基于FTT?CAN的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法研究

劉應(yīng)吉+王書(shū)舉

摘 要： 針對(duì)在控制器局域網(wǎng)（CAN）總線中存在低優(yōu)先級(jí)信息會(huì)因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)信息頻繁占用總線而出現(xiàn)的死鎖問(wèn)題，在車(chē)輛控制系統(tǒng)中引入柔性時(shí)間觸發(fā)機(jī)制組建柔性事件觸發(fā)控制器局域網(wǎng)（FTT?CAN），針對(duì)周期信息和隨機(jī)信息，分別在FTT?CAN的同步相和異步相中采用最早截止期優(yōu)先（EDF）調(diào)度和動(dòng)態(tài)提升優(yōu)先級(jí)（DPP）調(diào)度，介紹了FTT?CAN觸發(fā)原理，提出基于EDF和DPP的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，將該調(diào)度算法應(yīng)用于典型電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)模型的調(diào)度，驗(yàn)證了該調(diào)度算法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 控制器局域網(wǎng)； 柔性時(shí)間觸發(fā)控制器局域網(wǎng)； 動(dòng)態(tài)調(diào)度； 可度性分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.04?34；TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）23?0158?04

Abstract： The controller area network （CAN） bus has the problem that the information with low priority may be deadlocked due to the frequent bus occupation of the information with high priority. The flexible time?triggered CAN （FTT?CAN） based on flexible time?triggered mechanism is introduced into the vehicle control system. The earliest deadline first （EDF） scheduling and dynamic promotion priority （DPP） scheduling are respectively used in the synchronous phase and asynchronous phase of the FTT?CAN for the periodic information and random information. The trigger principle of FTT?CAN is introduced. The dynamic scheduling algorithms based on EDF and DPP are proposed. The proposed dynamic scheduling algorithm is used to the scheduling of the typical electric vehicle control system model. Its superiority was verified.

Keywords： controller area network； flexible time?triggered CAN； dynamic scheduling； schedulability analysis

0 引 言

CAN 總線由于其成本低、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在車(chē)輛實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。CAN協(xié)議基于事件觸發(fā)（Event?triggered，ET）機(jī)制，該機(jī)制具有較大的信息傳輸延時(shí)抖動(dòng)，通信不具有確定性[1?3]控制系統(tǒng)需要通過(guò)CAN總線傳輸?shù)拇蟛糠挚刂菩畔⒂兄鴮?shí)時(shí)性和安全性需求，要求信息在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成傳輸，傳統(tǒng)的CAN有時(shí)不能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間約束的要求[4]，因此，有研究在標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展了支持時(shí)間觸發(fā)機(jī)制（Time?triggered，TT）[5?6]，基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的CAN高級(jí)協(xié)議能夠保證周期信息傳輸?shù)亩秳?dòng)得到有效控制[7?9]。柔性時(shí)間觸發(fā)CAN（Flexible Time?triggered CAN，F(xiàn)TT?CAN）[10]作為CAN的擴(kuò)展協(xié)議兼顧了事件觸發(fā)的靈活性和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的確定性。

本文針對(duì)FTT?CAN的特點(diǎn)，提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，可以有效地提高總線的利用率及信息的實(shí)時(shí)性。

1 柔性時(shí)間觸發(fā)CAN原理

FTT?CAN采用同步相和異步相雙相結(jié)構(gòu)來(lái)控制時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)信息的傳輸，它將時(shí)間、事件觸發(fā)通信有效地結(jié)合起來(lái)。FTT?CAN協(xié)議將總線時(shí)間細(xì)分成等長(zhǎng)的連續(xù)時(shí)間單元，即基本周期EC（Elementary Cycles），每個(gè)EC開(kāi)始時(shí)，由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)EC觸發(fā)消息TM（Trigger Message）給所有從節(jié)點(diǎn)，該消息同時(shí)包含了該EC內(nèi)獲準(zhǔn)發(fā)送的時(shí)間觸發(fā)信息的標(biāo)識(shí)?；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。FTT?CAN的異步相用于傳輸事件觸發(fā)信息，即隨機(jī)信息，它可以在任意時(shí)刻產(chǎn)生發(fā)送請(qǐng)求，同步相則用于傳輸時(shí)間觸發(fā)消息，即周期性信息，其發(fā)送過(guò)程與各個(gè)EC同步。FTT?CAN基本周期結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中AM和SM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，]使得不同觸發(fā)屬性的信息能夠嚴(yán)格在各自相內(nèi)進(jìn)行傳輸。

FTT?CAN對(duì)時(shí)間觸發(fā)信息的調(diào)度集中在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)，在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)保存了一個(gè)信息調(diào)度表，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性信息的集中式在線調(diào)度。圖2給出了觸發(fā)消息對(duì)周期信息的控制方式，由圖2可以看到，通過(guò)觸發(fā)消息字段就可以控制周期性信息的發(fā)送與否。觸發(fā)信息數(shù)據(jù)段中的每一位都對(duì)應(yīng)于一個(gè)周期信息，對(duì)應(yīng)的信息可在由該觸發(fā)信息開(kāi)始的EC內(nèi)獲準(zhǔn)發(fā)送，否則該信息不能在該EC內(nèi)發(fā)送。通過(guò)對(duì)主節(jié)點(diǎn)內(nèi)信息調(diào)度表的在線規(guī)劃，動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)特定EC內(nèi)的觸發(fā)信息，就可以實(shí)現(xiàn)周期性信息的調(diào)度管理。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)表，各個(gè)節(jié)點(diǎn)解碼接收到觸發(fā)信息數(shù)據(jù)并查詢(xún)本節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)/消費(fèi)表，若查到該基本周期內(nèi)有本節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息，則同步相到來(lái)后立即申請(qǐng)信息發(fā)送。

