基于Petri網(wǎng)的綜合電子系統(tǒng)總線建模與性能優(yōu)化

宋小慶，任維彬，2，陳克偉，王治國，王海濤

(1.裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072;2.65545部隊，遼寧 普蘭店116200;3.75100部隊，廣西柳州545002)

綜合電子系統(tǒng)是以總線網(wǎng)絡為核心，將車內(nèi)電氣、控制、導航和識別等各分系統(tǒng)進行有機連接，實現(xiàn)功能綜合以提高車輛整體效能的綜合化系統(tǒng)［1］。總線網(wǎng)絡是軍用綜合電子系統(tǒng)的核心技術，具有嚴格實時性和高度可靠性的要求，性能優(yōu)劣直接決定綜合電子系統(tǒng)性能，影響車輛整體作戰(zhàn)效能。近年來，世界各國對軍用車輛綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展給予高度重視，我國也在多種主戰(zhàn)坦克及步兵戰(zhàn)車上開展了綜合電子系統(tǒng)的研究和應用［2］。但綜合電子系統(tǒng)總線在實車應用中所表現(xiàn)出的總線效率低、整體效能不高等問題也較為突出［3］。

本文以某新型步兵戰(zhàn)車綜合電子系統(tǒng)總線為對象，采用Petri網(wǎng)，按照自頂向下的模塊化建模思想，利用CPN Tools建模工具，依據(jù)總線協(xié)議建立系統(tǒng)總線通信協(xié)議機制模型，仿真系統(tǒng)信息流動態(tài)行為。通過對系統(tǒng)性能指標的分析，提出針對該綜合電子系統(tǒng)的優(yōu)化方案，提高了綜合電子系統(tǒng)總線利用率，提升了綜合電子系統(tǒng)整體效能。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構分析

1.1 總體拓撲結構

綜合電子系統(tǒng)總體結構主要分為單級網(wǎng)絡拓撲結構和多級網(wǎng)絡拓撲結構。單級網(wǎng)絡拓撲結構是由單一總線掛接各個設備終端組成，多級網(wǎng)絡拓撲結構是由2種以上類型總線通過互連并掛接各個設備終端組成，其中不同類型總線通過網(wǎng)關結構實現(xiàn)互連。多級網(wǎng)絡與單級網(wǎng)絡相比，具有更好的層級管理能力，其不同種總線的拓撲結構可以根據(jù)任務需要，按照總線協(xié)議機制，更加合理高效地實現(xiàn)消息的傳輸與調(diào)度，滿足系統(tǒng)可靠性和實時性要求，提高綜合電子系統(tǒng)整體性能。

圖1為該型戰(zhàn)車綜合電子系統(tǒng)拓撲結構，該結構為二級網(wǎng)絡拓撲:一級網(wǎng)絡由1553B總線構成，完成乘員子網(wǎng)間消息的傳遞和交互;二級網(wǎng)絡由CAN總線構成，完成乘員子網(wǎng)與掛接在各個乘員終端的設備之間的通信。一級網(wǎng)絡與二級網(wǎng)絡的互連，是通過網(wǎng)關結構來實現(xiàn)2種不同總線協(xié)議的解析和消息格式的轉換。

圖1 某型步兵戰(zhàn)車綜合電子系統(tǒng)拓撲結構

1.2 協(xié)議機制分析

CAN總線協(xié)議采用基于優(yōu)先級的CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)方式，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送消息時，優(yōu)先級高的節(jié)點繼續(xù)發(fā)送，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，等待總線空閑再繼續(xù)發(fā)送，這樣可以有效避免總線碰撞。1553B采用的是主從控制方式的總線控制?？偩€控制器(Bus Controller，BC)負責控制整個網(wǎng)絡，只有BC發(fā)送命令才能引起網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳送，遠程終端(Remote Terminal，RT)只能接收消息。

