管長(zhǎng)焦

（煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院，遼寧 撫順 113122）

隨著汽車車身分布式實(shí)時(shí)CAN（Controller Area Network）系統(tǒng)中要交換的數(shù)據(jù)逐步增加，現(xiàn)有的帶寬資源越顯有限，因此，需要研究新的調(diào)度策略。動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度策略如最小時(shí)間裕度優(yōu)先（LSF）有較高的資源利用率，應(yīng)該動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)車身網(wǎng)絡(luò)的信息會(huì)有較好的時(shí)間特性[1-3]。

在CAN總線中實(shí)施LSF動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度需解決各節(jié)點(diǎn)之間對(duì)信息剩余傳輸時(shí)間的同步計(jì)算問(wèn)題，以及解決如何用有限的標(biāo)識(shí)符來(lái)表達(dá)剩余時(shí)間的問(wèn)題。

本文對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，以信息可以等待的時(shí)間即信息的時(shí)間裕度為參數(shù)，將之量化來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN幀標(biāo)識(shí)符對(duì)時(shí)間裕度的編碼，利用信息同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線時(shí)的仲裁來(lái)同步信息的剩余時(shí)間，利用CAN總線事件觸發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了LSF調(diào)度。

1 CAN 及LSF 調(diào)度算法

1.1 LSF 中CAN 信息的優(yōu)先級(jí)

CAN 協(xié)議信息的擴(kuò)展格式如圖1所示。

記信息m 的優(yōu)先級(jí)為Pm，各個(gè)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)組成：控制優(yōu)先級(jí)Pm-C、裕度優(yōu)先級(jí)Pm-S和DM（截止期單調(diào)）優(yōu)先級(jí)Pm-DM共同決定，如圖2所示。

圖1 CAN 擴(kuò)展幀格式

圖2 LSF 調(diào)度中優(yōu)先級(jí)規(guī)劃

CAN 總線采用“線與”機(jī)制，信息標(biāo)識(shí)符越小則優(yōu)先級(jí)越高。LSF 調(diào)度旨在隨著仲裁更新時(shí)間裕度：

1）取ΙD.0 位為控制優(yōu)先級(jí)位Pm-C，取接下來(lái)的WS位為裕度優(yōu)先級(jí)；將WDM位規(guī)劃為DM優(yōu)先級(jí)域，DM優(yōu)先級(jí)按信息截止期分配信息的優(yōu)先級(jí)，主要用于區(qū)分信息的屬性，用于接收濾波。仲裁域結(jié)構(gòu)規(guī)劃見(jiàn)圖3所示。

圖3 LSF 調(diào)度中CAN 幀仲裁域結(jié)構(gòu)

2）確定時(shí)間裕度量化機(jī)制。每仲裁一次，裕度優(yōu)先級(jí)將減1，則其大小應(yīng)滿足P[4]

其中，q為量化幀，tCm為信息的最壞傳輸時(shí)間，fbaud為系統(tǒng)傳輸速度，dm為數(shù)據(jù)域的大小。

3）確定各優(yōu)先級(jí)的位數(shù)WS和WDM：

其中，Q為系統(tǒng)中信息的個(gè)數(shù)。

4）初始化優(yōu)先級(jí)域：

根據(jù)信息的優(yōu)先級(jí)位數(shù)確定其初始化狀態(tài)，即：

其中，tDm為信息m的相對(duì)截止期，即當(dāng)前時(shí)刻到信息截止期之間的時(shí)間，tJm為軟件的抖動(dòng)時(shí)間。

1.2 基于事件觸發(fā)的LSF 動(dòng)態(tài)調(diào)度算法

LSF 算法思想在于為每個(gè)信號(hào)引入隨總線仲裁動(dòng)態(tài)更新其裕度優(yōu)先級(jí)概念，每次信息競(jìng)爭(zhēng)總線失掉仲裁，裕度優(yōu)先級(jí)會(huì)動(dòng)態(tài)提升，本文定義每次提升步長(zhǎng)為1，基于事件觸發(fā)的LSF 算法步驟如圖4所示。

圖4 LSF 算法分析流程圖

1.3 LSF 調(diào)度算法的可調(diào)度性分析

當(dāng)所有信息同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線時(shí)，是信息在總線上傳輸?shù)淖顗臈l件，信息m在最壞傳輸條件下的傳輸時(shí)間稱為最糟糕響應(yīng)時(shí)間tRm。信息m的傳輸時(shí)間特性滿足式（6）、（7），則該信息可調(diào)度[4]：

其中，U為總線利用率，Ti為信息周期，tWm為信息m等待發(fā)送的時(shí)間，TDm為信息m的截止期，τbit為位傳輸時(shí)間。

2 實(shí)例分析

2.1 汽車車身電子系統(tǒng)

典型的汽車車身電子系統(tǒng)共包括有33 個(gè)隨機(jī)性信號(hào)，如表1所示[5]，分屬于電動(dòng)窗、車外燈、車內(nèi)燈、手剎、指示器、雨刮器等單元。每個(gè)信號(hào)2 個(gè)字節(jié)。汽車車身信息的截止期要求不大于100ms。車身CAN網(wǎng)絡(luò)速率一般為10～125kb/s。

表1 車身CAN 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒓?

2.2 調(diào)度算法在車身電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

記車身信息為 a1～a33，設(shè) a1～a5、a8～a22、a31～a33 由t=0 開(kāi)始周期發(fā)送，周期分別為100ms、200ms、300ms；a6～a7、a23～a30 在t=70ms 時(shí)開(kāi)始發(fā)送，周期為 200ms?？紤]現(xiàn)場(chǎng)因素取軟件抖動(dòng)tJm= 1 ms ，總線傳輸速度取為125kb/s。

分別采用DM 和本文的LSF 方案對(duì)汽車以上信息循環(huán)600ms 中共111 個(gè)信息進(jìn)行調(diào)度。

DM截止期單調(diào)算法按信息的截止期分配信息的優(yōu)先級(jí)P，截止期越小的任務(wù)獲得的優(yōu)先級(jí)越高?；贚SF 算法的汽車車身信息調(diào)度設(shè)計(jì)，則q= 0.76ms ，WDM= 6，WS= 22，信息時(shí)間裕度初始值為TDm-tCm-tJm= 98.24ms ，需要WS為8 位。

2.3 汽車車身系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能分析

通過(guò)調(diào)節(jié)總線傳輸?shù)牟ㄌ芈誓M總線利用率的變化，編程分別對(duì)DM、LSF 算法進(jìn)行仿真，得到兩種算法調(diào)度下的車身CAN 總線網(wǎng)絡(luò)性能分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 車身信息集DM 與LSF 調(diào)度結(jié)果

由仿真知，DM 調(diào)度下在總線利用率達(dá)到63%時(shí)，有信息錯(cuò)過(guò)了其有效時(shí)間限制，即該信息丟失死限，此類信息均為低優(yōu)先級(jí)信息。同樣條件下LSF調(diào)度好于DM，總線利用率比DM 明顯改善。

3 結(jié)論

本文提出了LSF 調(diào)度策略，充分利用了CAN協(xié)議的非破壞性仲裁機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。對(duì)車身控制信息調(diào)度結(jié)果表明，LSF 算法可達(dá)到較高的總線利用率，有效的提高了低優(yōu)先級(jí)信息的實(shí)時(shí)性。

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