某特種車輛TTCAN網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)調(diào)度設(shè)計

李麗丹，王永康，南立軍

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

CAN（Control Area Network）是一種典型的事件觸發(fā)總線，不僅在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、家用電器、軍用設(shè)備等領(lǐng)域。特種車輛計算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部電子設(shè)備越來越多，為了降低維修難度，實時、可靠地實現(xiàn)信息的傳輸、共享，引入了CAN總線。但CAN總線有其不足之處，即多節(jié)點自由競爭時，由位仲裁決定訪問總線優(yōu)先權(quán)所帶來的節(jié)點工作時間具有不確定性[1]。為此，有人提出了時間觸發(fā)協(xié)議方法，例如FlexRay、TTCAN 和 Time-Triggered Protocol(TTP/C)，由于TTCAN是在 CAN的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可借用CAN現(xiàn)有的平臺，因此，得到人們更多的關(guān)注。

在TTCAN的研究中，除了相關(guān)的硬件開發(fā)之外，主要的研究工作就是要確定矩陣周期的整體結(jié)構(gòu)并將消息合理地安排到各個時間窗口中[2]，即靜態(tài)調(diào)度機(jī)制?，F(xiàn)有的基于均勻裝載（AL）算法[3-4]的優(yōu)化算法——諧波周期算法[5]，只是追求時間窗的長度最短，保證時間觸發(fā)信息和事件觸發(fā)信息的實時性，并沒有考慮每個信息發(fā)送的具體內(nèi)容、重要程度。因此，本文先利用諧波周期算法建立某特種車輛計算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)度表，之后根據(jù)每個消息的內(nèi)容對其適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這樣既保證了系統(tǒng)的實時性，又使系統(tǒng)中每個信息的發(fā)送時刻達(dá)到最佳。

1 TTCAN協(xié)議簡介

TTCAN協(xié)議是由Bernd Mueller博士等提出的在CAN的數(shù)據(jù)鏈路層上加的一個高層協(xié)議，ISO11898-4已包含了這個協(xié)議[6]。它與傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是：總線上不同的消息定義了不同的時間片段，在同一時間片段內(nèi)，總線上只能有一條報文傳輸，這樣就既避免了總線仲裁，又保證了信息的實時性。該協(xié)議定義了靜態(tài)調(diào)度機(jī)制、時間同步、時間進(jìn)程和錯誤監(jiān)測機(jī)制等內(nèi)容。本文主要介紹靜態(tài)調(diào)度機(jī)制。

1.1 靜態(tài)調(diào)度機(jī)制

TTCAN 協(xié)議中的調(diào)度機(jī)制本質(zhì)上屬于基于表的靜態(tài)調(diào)度，實現(xiàn)該算法必須保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間嚴(yán)格的時鐘同步。在 TTCAN 中，時間主節(jié)點周期性地發(fā)送參考消息來使網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點達(dá)到時鐘同步，通過調(diào)度表實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中消息傳輸?shù)墓芾砼c預(yù)測。參考消息標(biāo)志著一個基本周期的開始，基本周期由若干個時間窗口組成，包括獨占窗口、仲裁窗口和自由窗口。獨占窗口用于傳輸周期性的消息，仲裁窗口用于傳輸事件觸發(fā)的非周期消息，自由窗口用于將來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。圖1給出了由四個基本周期組成的調(diào)度表的結(jié)構(gòu)圖。

1.2 系統(tǒng)矩陣建立的主要研究問題

系統(tǒng)矩陣建立得合理與否，直接關(guān)系到該系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。TTCAN 中，系統(tǒng)矩陣的整體結(jié)構(gòu)以及消息的調(diào)度主要要求解決以下問題[7]：

1）確定基本周期，及其行數(shù)和列數(shù)；

2）確定基本周期中每列的長度，即一幀周期性消息所需要的總線傳輸時間，它必須保證一包完整報文的傳輸，對于標(biāo)準(zhǔn)幀報文，可由式（1）給出：

其中，TCWj為第 j列的傳輸列寬；Sm為第 j列消息的最大字節(jié)數(shù)；τbit為在傳輸介質(zhì)上傳輸一個數(shù)據(jù)位所需要的時間。

3）確定調(diào)度表中各個時間窗口中要調(diào)度的消息，即總線中各個消息的傳輸起始時刻。

圖1 調(diào)度表

2 諧波周期調(diào)度算法

文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于均勻裝載（AL）的調(diào)度算法。見圖 2。該算法用以保證周期型信息發(fā)送周期的最小抖動，并未考慮非周期型報文的實時性。本文使用的諧波周期調(diào)度算法是對AL算法的改進(jìn)，同時保證了周期性消息和非周期性消息的實時性。以下是諧波周期調(diào)度算法的建立步驟。