CAN標準數(shù)據(jù)幀格式控制場有11位標識符，而擴展幀控制場標識符有29位，當傳送小于8個字節(jié)的有效字節(jié)時，CAN標準數(shù)據(jù)幀傳送的位數(shù)是44～108位，而CAN擴展幀則為64～128位。CAN幀格式詳細說明參見文獻［4］。

根據(jù)CAN標準數(shù)據(jù)幀格式定義，抽象消息傳輸要素如表1所示。其中優(yōu)先級數(shù)字越小代表該消息的優(yōu)先級越高，數(shù)據(jù)指有效數(shù)據(jù)個數(shù)，周期為1 ms。

1553B協(xié)議規(guī)定每個字字長為20位，有效信息為16位，每個字的前3位為單字的同步頭，而最后一位是奇偶位［5］。1553B字格式及具體傳送方式參見文獻［6］，限于篇幅，不再贅述。根據(jù)1553B消息傳送方式和字格式的定義，抽象消息要素和標識碼對應關系如表2所示。

2 信息流規(guī)劃

2.1 信息分類

在綜合電子系統(tǒng)中，消息根據(jù)是否具有確定的周期可以分為2類:確定性消息和隨機性消息［1］。確定性消息傳輸?shù)膬?nèi)容主要包括車輛工況、行駛路線、周電設備參數(shù)等信息，隨機性消息主要包括緊急任務指令和三防火警信息等。其中隨機性消息中，一部分任務指令需要不同任務終端的多個設備之間協(xié)同完成，這樣的信息傳遞需要經(jīng)由1553B一級網(wǎng)絡在不同任務終端之間進行信息傳遞。

表1 消息傳輸要素對應關系

表2 消息傳輸格式對應關系

2.2 流動過程模型分析

結合CAN總線構成的二級網(wǎng)絡，對CAN總線靜態(tài)結構和動態(tài)行為及功能進行概括，制定信息流控制過程如圖2所示。按照功能劃分為4部分，第1部分為初始化功能模塊，將周期性消息初始化到各個節(jié)點。第2部分為節(jié)點內(nèi)消息產(chǎn)生模塊，其工作詳細過程如圖3所示，節(jié)點內(nèi)初始表表示等待初始化的周期性消息，這些消息將被送入節(jié)點內(nèi)部進行處理:首先按照產(chǎn)生的時間進行排序，然后取出本節(jié)點最早產(chǎn)生的消息，獲取其產(chǎn)生時間，根據(jù)CAN總線協(xié)議機制，每次只能取出一幀消息。第3部分為總線競爭模塊，分為2種情況:有隨機性消息產(chǎn)生的過程及無隨機性消息產(chǎn)生的過程。有隨機性消息產(chǎn)生的過程中，產(chǎn)生的消息首先要和隨機性消息參與總線使用權的競爭，進行優(yōu)先級的仲裁，優(yōu)先級高的消息幀勝出。在沒有隨機性消息注入的過程中，產(chǎn)生的消息參與總線使用權的競爭。一般情況下，隨機性消息比較緊急和重要，因此設定隨機性消息的優(yōu)先級較高，一般會在仲裁過程中勝出。當有大量消息幀競爭總線使用權時，會產(chǎn)生隊列延時，超過消息發(fā)送的最大延時后該消息幀失效而被取消。第4部分為消息接收模塊，根據(jù)目的節(jié)點地址標識，送入目的節(jié)點。

圖2 信息流流動過程

圖3 節(jié)點內(nèi)部消息產(chǎn)生過程

3 賦時顏色Petri網(wǎng)對應關系

3.1 賦時顏色Petri網(wǎng)定義

定義1:顏色Petri網(wǎng)是一個七元組:CPN=(S，T，F(xiàn)，C，W，I，M0) ，其詳細定義參見文獻［7］。

定義2:一個賦時顏色Petri網(wǎng)(Colored Timed Petri Net，CTPN)是一個二元組(CPN，τ)，其中 CPN是一個顏色Petri網(wǎng)，τ是一個時間映射函數(shù)［8］。τ:T0∪R+規(guī)定了網(wǎng)中每個變遷t的持續(xù)時間。當持續(xù)時間為0時稱之為瞬時變遷，不為0時稱之為時延變遷。由于τ的引入，使得賦時顏色Petri網(wǎng)可以用于分析系統(tǒng)時間層次的性能，在一個CTPN中若時間與每一變遷關聯(lián)，將得到一個賦時顏色Petri網(wǎng)。在建模過程中，通常用庫所表示消息所處的狀態(tài)或位置，變遷表示消息傳遞的動作或過程，顏色集是傳遞的消息的各個要素的集合，賦時代表消息傳遞過程中產(chǎn)生的延時［9］。

