管長焦

（煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順 113122）

1 引言

CAN（Controller Area Network）總線因其低成本、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，CAN在處理周期性信號(hào)和隨機(jī)性信號(hào)共存的通信方面，存在不確定性缺陷，且低優(yōu)先級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)競爭能力差、響應(yīng)時(shí)間延遲過長，易產(chǎn)生信息死鎖現(xiàn)象[1]。針對(duì)這些問題，在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)通信研究中，能同時(shí)處理時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)的協(xié)議，成為汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的必然，TTCAN協(xié)議[2]為CAN增加了一個(gè)基于TDMA機(jī)制的會(huì)話層，為時(shí)間觸發(fā)信息提供了基于系統(tǒng)矩陣的發(fā)送管理功能；TTCAN實(shí)現(xiàn)了兩種不同觸發(fā)機(jī)制驅(qū)動(dòng)信息的同網(wǎng)共存通信，但在線運(yùn)行時(shí)，其靜態(tài)表不允許實(shí)時(shí)更新，限制了新信息的加入與根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行信息調(diào)度功能，配置靈活性較差[3]。FTTCAN[3]采用雙相結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，其時(shí)間觸發(fā)調(diào)度集中在主節(jié)點(diǎn)，允許在線變換調(diào)度策略及新信息在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用CAN本身的仲裁機(jī)制來傳遞隨機(jī)性信息。有效克服了TTCAN協(xié)議靜態(tài)調(diào)度的缺點(diǎn)，可提供更完善的車載信息通訊功能。

FTTCAN異步相內(nèi)隨機(jī)性信息仍采用CAN協(xié)議的無破壞性仲裁機(jī)制進(jìn)行調(diào)度傳輸同樣不具有確定的傳輸時(shí)刻和周期，不能對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)規(guī)劃，為避免信息死鎖，這里采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)提升算法實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)性信號(hào)的調(diào)度。

2 Flexible Time-Triggered CAN

FTTCAN采用雙相基本周期結(jié)構(gòu)對(duì)如圖1所示的基本周期(EC)進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)度?；局芷谟蓵r(shí)間意義上的主節(jié)點(diǎn)發(fā)送觸發(fā)信息TM啟動(dòng)，到下一次觸發(fā)信息出現(xiàn)截止?；局芷趦?nèi)除了觸發(fā)信息外的時(shí)間段被劃分為異步相和同步相，圖中AMi和SMi分別表示隨機(jī)性信息和周期性信息。兩相之間保留空閑時(shí)間段α，使得各類信息能夠在嚴(yán)格各自相內(nèi)進(jìn)行傳輸。

圖1 FTTCAN基本周期結(jié)構(gòu)

FTTCAN對(duì)時(shí)間觸發(fā)信息的動(dòng)態(tài)規(guī)劃集中在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)，這樣主節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需求變換調(diào)度策略而不會(huì)影響到其他節(jié)點(diǎn)?；局芷趦?nèi)所發(fā)送周期信息的具體實(shí)現(xiàn)由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的觸發(fā)信息數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼完成[3]，如圖2所示。系統(tǒng)中除主節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)僅保留與自身有關(guān)的生產(chǎn)/消費(fèi)（P/C）表，各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步接收到觸發(fā)信息后讀取其數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并查詢當(dāng)?shù)豍/C表，若查到本基本周期內(nèi)有本節(jié)點(diǎn)所需發(fā)送的信息，則等待同步相到來后立即申請(qǐng)信息發(fā)送，與此同時(shí)，在異步相內(nèi)可以基于事件觸發(fā)進(jìn)行隨機(jī)性信息通信。FTTCAN充分利用了傳統(tǒng)CAN的仲裁機(jī)制，同步相和異步相內(nèi)各信息之間競爭總線發(fā)生沖突時(shí)仍采用CAN本身的非破壞性仲裁機(jī)制解決。

圖2 觸發(fā)信息數(shù)據(jù)域編碼原理

FTTCAN中負(fù)責(zé)調(diào)度同步相傳輸?shù)挠|發(fā)信息數(shù)據(jù)域內(nèi)容，由主節(jié)點(diǎn)的同步需求表(SRT)管理，同步需求表屬性[3]如下：

式中，di為信息的數(shù)據(jù)長度，TC,i為最大傳輸時(shí)間，Phi為相對(duì)相位，Ti為發(fā)送周期，TD,i為截止期限，Pi為優(yōu)先級(jí)。

3 優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)提升調(diào)度算法PP

3.1 PP調(diào)度中FTTCAN信息優(yōu)先級(jí)規(guī)劃

FTTCAN采用與CAN相同的幀格式，有兩種分別為含有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和含有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，本文采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