2 基于FTT?CAN的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法endprint

由于FTT?CAN協(xié)議同步相調(diào)度只需在主節(jié)點(diǎn)中更新調(diào)度表[11]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)通信需求的在線接入，這為在同步相引入最早截止期優(yōu)先（Earliest Deadline First， EDF）動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了可能。FTT?CAN協(xié)議異步相中沿用傳統(tǒng)CAN的事件觸發(fā)機(jī)制，可以采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)提升（Dynamic Priority Promotion，DPP）調(diào)度，隨著信息仲裁失敗上調(diào)該信息優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而減少低優(yōu)先級(jí)消息的平均響應(yīng)時(shí)間，使帶寬配置更均勻。

2.1 基于EDF的同步相動(dòng)態(tài)調(diào)度

EDF調(diào)度可獲得較高的帶寬利用率[12]，因此廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，但由于EDF需要實(shí)時(shí)同步計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的截止期，對(duì)各節(jié)點(diǎn)硬件的計(jì)算能力要求較高，而FTT?CAN對(duì)于周期信息的處理過(guò)程都集中在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)，EDF對(duì)于節(jié)點(diǎn)的計(jì)算要求局限于主節(jié)點(diǎn)，另外，主節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)實(shí)時(shí)更新本地的調(diào)度表即可完成同步在線調(diào)度，其余節(jié)點(diǎn)只需要具有能解碼EC觸發(fā)信息的能力即可。因此，本文對(duì)于周期信號(hào)的動(dòng)態(tài)調(diào)度采用EDF調(diào)度算法，對(duì)于任一周期信息[m，]EDF具體算法過(guò)程如圖3所示。

其中，[TDm]為信息[m]的截止期限；[TBC]為一個(gè)基本周期的時(shí)長(zhǎng)；[NS]為周期信息的個(gè)數(shù)。

2.2 基于DPP的異步相動(dòng)態(tài)調(diào)度

DPP算法能夠給予網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)信息公平的帶寬，能保證網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸有時(shí)間上限，因此，DPP算法可以有效地避免網(wǎng)絡(luò)中低優(yōu)先級(jí)信息總也不能得到網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)的情況發(fā)生[13]。DPP算法將信息的標(biāo)識(shí)符分成兩個(gè)優(yōu)先級(jí)域：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)域和固定優(yōu)先級(jí)域。對(duì)于隨機(jī)信息n，以Pn?dynamic表示動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，以Pn?DM表示固定優(yōu)先級(jí)，以s表示優(yōu)先級(jí)提升步數(shù)，DPP算法實(shí)施步驟如圖4所示。

3 網(wǎng)絡(luò)性能分析

為了評(píng)價(jià)不同調(diào)度策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，本文采用一套SAE（Society of Automotive Engineers）電動(dòng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)模型為研究對(duì)象，該模型包含電池、車(chē)輛控制器、馬達(dá)控制器、控制面板、駕駛員輸入、剎車(chē)及傳輸控制7個(gè)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)[8]，各系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間需要處理44個(gè)信號(hào)，將其中31個(gè)隨機(jī)信號(hào)記為[A1～A31，]記11個(gè)隨機(jī)信號(hào)為[S1～S11，]周期信號(hào)的截止期為其周期， 隨機(jī)信號(hào)的截止期依應(yīng)用環(huán)境而定，參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。將事件觸發(fā)的隨機(jī)信號(hào)歸集記為[A，]周期信號(hào)歸集為[S，]將第[n]個(gè)基本周期中傳輸?shù)男盘?hào)作為[S]的子集歸集為[S（n）]。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為250 Kb/s，基本周期TBC為 5 ms，忽略網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。

分別采用本文基于FTT?CAN的調(diào)度策略和文獻(xiàn)[8]中的DM調(diào)度策略，對(duì)比網(wǎng)絡(luò)利用率、周期信息響應(yīng)時(shí)間及隨機(jī)信息可調(diào)度性等三方面的網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1 周期信息的響應(yīng)分析

由表1可見(jiàn)，F(xiàn)TT?CAN網(wǎng)絡(luò)中，由于隨機(jī)信息被約束在異步相內(nèi)傳輸，采用DM算法的話(huà)，隨機(jī)信息的比例因子較小，表明應(yīng)對(duì)更高時(shí)間要求能力較差，但是，通過(guò)引入DPP動(dòng)態(tài)調(diào)度指環(huán)，整體的調(diào)度性明顯得到了提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

在車(chē)輛控制CAN網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸?shù)拇_定性和靈活性越來(lái)越重要，本文基于CAN高級(jí)協(xié)議，針對(duì)不同的信息特點(diǎn)引入對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，提出一種兼顧確定性和靈活性的調(diào)度機(jī)制，以SAE電動(dòng)汽車(chē)模型為應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)與傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度相對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

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