3.2 動態(tài)行為仿真

利用Petri網(wǎng)仿真建模工具CPN Tools對系統(tǒng)進行建模［10－11］，按照自頂向下的模塊化建模思想，仿真CAN總線和1553B總線通信協(xié)議機制運行。其中炮長任務終端的CAN總線發(fā)送模塊如圖4所示:融合庫所GunComputer代表消息經(jīng)初始化后等待發(fā)送的狀態(tài);StructHelper0代表發(fā)送計時器;庫所Cache0代表發(fā)送緩存區(qū);庫所DataMoniter0代表發(fā)送計數(shù)器;PriorBSP0代表位流處理器;庫所A0代表發(fā)送緩沖區(qū);庫所0和T0是融合庫所，通過控制其使能標識實現(xiàn)周期性消息按照時間順序每次發(fā)送一幀;庫所 RandStrInterface0代表節(jié)點緩存;變遷StructHelper01代表緩沖器;庫所TReg0代表接收緩沖區(qū);變遷PriorBSP01代表位流處理器。CAN總線發(fā)送模塊工作過程如下。

圖4 炮長任務終端CAN總線發(fā)送模塊

庫所GunComputer執(zhí)行變遷StructHelper0，將本節(jié)點的周期性命令幀表一次性全部送入代表本節(jié)點的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待總線仲裁。變遷TimeBSP0通過背景函數(shù)的作用，將節(jié)點周期性命令按照產(chǎn)生時間順序進行排序，每次執(zhí)行最先產(chǎn)生的一幀周期性命令，送入本節(jié)點數(shù)據(jù)緩存Cache0中，庫所T0存放使能標識，限制變遷TimeBSP0連續(xù)發(fā)生，使TimeBSP0每次執(zhí)行只能取出最先產(chǎn)生的一幀命令。在使能標識被歸還前，變遷TimeBSP0執(zhí)行能力被限制，從而模擬周期性消息幀按照產(chǎn)生時間順序每次取出最早產(chǎn)生的一幀進行發(fā)送的過程，保證周期性消息的發(fā)送按照其產(chǎn)生時間的先后順序進行。

庫所Token中存放使能標識，使變遷Rec能夠通過CPN Tools提供的底層函數(shù)接口，接收代表隨機性命令的字符串，并解析形成命令幀表送入代表節(jié)點緩存的庫所RandStrInterface0中，從而完成隨機性命令幀的初始化過程。通過變遷StructHelper01的執(zhí)行，將隨機性命令幀形成隊列送入代表節(jié)點緩存的庫所TReg01中。變遷PriorBSP01通過執(zhí)行，將庫所TReg01中的隨機性命令幀待發(fā)送隊列按照顏色集中規(guī)定的優(yōu)先級進行排序，取出優(yōu)先級最高的一幀送入庫所Cache0中，從而模擬隨機性消息按照優(yōu)先級的順序進行發(fā)送。庫所Cache0中存放周期性命令中最早產(chǎn)生的命令幀和可能存放著隨機性命令中優(yōu)先級最高的命令，變遷DataMoniter0代表發(fā)送計數(shù)器，對數(shù)據(jù)幀數(shù)以及有效字節(jié)數(shù)等參數(shù)進行計數(shù)，通過執(zhí)行形成隊列并送入代表數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)的TEC0中。變遷PriorBSP0通過執(zhí)行，將庫所TEC0中的周期性和隨機性命令先按照產(chǎn)生時間，再按照優(yōu)先級的順序，確保在同一時刻產(chǎn)生時間最早的消息幀最先發(fā)送。在沒有時間更早的消息情況下，則優(yōu)先級最高的消息進行發(fā)送。通過確定這樣的規(guī)則和順序，模擬消息發(fā)送的邏輯順序。將通過這樣的規(guī)則和順序獲得發(fā)送權的消息幀送入輸出端口A0中，同時將使能標識歸還T0。庫所0存放使能標識，限制變遷PriorBSP0每次只能取出一幀命令幀。限于篇幅，其他模塊及工作過程不予贅述。