PP算法的思想在于為每個(gè)非周期性信號(hào)引入延時(shí)優(yōu)先級(jí)概念，各個(gè)隨機(jī)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)由延時(shí)優(yōu)先級(jí)和截止優(yōu)先級(jí)共同決定[4]。截止期單調(diào)（DM）優(yōu)先級(jí)與該信號(hào)截止期成正比，通過靜態(tài)分配；等待優(yōu)先級(jí)隨著信號(hào)仲裁失敗次數(shù)的增加而動(dòng)態(tài)提升，定義提升步長為等待優(yōu)先級(jí)的增量。

記信息m的優(yōu)先級(jí)為PmR，各個(gè)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)由等待優(yōu)先級(jí)Pm-W和截止期單調(diào)（DM）優(yōu)先級(jí)Pm-DM共同決定，如圖3所示，記步長為S。PP調(diào)度的核心是動(dòng)態(tài)更新等待優(yōu)先級(jí)，算法細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[4]，算法流程如右圖4所示。

圖3 PP調(diào)度中優(yōu)先級(jí)規(guī)劃

圖4 PP調(diào)度算法流程

3.2 PP調(diào)度算法的可調(diào)度性分析

FTTCAN在兩相內(nèi)仍采用CAN自身的MAC仲裁機(jī)制，系統(tǒng)信息的通信實(shí)時(shí)性可沿用CAN的分析方法進(jìn)行分析。

對(duì)于信息i的最壞響應(yīng)時(shí)間TRi計(jì)算公式[5]為

其中，TBi為信息i被阻塞時(shí)間，TWi為等待較高優(yōu)先級(jí)信息傳輸?shù)臅r(shí)間，di為信息的數(shù)據(jù)長度，TCi為信息傳輸時(shí)間。

（1）同步相內(nèi)周期性信息實(shí)時(shí)性分析

記周期性信息總集合為S，第n個(gè)基本周期內(nèi)被規(guī)劃周期性信號(hào)的子集合S( n)?S，則對(duì)于周期性信息i各時(shí)間參數(shù)的計(jì)算公式為[6-8]：

其中，di為信息的數(shù)據(jù)長度，τbit為總線傳輸一位數(shù)據(jù)占用時(shí)間。

（2）異步相內(nèi)隨機(jī)性信息的實(shí)時(shí)性分析

異步相內(nèi)隨機(jī)性信息的行為無法事先規(guī)劃，在分析時(shí)需要考慮最壞情況[8]，設(shè)隨機(jī)性信息集合為A，對(duì)于隨機(jī)性信息i，其時(shí)間參數(shù)計(jì)算如下[6-8]：

其中，Tα為FTTCAN兩相之間最大時(shí)間間隔，TS同步相長度，TTM為觸發(fā)信息長度。

4 實(shí)例分析

4.1 SAE電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

引入SAE（Society of Automotive Engineers）電動(dòng)汽車CAN信息基準(zhǔn)[5]，主要包括七個(gè)子系統(tǒng)：電池（Battery）、整車控制（V/C）、變頻電機(jī)（I/M C）、駕駛員輸入（Driver）、剎車（Brakes）和傳輸控制（Trans）。經(jīng)同源周期信息數(shù)據(jù)合并[7]后系統(tǒng)內(nèi)共有11個(gè)周期信息（S1-S11）和31個(gè)隨機(jī)信息（A1-A31），其中，周期信息截止期為其周期，如表1所示。隨機(jī)信息產(chǎn)生的最小時(shí)間間隔為50ms，信息帶1字節(jié)數(shù)據(jù)，截止期為20ms。取總線傳輸速率為250 Kbit/s。

4.2 基于CAN的DM算法調(diào)度設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電動(dòng)汽車總線設(shè)計(jì)通常采用DM（截止期單調(diào)）算法[5]，截止期越小的任務(wù)將獲得越高的優(yōu)先級(jí)，周期信息優(yōu)先級(jí)規(guī)劃結(jié)果如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車總線周期消息

4.3 基于FTTCAN的PP調(diào)度設(shè)計(jì)

將FTTCAN同步相長度規(guī)劃為可以傳輸6個(gè)周期信息，則被分配在某一基本周期內(nèi)傳輸?shù)闹芷谛畔⒆疃嘀荒鼙?個(gè)信息所阻礙，基于CAN與FTTCAN總線下的周期信息最壞響應(yīng)時(shí)間如圖5所示。

圖5 周期信息基于CAN與FTTCAN的調(diào)度結(jié)果

由圖5可知，F(xiàn)TTCAN中周期信息實(shí)時(shí)性明顯增強(qiáng)，系統(tǒng)確定性增加。引入的優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)提升PP算法可以保證隨機(jī)信息經(jīng)過有限的仲裁可以獲得總線使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的確定性和實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)論

本文提出將優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)提升算法引入柔性時(shí)間觸發(fā)控制器局域網(wǎng)，F(xiàn)TTCAN兼顧系統(tǒng)靈活性與確定性，對(duì)電動(dòng)汽車信息調(diào)度結(jié)果表明：FTTCAN有效的提高了周期信息實(shí)時(shí)性，所引入的動(dòng)態(tài)提升算法可以有效的解決低優(yōu)先級(jí)信息的死鎖問題。

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