一種“動(dòng)靜結合”的CAN總線(xiàn)調度算法在汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )中的研究與應用
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1、基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )中潛在問(wèn)題
從信息共享角度分析，現代典型的汽車(chē)電子控制單元有：電控燃油噴射系統、電控傳動(dòng)系統、防抱死制動(dòng)系統（ABS）、防滑控制系統（ASR）、巡航系統、空調控制系統等，用CAN總線(xiàn)將各個(gè)單元節點(diǎn)連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )。
汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在實(shí)際運行過(guò)程中，眾多節點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數據交換，不可避免會(huì )出現總線(xiàn)負荷過(guò)大的情況。當信息幀的碰撞概率達到一定程度時(shí)，系統中一部分信息幀的收發(fā)就會(huì )產(chǎn)生延時(shí)，甚至根本不能收發(fā)成功。這樣，當駕駛員剎車(chē)時(shí)，即使時(shí)延只有幾個(gè)毫秒，但時(shí)速100公里的汽車(chē)也可能在這期間內全速駛出3～4米，后果將不堪設想。
為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種結合TTCAN（Time Triggered Controller Area Network）技術(shù)和動(dòng)態(tài)晉升機制[4]各自所長(cháng)的“動(dòng)靜結合”的調度算法。該算法有效解決了數據的發(fā)送時(shí)延和沖突問(wèn)題，改善了CAN總線(xiàn)數據傳輸的實(shí)時(shí)性。
2、基于TTCAN技術(shù)的時(shí)間觸發(fā)調度方式
TTCAN由時(shí)間進(jìn)程驅動(dòng)，其時(shí)間觸發(fā)調度由順序固定的時(shí)間窗組成。時(shí)間窗是用于交換報文的時(shí)間片斷，通常有三類(lèi)時(shí)間窗：專(zhuān)用時(shí)間窗（特定的周期性報文）、仲裁時(shí)間窗（通過(guò)仲裁訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的報文）和空閑時(shí)間窗（為總線(xiàn)擴展所保留），如圖1所示。專(zhuān)用時(shí)間窗類(lèi)似于TDMA（時(shí)分多路訪(fǎng)問(wèn)），屬于離線(xiàn)進(jìn)行的靜態(tài)調度，所有流程和時(shí)間參數均需要預先指定，并可以在多級或多個(gè)TTCAN網(wǎng)絡(luò )內實(shí)現同步。TTCAN的全局時(shí)間由時(shí)間主機周期發(fā)送的參考報文產(chǎn)生，它的總線(xiàn)最多可以配置8個(gè)具有優(yōu)先級的時(shí)間主機節點(diǎn)，以確?？偩€(xiàn)的連續、確定性通信，優(yōu)先級最高的時(shí)間主機為當前時(shí)間主機。
圖1 TTCAN的基本周期和時(shí)間窗
在節點(diǎn)編程時(shí)，可以利用處理器的定時(shí)器中斷周期作為NTU（Network Time Unit），其值定義為在CAN總線(xiàn)上以1Mbps的速率傳輸1幀8字節數據幀所需時(shí)間的八分之一，約為16.75μs。對周期中斷次數進(jìn)行計數，總線(xiàn)的調度從主節點(diǎn)發(fā)送參考報文開(kāi)始，當計數器值與節點(diǎn)設定值相符時(shí)，則發(fā)送周期報文。傳輸數據幀時(shí)的時(shí)間窗利用率可以定義為：時(shí)間窗利用率＝（傳輸數據幀所需的NTU數/時(shí)間窗長(cháng)度）×100%。在實(shí)際測試中可以發(fā)現，當時(shí)間窗小、調度周期數大時(shí)，誤碼率較大；當時(shí)間窗增大即時(shí)間窗利用率較低時(shí)，誤碼率基本維持在很低的水平。
3、基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級調度算法的事件觸發(fā)調度方式
仲裁窗發(fā)送事件觸發(fā)報文，如果采用傳統的靜態(tài)優(yōu)先級分配機制，將會(huì )在網(wǎng)絡(luò )負擔繁重的情況下出現發(fā)送傳輸時(shí)延或者丟失報文。而動(dòng)態(tài)優(yōu)先級調度算法則能很好地解決這一問(wèn)題。以下是該算法的基本原理。
首先，將CAN的仲裁域（以擴展幀格式為例）分成優(yōu)先級和標識兩部分，如圖2所示。標識部分是固定用來(lái)標識協(xié)議幀的，這也是協(xié)議幀的惟一標識，與傳統協(xié)議幀標識符的意義完全相同；優(yōu)先級部分已經(jīng)不再具有協(xié)議幀的標識功能，而只是表示協(xié)議幀的優(yōu)先級功能，所以它可以根據總線(xiàn)調度機制分配給協(xié)議幀的優(yōu)先級的變化而變化。
圖2 CAN擴展幀格式的仲裁域的劃分
其次，當協(xié)議幀第一次發(fā)送、且當它在發(fā)送時(shí)和其他協(xié)議幀碰撞并失去仲裁時(shí)，即退出發(fā)送，并置優(yōu)先級上升一位后，再重新發(fā)送。因為這時(shí)其優(yōu)先級高于其他協(xié)議幀，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中如果沒(méi)有其他與之具有相同優(yōu)先級的協(xié)議幀同時(shí)發(fā)送，即使和其他的協(xié)議幀（處于第一次發(fā)送的）碰撞，也會(huì )贏(yíng)得仲裁，所以發(fā)送成功的概率很大。
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