息M参数的三元数组RPMbest,0FM,FIDM,完成分配。

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