1） 周期性報文的個數(shù)N個，按周期升序排列的集合為 P ＝ ｛ P1, P2, · · ·PM｝ ，M 為周期個數(shù)，其中周期為 Ti的報文個數(shù)為ni個，1≤i≤M。

取基本周期為周期值最大公約數(shù)（GCD）：

取矩陣周期為周期值最小公倍數(shù)（LCM）：

各信號周期值與基本周期的比值為 ki＝TiTBC

基本周期個數(shù)即行數(shù) NBC＝TMCTBC，若 Tm＝λTi，m≠i，1 ≤ m , i≤ M，λ為正整數(shù)，則Pm組成的集合Qi為 Pi的相關(guān)組。

2） 確定列數(shù)和列寬

其中，C為周期性消息的列數(shù)，第C列可以加載的信息的個數(shù)為 a ＝λ(ki- r em( niki))，rem( ni, ki)表示niki的余數(shù)，所有周期性消息的列寬之和為，若 Ls＜TBC，說明可以調(diào)度。

圖2 諧波周期算法的流程圖

這樣，通過諧波周期算法使得周期性消息傳輸部分的自由窗口數(shù)量減少，縮短了其傳輸?shù)臅r間，為非周期性消息的傳輸提供了更多的時間。

3 諧波周期調(diào)度算法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

特種車輛如何做到“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵射擊”，很大程度上取決于其計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能。因此，提高計算機(jī)控制系統(tǒng)的實時性、可靠性、靈活性顯得非常重要。TTCAN在計算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為該系統(tǒng)性能的提高起到了很大的作用。

3.1 系統(tǒng)矩陣周期的建立

特種車輛計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是：全天候的快速觀察、識別、瞄準(zhǔn)和跟蹤目標(biāo)，并通過計算采集的有關(guān)數(shù)據(jù)，控制武器系統(tǒng)完成射擊。它由三個分系統(tǒng)組成：觀瞄分系統(tǒng)、計算機(jī)分系統(tǒng)和驅(qū)動分系統(tǒng)。這些分系統(tǒng)中各部件間信息的傳輸是通過 CAN總線網(wǎng)來實現(xiàn)的。

本文研究的計算機(jī)控制系統(tǒng)有兩個 CAN網(wǎng)：一個是以計算機(jī)為主的 CAN網(wǎng)絡(luò)；另一個是驅(qū)動部分的 CAN網(wǎng)絡(luò)。它們之間通過驅(qū)動控制箱連接。這里僅介紹以計算機(jī)為主的 CAN總線網(wǎng)，它傳輸?shù)南⒌闹芷?、ID和內(nèi)容見表1。

表1 系統(tǒng)中傳輸?shù)牟糠窒⑶闆r

下面利用諧波周期算法建立該計算機(jī)控制系統(tǒng)的TTCAN調(diào)度表。本文中報文傳輸速率為500kbps，所以τbit為1 500ms， 由 表 1 可 得 TBC＝ 3 ms ，TMC＝ 3 0ms ，n＝ ｛ 5, 2 ,4,7｝ ，k＝ ｛ 1, 2， 5, 1 0｝ ，NBC＝10，信息組T和其相關(guān)組Q見表2。

表2 信息組T和其相關(guān)組Q

利用諧波周期算法，通過 MATLAB對其進(jìn)行仿真可得以下調(diào)度表，見圖3。

圖3 諧波周期算法建立的調(diào)度表

從圖3可以看出，周期性消息的調(diào)度表為10行8列，將每列傳輸消息的最大字節(jié)數(shù)Sm代入公式（1）中可得表3。

表3 每列的傳輸列寬統(tǒng)計

3.2 諧波周期算法的不足

從以上分析可以看出，諧波周期算法中信息的編號僅僅是依據(jù)該信息發(fā)送的周期來確定的，并沒有考慮該信息發(fā)送內(nèi)容的重要程度。雖然TTCAN中周期性信息的發(fā)送是依靠周期矩陣，不存在沖突，但我們還必須考慮這個信息發(fā)送的內(nèi)容，以及信息間的關(guān)聯(lián)和緩急情況。比如信息編號6代表指揮員測距信息，如果某一時刻出現(xiàn)目標(biāo)，必須先進(jìn)行測距，將測距信息發(fā)送出去，之后火炮自動跟蹤目標(biāo)，操作手、指揮員及時將位置信息發(fā)送給主控計算機(jī)，主控計算機(jī)再進(jìn)行計算并發(fā)射。但從上面建立的調(diào)度表中可以看出，各節(jié)點同步之后，需等待0.271× 3+ 0 .231× 2 ＝ 1.275ms才能第一次收到測距的信息，之后火炮自動跟蹤目標(biāo)，還需再等3 - 2 .159 + 0 .191× 2 + 0 .271 ＝ 1 .494ms才得到火炮位置的信息，才能決定該如何射擊。這嚴(yán)重影響了該特種車輛的射擊響應(yīng)能力。還有信息編號12、13、14、15發(fā)送的信息要比編號 8、9、10、11發(fā)送的信息重要，應(yīng)該將比較重要的信息放在調(diào)度表中靠前的時間窗口。