4 仿真結果分析

4.1 性能指標定義

綜合電子系統(tǒng)的性能指標，主要包括總線負載、總線效率、平均延遲率等。其中:總線負載和總線效率這2個性能指標是用來衡量總線上信息傳輸?shù)膿頂D程度，二者描述的角度不同;平均延遲率是反映消息幀在總線傳輸過程中的平均滯留時間。

式(1)中:m1為在固定時間內(nèi)實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，單位為bit;n1為總線傳輸?shù)奈凰俾?，? bit/μs;t1為固定時間值，單位為μs。式(2)中:t3為一位傳輸?shù)臅r間，在1 Mbit/s的速率下為1 μs;n3為傳輸?shù)目偽粩?shù);t2為一位數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，n2為數(shù)據(jù)位數(shù)。式(3)中:t4為產(chǎn)生延時;t5為傳輸延時;t6為隊列延時;t7為接收延時，單位都是μs;其中Cm的公式為［12］Cm=［64n+8Sm+(54+8Sm)］τbit+Pcons，n為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀數(shù)，Sm為數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，τbit為位時間，Pcons是一個與物理電氣介質(zhì)電氣特性相關的參數(shù)。按照現(xiàn)在的總線通信能力和處理器運算速率，t4、t5可以忽略不計，t6、t7通過在模型中設定傳輸速率計算獲得。通過模型運行和編程計算，可得性能指標參數(shù)列表，其中炮長任務終端部分性能指標參數(shù)如表3所示。

表3 炮長任務終端部分性能指標參數(shù)列表

4.2 系統(tǒng)總線性能優(yōu)化方案

4.2.1 方案 1

根據(jù)車長端性能指標參數(shù)列表，可得車長任務終端總線負載與有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)性能關系曲線，如圖5所示，設定所有消息幀有效數(shù)據(jù)長度為0～8位，消息發(fā)送平均時間間隔為600 μs，傳輸速率為1 Mbit/s。從圖5可看出:在CAN節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)長度不斷增加的過程中，在總線上傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)也在不斷增加，網(wǎng)絡負載隨之接近線性關系不斷增加。這是因為隨著節(jié)點發(fā)送CAN幀的數(shù)據(jù)長度的增加，單位時間內(nèi)網(wǎng)絡上的比特流量也在不斷增加，占用系統(tǒng)的帶寬在不斷變大，因而系統(tǒng)的后備能力也在不斷減弱。所以，在確定的時間段內(nèi)，為保證系統(tǒng)具備相當處理隨機性消息的能力，應合理控制總線負載，留有一定的預備帶寬，可以根據(jù)該曲線大致確定在確定時間段內(nèi)經(jīng)總線傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)，并由此設計每幀所攜帶有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，滿足總線系統(tǒng)傳輸要求。

但是留有預備帶寬的方法，在提高系統(tǒng)處理隨機性消息的同時，又會對總線帶寬造成浪費，所以在盡可能縮小裕量帶寬的同時，盡量減小總線開銷(如同步頭、幀結束等無效信息位)，增加單幀有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。結合車輛綜合電子系統(tǒng)任務傳輸要求，可以將相關消息幀進行合并，將原來的多幀消息通過添加標識位進行合并，在接收端進行編程處理，將合并的幀進行解析，從而增加單幀有效信息量，減少無用系統(tǒng)開銷。實際應用也證明了該方法的有效性。

