采用混合調度策略的礦車CAN網絡設計

楊華松 易 克

（1.煤炭科學研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順 113122；2.浙江佳洲電器有限公司，浙江 溫州 325605）

CAN總線有著價格低廉、運行可靠等優點，已經逐漸應用于礦車等實時通信系統[1]。礦車控制系統屬于分布式實時系統，系統中包含周期的與隨機的實時信息，這些信息多數與安全關系緊密，有較高的實時性要求，因此需要在設計中進行合適的調度管理。對于實時性系統，有時間觸發和事件觸發[2]，兩種觸發機制，時間觸發機制可以保證系統信息的通信抖動可控，而事件觸發機制一般用來滿足系統的靈活性需求。

CAN協議總線本身采用事件觸發機制，柔性時間觸發CAN（FTT-CAN）將時間觸發機制引入CAN總線[3]，在提供時間觸發機制的同時具有很好的靈活性，本文基于 FTT-CAN提出了一種混和調度算法，以獲得較高的網絡利用率。

1 Flexible time-triggered CAN

FTT-CAN在CAN協議的基礎上，采用同步相和異步相雙相結構，同時支持時間、事件觸發機制。FTT-CAN協議將總線時間細分成等長的連續時間單元，即基本周期 EC（Elementary Cycles），每個EC開始時，由主節點發送一個 EC觸發消息 TM（Trigger Message）給所有從節點。基本周期由主節點發送觸發信息TM啟動，到下一次觸發信息出現截止。FTT-CAN的異步相用于傳輸事件觸發信息，即隨機信息，同步相則用于傳輸時間觸發的周期性信息，其發送過程與各個 EC同步。FTT-CAN基本周期結構如圖1所示，圖中AM和SM分別表示隨機性信息和周期性信息。兩相之間保留空閑時間段α，使得不同觸發屬性的信息能夠嚴格在各自相內進行傳輸。

FTT-CAN對時間觸發信息的調度集中在主節點內，在主節點內保存了一個信息調度表SchT，用于實現對周期性信息的集中式在線調度。圖2給出了觸發消息對周期信息的控制方式，由圖可以看到，通過觸發消息字段，就可以控制周期性信息的發送與否。觸發信息數據段中的每一位都對應于一個周期信息，將該數據位置位，則對應的信息可在由該觸發信息開始的 EC內獲準發送，否則該信息不能在該 EC內發送。通過對主節點內信息調度表的在線規劃，動態地改變每個特定 EC內的觸發信息，就可以實現周期性信息的調度管理。

圖2 FTT-CAN調度原理圖

2 基于FTT-CAN的混合調度策略

CAN在應用中，存在低優先級信息死鎖等情況[4]，為了保證網絡性能通常使用的網絡利用率較低[5]，本文針對上述情況，基于FTT-CAN提出了混合調度策略，將EDF算法引入FTT-CAN同步相調度中調度周期信息，EDF使時間最緊迫的信息獲得總線資源，可獲得較高的網絡利用率；采用 DPP[4]算法調度異步相的隨機信息，DPP算法可以為隨機信息提供公平的帶寬，有確定的傳輸時間界限，能夠有效的防止低優先級信息的死鎖[4]。

FTT-CAN的周期性信息的調度集中在主節點內，這為EDF算法的實施提供了條件，記周期性信息個數為NS，FTT-CAN下的EDF調度流程如圖3所示。

對于DPP調度，將信息m的優先級分為兩部分：動態優先級Pm-d和靜態優先級Pm-DM，記s為優先級提升的步長，DPP算法的流程如圖4所示。

圖3 EDF調度原理圖

圖4 DPP調度原理圖

3 系統性能分析

采用文獻[6]中的礦車信息模型為研究對象，模型中共有 44個信息，其中 31個隨機信息記為A1～A31，優先級遞增，11個周期信息記為S1～S11。記隨機信息集為 A，周期信息集為 S，將在特定的基本周期 EC(n)傳輸的周期信息集記為 S(n)，將基本周期取為周期信息的最大公約數 5ms，取網絡傳輸速率為250Kbit/s。

分別采用文獻[6]中的基于CAN的DM算法和本文基于FTT-CAN的混合調度策略調度這些信息，分析對系統性能的影響。

1）信息最壞響應時間分析

最壞響應時間 TRi表征信息從產生到抵達目的節點所用的最長時間，由3部分組成：

式中，Tbit為位傳輸時間，TBi為信息被正在傳輸的低優先級信息所阻礙的時間，TWi為等待高優先級信息傳輸的時間，TCi為信息i的傳輸時間。

對于基于CAN的DM算法，TBi和TWi分別為

式中，hp(i)為比信息 i優先級高的信息集合，lp(i)為比信息i優先級低的信息集合。

對于FTT-CAN，應用EDF算法時，由于信息i不被低優先級信息阻礙，其TBi=0，TWi為

采用DM和EDF時，周期信息的最壞響應時間如圖5所示。

圖5 周期信息最壞響應時間

由圖5可見，采用基于FTT-CAN的EDF調度時，低優先級信息的最壞響應時間明顯減少，信息的實時性得到明顯改善。

2）系統可調度性分析

為了評價系統的可調度性能，引入評價因子β，

式中，tDi為信息的截止期，tD′i為信息i仍可調度時所能承受的最小時間限制。

取隨機信息模型運行工況為：A 12—A 31在t=0時刻產生，A1—A11在A20完成傳輸時產生，可得采用不同的策略時系統的可調度性見表1。

表1 不同調度策略時的系統性能

由表1可見，采用了FTT-CAN的控制系統的冗余度有明顯提高，在保證信息可調度的同時，能有效保證控制系統的確定性。

4 結論

本文基于FTT-CAN提出了混合調度策略，提高了CAN總線應用中的系統帶寬利用率，解決了信息的死鎖問題。

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