基于数据压缩的车身CAN网络优化调度设计

２０１５年（第３７卷）第８期　汽车工程　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

２０１５１６９　

基于数据压缩的车身ＣＡＮ网络优化调度设计木　

张国胜　，王书举　（１．交通运输部公路科学研究院，运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室，北京１０００８８　２．辽宁工程技术大学机械工程与自动化学院，阜新１２３０００）　

［摘要］　针对汽车车身网络节点日渐增多而低速ＣＡＮ带宽资源有限的问题，引入减少网络传输数据的数据压　缩技术，分析了车身网络信息数据变化特点，提出了基于数据压缩的变化优先（ＣＦ）的优化调度算法，介绍了ＣＦ算　法的数据压缩、解压缩和调度原理，将ＣＦ算法应用于汽车车身控制系统设计，理论分析和实验验证的结果表明，该　算法可显著降低车身ＣＡＮ总线负载，改善信息的实时性，提高车身ＣＡＮ总线的扩展灵活性。　关键词：车身；控制器局域网；优化调度；数据压缩　

Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｂｏｄｙ　ＣＡＮ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄａｔａ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　

Ｚｈａｎｇ　Ｇｕｏｓｈｅｎｇ　＆Ｗａｎｇ　Ｓｈｕｊｕ　１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｍｉｎ￣ｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＰＲｃ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｌｔｉｎｇ　１０００８８；２，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００　

ｌ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　ｊ　Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｖｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｎｏｄｅｓ　ｉｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ　ＣＡＮ，ａ　ｄａｔａ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｒａｎｓ—　ｍｉｓｓｉｏｎ　ｄａｔａ．Ｔｈｅｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄａｔａ，ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｉｔｈ”ｃｈａｎｇｅｄ　ｆｉｒｓｔ”ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｄａｔａ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　

ｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃａｎ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ　ＣＡＮ　ｂｕｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎ—　

ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ　ＣＡＮ　ｂｕｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｏｄｙ；ＣＡＮ；ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ；ｄａｔａ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　