圖5 總線負載與有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)關系曲線

4.2.2 方案 2

CAN總線引入位填充機制:發(fā)送節(jié)點的傳輸控制器在連續(xù)檢測到5個相同極性位之后插入一個相反極性位，接收節(jié)點在接收時也會檢查相同極性的位數(shù)，并把填充位從位流中去除。位填充機制使得總線上實際傳輸?shù)南⑽粩?shù)大于原始消息位數(shù)。對于標準幀，可以得到在不同填充位數(shù)下數(shù)據(jù)傳輸效率與字節(jié)數(shù)的關系，對于數(shù)據(jù)域為1～8個字節(jié)的報文，在網(wǎng)絡傳輸過程中填充位的增加都會導致數(shù)據(jù)傳輸效率的降低，這對于網(wǎng)絡來說是十分不利的，所以采取措施降低填充位數(shù)量對CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸有很積極的作用。很多學者對減少填充位數(shù)量做了大量的研究工作［13］，其中有一種十分簡便的改進填充方法就是適當?shù)剡x取標識符，使幀起始位、仲裁域和控制域都不參與位填充，以此來減少參與填充的位數(shù)，從而提高報文的數(shù)據(jù)傳輸效率。

綜合電子信息系統(tǒng)內(nèi)周期性消息的主要內(nèi)容為工作狀況參數(shù)和導航信息等，以該型步兵戰(zhàn)車為例，其中的周期性消息中，主要包括發(fā)動機工況參數(shù)和導航坐標參數(shù)等信息，該類信息在實際的應用中不要求很高的可靠性，因此可以考慮在這類的周期性消息傳輸中，利用這種改進的填充方法適當?shù)剡x取標識符，減少參與填充的位數(shù)，提高報文的傳輸效率。

對于標準格式的數(shù)據(jù)幀，若幀起始、仲裁域和控制域參與位填充，并考慮前幀的幀間空間，則單幀消息填充的位數(shù)最大約為4位，以車長任務終端北斗衛(wèi)星導航設備節(jié)點為例，該節(jié)點向車長任務終端實時反饋導航信息，以100個周期為研究時間域，通過模型仿真結合網(wǎng)絡編程可得優(yōu)化前與優(yōu)化后總線效率數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 總線效率對比表

根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)可得數(shù)據(jù)傳輸效率與有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)關系曲線，如圖6所示。從該曲線可以看出:經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)總線效率明顯高于單幀相同有效數(shù)據(jù)字節(jié)未優(yōu)化時的效率，而且隨著研究時間域的增長，這種趨勢將更加明顯，優(yōu)化的效果也更加顯著。采用合理選擇仲裁域，減少填充位的發(fā)生，可以有效提高總線傳輸效率，盡管這種選擇會喪失部分仲裁域的取值，但是剩余的仲裁域取值空間針對實際的消息傳輸?shù)亩x和安排，仍然可以有很大裕量地滿足應用要求。

圖6 傳輸效率對比曲線圖

5 結論

本文通過Petri網(wǎng)對總線協(xié)議機制建模，進行的相關性能分析和研究還比較簡單，還可從以下幾個方面進行進一步的探索和研究。

1)方案1中只是對系統(tǒng)內(nèi)周期性信息進行實驗和探討，對于系統(tǒng)內(nèi)非周期性信息也同樣適用?？紤]到非周期性信息數(shù)目相對較少，對一般模式下總線性能指標影響不大，所以未在方案1實驗中涉及。

2)方案2中當對系統(tǒng)內(nèi)大量信息進行優(yōu)化過程中，數(shù)據(jù)傳輸效率的優(yōu)化效果將體現(xiàn)更加明顯，已通過CANoe硬件測試進行驗證。本文只是針對該型步兵戰(zhàn)車內(nèi)信息流作一般情況下初步探討。

3)所采用Petri網(wǎng)建模的方式，相比較已有研究，具有較好的數(shù)學支撐，可以對實際未存在綜合電子系統(tǒng)進行仿真和分析研究，并對相關性能進行預測和評估。

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