一種“動靜結合”的CAN總線調度算法在汽車電子控制網(wǎng)絡中的研究與應用
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1、基于CAN總線的汽車電子控制網(wǎng)絡中潛在問題
從信息共享角度分析，現(xiàn)代典型的汽車電子控制單元有：電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、防滑控制系統(tǒng)（ASR）、巡航系統(tǒng)、空調控制系統(tǒng)等，用CAN總線將各個單元節(jié)點連接起來，組成實時通信網(wǎng)絡。
汽車CAN總線網(wǎng)絡在實際運行過程中，眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換，不可避免會出現(xiàn)總線負荷過大的情況。當信息幀的碰撞概率達到一定程度時，系統(tǒng)中一部分信息幀的收發(fā)就會產(chǎn)生延時，甚至根本不能收發(fā)成功。這樣，當駕駛員剎車時，即使時延只有幾個毫秒，但時速100公里的汽車也可能在這期間內(nèi)全速駛出3～4米，后果將不堪設想。
為了解決上述問題，本文提出了一種結合TTCAN（Time Triggered Controller Area Network）技術和動態(tài)晉升機制[4]各自所長的“動靜結合”的調度算法。該算法有效解決了數(shù)據(jù)的發(fā)送時延和沖突問題，改善了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
2、基于TTCAN技術的時間觸發(fā)調度方式
TTCAN由時間進程驅動，其時間觸發(fā)調度由順序固定的時間窗組成。時間窗是用于交換報文的時間片斷，通常有三類時間窗：專用時間窗（特定的周期性報文）、仲裁時間窗（通過仲裁訪問總線的報文）和空閑時間窗（為總線擴展所保留），如圖1所示。專用時間窗類似于TDMA（時分多路訪問），屬于離線進行的靜態(tài)調度，所有流程和時間參數(shù)均需要預先指定，并可以在多級或多個TTCAN網(wǎng)絡內(nèi)實現(xiàn)同步。TTCAN的全局時間由時間主機周期發(fā)送的參考報文產(chǎn)生，它的總線最多可以配置8個具有優(yōu)先級的時間主機節(jié)點，以確保總線的連續(xù)、確定性通信，優(yōu)先級最高的時間主機為當前時間主機。
圖1 TTCAN的基本周期和時間窗
在節(jié)點編程時，可以利用處理器的定時器中斷周期作為NTU（Network Time Unit），其值定義為在CAN總線上以1Mbps的速率傳輸1幀8字節(jié)數(shù)據(jù)幀所需時間的八分之一，約為16.75μs。對周期中斷次數(shù)進行計數(shù)，總線的調度從主節(jié)點發(fā)送參考報文開始，當計數(shù)器值與節(jié)點設定值相符時，則發(fā)送周期報文。傳輸數(shù)據(jù)幀時的時間窗利用率可以定義為：時間窗利用率＝（傳輸數(shù)據(jù)幀所需的NTU數(shù)/時間窗長度）×100%。在實際測試中可以發(fā)現(xiàn)，當時間窗小、調度周期數(shù)大時，誤碼率較大；當時間窗增大即時間窗利用率較低時，誤碼率基本維持在很低的水平。
3、基于動態(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(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)先級分配機制，將會在網(wǎng)絡負擔繁重的情況下出現(xiàn)發(fā)送傳輸時延或者丟失報文。而動態(tài)優(yōu)先級調度算法則能很好地解決這一問題。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標識協(xié)議幀的，這也是協(xié)議幀的惟一標識，與傳統(tǒng)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(jù)總線調度機制分配給協(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)送時和其他協(xié)議幀碰撞并失去仲裁時，即退出發(fā)送，并置優(yōu)先級上升一位后，再重新發(fā)送。因為這時其優(yōu)先級高于其他協(xié)議幀，在整個網(wǎng)絡中如果沒有其他與之具有相同優(yōu)先級的協(xié)議幀同時發(fā)送，即使和其他的協(xié)議幀（處于第一次發(fā)送的）碰撞，也會贏得仲裁，所以發(fā)送成功的概率很大。
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