綜合以上情況考慮，本文對諧波周期算法建立的調(diào)度表進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

3.3 改進(jìn)的調(diào)度表

本文在盡量不改變總列寬的前提下，根據(jù)信息的重要程度，對系統(tǒng)矩陣做如下調(diào)整：當(dāng)指揮員發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，首先按下測距按鈕，進(jìn)行測距并將數(shù)據(jù)發(fā)出去，之后總線上的其他節(jié)點才能根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行位置解算，進(jìn)而瞄準(zhǔn)目標(biāo)并射擊。因此，這里將測距信息放在了所有信息的前面，這樣從測距數(shù)據(jù)的發(fā)出到解算信息的發(fā)出就比圖 3所示的調(diào)度表中時間縮短了1.494ms，自動跟蹤信息也比圖3提前了1.275ms。而且圖2中的控制信息和狀態(tài)信息要比參數(shù)調(diào)整信息重要，所以應(yīng)盡量將參數(shù)調(diào)整信息放在靠后的時間片。另外，電源信息應(yīng)為系統(tǒng)中主要部件提供過載保護(hù)的功能，這里將其放在了所有信息的最后發(fā)送。這樣更加合乎系統(tǒng)的工作原理和滿足實時性的要求。調(diào)整后的矩陣周期見表4。

表4 調(diào)整后的調(diào)度表

從表4中可以看到：該表中參考報文的列寬與上面8列的列寬和相同，仍為 Ls＝ 2 .159ms ，且滿足信息發(fā)送的緩急情況，信息安排更加合理。

3.4 結(jié)果分析

利用MATLAB建立文獻(xiàn)[3]中提到的AL算法，調(diào)度表見圖4。

圖4 AL算法建立的調(diào)度表

對比改進(jìn)的諧波周期算法調(diào)度表（見表4）和AL算法建立的調(diào)度表（見圖4）可得以下結(jié)論。

1）AL算法要求調(diào)度表中每列列寬相同，且為所有報文中字節(jié)最大的報文傳輸所需的時間，而諧波周期算法只需要列寬為本列字節(jié)最大的報文傳輸所需的時間，每列列寬可以不同（見表3）。兩種算法傳輸消息所需的總時間見表5。

表5 兩種算法的傳輸時間對比表

從表5中可以看出，改進(jìn)的諧波周期算法在每個基本周期中周期型消息所占帶寬減少了0.28ms，即在保證周期型信息實時性能的前提下，表4中非周期信息可以比圖4中的獲得更大的傳輸帶寬，隨機(jī)的非周期信息可以取得更好的時間響應(yīng)特性。

2）AL算法和原諧波周期算法都只是按照消息的傳輸周期來建立的，而改進(jìn)的諧波周期算法是在不改變列寬的前提下，根據(jù)消息間的關(guān)聯(lián)程度、發(fā)送的先后順序和重要程度進(jìn)行的調(diào)整，使其信息分配更加合理，更加符合實際情況，實時性更加有保證。

4 結(jié)束語

諧波周期調(diào)度算法為每個基本周期空出了更多的時間來傳輸其他信息，但它僅僅考慮了傳輸消息的周期，并沒有結(jié)合系統(tǒng)本身信息發(fā)送的具體內(nèi)容，使得有些相關(guān)聯(lián)的信息中間等待時間過長，或者需要提前發(fā)送的信息安排得靠后。本文首先利用諧波周期算法求出了周期性信息傳輸時間窗最短的調(diào)度表，之后在盡量保證時間窗長度不變的條件下，對系統(tǒng)矩陣進(jìn)行適當(dāng)修改，使得該系統(tǒng)信息調(diào)度表安排得更加合理，且在保證周期型信息實時性能的前提下，非周期信息也可以取得良好的時間響應(yīng)特性。這對其它利用TTCAN保證實時性的控制系統(tǒng)來說，具有一定的指導(dǎo)意義。

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