日ＩＪ吾　

ＣＡＮ网络广泛应用于车辆控制系统，采用ＣＡＮ　网络的车身电子系统信息容量大、扩展灵活性强、成　

本低、布线少、维修智能。　汽车车身控制模块接收乘员的指令，返回系统　

的运行状态，车身控制系统中的信息多属于按键、状　态指示类，车身系统对通信网络的要求有以下几方　

面¨　。　（１）要求信息有一定的实时性，以避免乘驾人　

员的误操作。例如，驾驶员对后视镜的操作指令若　不能及时响应，将带来安全隐患。　（２）车身网络对网络的容量和扩展灵活性的需　

求越来越大。当前汽车车身的控制功能正向着自动　化、智能化的方向发展，车身控制系统中通过网络互　

连的电子器件日渐增多。　（３）汽车车身电子系统对成本因素比较敏感。　车身控制网络目前通常采用低速ＣＡＮ协议网络。　

由于成本制约和车身信息的实时性要求，对于　

车身控制网络的设计更加注重网络的扩展灵活性或　网络资源的利用效率　Ｊ。因此，通过优化调度来　

提高现有ＣＡＮ网络的资源利用率，是车身ＣＡＮ网　络设计中的重点内容。　

国家自然科学基金青年基金（５１３０５１８１和５１４０５２１３）资助。　原稿收到日期为２０１３年１Ｏ月８日，修改稿收到日期为２０１４年１月２２日。

　张国胜，等：基于数据压缩的车身ＣＡＮ网络优化调度设计　

ｌ汽车车身电子系统　

汽车车身电子系统包括车内外照明控制、中央　门锁、电动窗、智能雨刮器、电动转向柱、电动座椅、　辅助加热系统和智能空调器等　Ｊ。车身电控装置通　

过ＣＡＮ总线连接构成车身总线网络。　为了减少汽车控制模块与线束、降低成本，一般　

会根据电器的位置对网络系统功能模块进行划分，　然后按照功能相似、位置靠近的原则将车身划分为　多个区域控制节点［４－５［。整个车身网络包含的部件　

较多，本文中以中央控制器和４个车门控制器等５　个模块节点为例，介绍车身ＣＡＮ网络设计方法。由　

中央控制器模块和４个门控制模块构成的车身ＣＡＮ　系统拓扑结构如图１所示。　

后视镜Ｉ　ｌ门锁ｌ　Ｉ玻璃升降器ｌ　ｌ门锁ｌ　ｌ玻璃升降器　

中央控制器ＩＩ右前门控制器ｌ　ｌ右后门控制器　

左前门控制器ｌ　ｌ左后门控制器　

ｌ　！　兰Ｉ　Ｉ苎苎　

图１　车身控制模块拓扑结构　

为了提高节点信息解码的效率，将同一节点的　控制信息集中在一起，预留一些保留位用于协议的　

扩展。左前门节点的状态或命令信息的数据场中４　字节的具体定义如表１［６　３所示，其余节点的数据定　

义详见文献［６］。　车身ＣＡＮ网络状态或命令信息传输占用的字　

节较少。由车身节点的信息属性可以看出，在汽车　稳定行驶时，由中央控制器、车门模块等节点周期性　

发出的信息中大部分数据并没有发生变化，这样的　

属性满足了对传输数据进行压缩的条件。　本文中基于数据压缩思想提出了根据数据变化　

情况进行网络调度的变化优先ＣＦ（ｃｈａｎｇｅｄ　ｆｉｒｓｔ）　算法。　

２车身ＣＡＮ网络优化调度算法　

数据压缩技术可以使用更少的数据来传输相同　

的信息内容，该技术已经广泛应用于图像传输和数　表ｌ左前门控制器状态与命令帧　

开始位　数据／ｂｉｔ　信号名称　定义　

Ｏ１：无　１．１　２　控制器故障　１０：有　

Ｏ１：无　１．３　２　总线故障　１０：有　

０１：无　１．５　２　睡眠请求　１Ｏ：有　

０１：无　１．７　２　进入睡眠请求　１０：有　

０００：基本状态　

０１０：闭锁器已锁　

２．１　３　中央集控状态　０１１：点火后门开锁　

１００：点火后门闭锁　

１０１：闭锁器已开锁　

Ｏ１：关闭　２．４　２　左前门状态信号　ｌ０：打开　

０００：运动中　

００１：静止　２．６　３　电动摇窗机状态　０１０：捕获区域　

１０１：玻璃到顶　

ＯＯ：未操作　中央集控　３．１　２　Ｏ１：开锁　车内操作开关　

１Ｏ：闭锁　

Ｏ１：开锁　３．３　２　开闭门锁信号　１Ｏ：闭锁　

Ｏ１：正常驱动　３．５　２　电动机堵转保护　１０：该功能激活　

童锁按钮　叭：该功能关闭　３．７　２　按下／释放信号　１０：该功能激活　

右前玻璃　Ｏ１：停止　４．１　２　自动下降　１０：自动下降　

Ｏ１：停止　４．３　２　右前玻璃下降　１Ｏ：下降　

右前玻璃　０１：停止　４．５　２　自动上升　１０：自动上升　

Ｏ１：停止　４．７　２　右前玻璃上升　１Ｏ：上升　注：表中未说明的位为保留位，置为１。

　汽车工程　２０１５年（第３７卷）第８期　

据存储等领域。车身ＣＡＮ节点收发的信息数据表　

征汽车的参数或状态，当汽车的参数或状态无变化　时，相应的信息数据也保持不变。　

２．１　ＣＡＮ信息标识符和数据域分配　ＣＦ算法旨在减少总线传输的数据量，给予数据　

发生变化的信息较高的优先级，给予数据无变化的　信息较低优先级。因此，根据ＣＡＮ协议的“线与”要　求，设置信息标识符的ＩＤ．１０位为数据变化控制位　

（ＣＩＢ），表示数据是否变化。设置ＩＤ．９位为数据压　缩控制位（ＤＣＢ），表示数据是否压缩。设置信息的　数据域第一个字节为数据压缩控制（ＤＥＣ）域。ＣＦ　

算法中对于信息帧的结构配置如图２所示。　

、　ｆｒｒ　一　一　ｌ工ｍ　一　’一　

－　・　标识符域　＋８位　∞　∞　０　Ｕ　９位ＩＤ　ＤＣＣ　∽　Ｕ　ｏ　

图２　ＣＦ中数据帧结构规划　

在ＣＦ算法中，由于ＤＣＣ占用了信息数据域的　

一个字节，当节点中产生的新数据和旧数据有超过　

一个字节的数据重复时，可以采用数据压缩技术来　

减少传输的数据量。当节点产生的新信息的数据无　

变化且满足压缩条件时，将ＣＩＢ位置１，此时，竞争　

总线资源的其他信息将有更高的优先级，实现了发　生变化数据的优先传输。ＣＦ算法中，ＣＩＢ和ＤＣＢ与　

数据变化的对应设置如表２所示。　

表２　ＣＦ算法中控制位设置　

数据变化情况　满足压缩要求　ＣＩＢ　ＤＣＢ　

初始数据　否　Ｏ　Ｏ　

数据无变化　是　１　１　

变化数据＞１字节　是　Ｏ　１　

其它　否　０　Ｏ　

２．２　ＣＦ算法编码与解码原理　

根据表２的设置，当新数据产生时满足压缩要　

求，通过配置ＤＣＣ中的对应位来表征数据的组成，　

如某信息有两个字节数据发生变化时，其ＤＣＣ控制　

位的配置如图３所示。与节点中备份信息的数据相　

同的字节无须发送，对于有变化且需要发送的数据　字节将ＤＣＣ对应位置１，有变化的数据字节按先后　

顺序排列，节点发送的新信息将携带ＤＣＣ及其变化　

的数据。　Ｂｙｔｅ［０］ｌ　Ｂｙｔｅ［１］ｌ　Ｂｙｔｅ［２］ｌ　Ｂｙｔｅ［３］ｌ　Ｂｙｔｅ［４］ｌ　Ｂｙｔｅ［５】Ｉ　Ｂｙｔｅ［６］ｌ　Ｂｙｔｅ［７】　

囱　圆　蜜压缩信息数据　

图３　ＣＦ中数据域结构配置　

当信息ｍ首次产生时，将其作为原始信息进行　

数据备份。当ｍ再次产生时，控制器根据信息的数　据变化情况，置位各控制位，具体数据压缩流程如图　４所示。　

开始　

ＣＩＢ＝０　ＤＣＢ＝Ｏ　否／与备份数据　——＼重复字节＞１　７　

ＣＩＢ＝０，ＤＣＢ＝ｌ，编码ＤＣＣ　

备份数据　—弋一　申请发送　ＣＩＢ：１．ＤＣＢ＝ｌ　编码ＤＣＣ　

图４　ＣＦ算法数据压缩流程图　

接收节点须对数据压缩信息进行解压来还原数　

据，它首先根据控制位判断数据是否经过压缩，然后　对比相应信息的数据备份，对数据进行复原，接收节　

点对信息数据的重构过程如图５所示。　

图５　ＣＦ算法数据重构流程图