采用混合調(diào)度策略的礦車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

楊華松 易 克

（1.煤炭科學(xué)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(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸應(yīng)用于礦車等實(shí)時通信系統(tǒng)[1]。礦車控制系統(tǒng)屬于分布式實(shí)時系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含周期的與隨機(jī)的實(shí)時信息，這些信息多數(shù)與安全關(guān)系緊密，有較高的實(shí)時性要求，因此需要在設(shè)計中進(jìn)行合適的調(diào)度管理。對于實(shí)時性系統(tǒng)，有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)[2]，兩種觸發(fā)機(jī)制，時間觸發(fā)機(jī)制可以保證系統(tǒng)信息的通信抖動可控，而事件觸發(fā)機(jī)制一般用來滿足系統(tǒng)的靈活性需求。

CAN協(xié)議總線本身采用事件觸發(fā)機(jī)制，柔性時間觸發(fā)CAN（FTT-CAN）將時間觸發(fā)機(jī)制引入CAN總線[3]，在提供時間觸發(fā)機(jī)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(diào)度算法，以獲得較高的網(wǎng)絡(luò)利用率。

1 Flexible time-triggered CAN

FTT-CAN在CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用同步相和異步相雙相結(jié)構(gòu)，同時支持時間、事件觸發(fā)機(jī)制。FTT-CAN協(xié)議將總線時間細(xì)分成等長的連續(xù)時間單元，即基本周期 EC（Elementary Cycles），每個EC開始時，由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個 EC觸發(fā)消息 TM（Trigger Message）給所有從節(jié)點(diǎn)。基本周期由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送觸發(fā)信息TM啟動，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，同步相則用于傳輸時間觸發(fā)的周期性信息，其發(fā)送過程與各個 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對時間觸發(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)保存了一個信息調(diào)度表SchT，用于實(shí)現(xiàn)對周期性信息的集中式在線調(diào)度。圖2給出了觸發(fā)消息對周期信息的控制方式，由圖可以看到，通過觸發(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)段中的每一位都對應(yīng)于一個周期信息，將該數(shù)據(jù)位置位，則對應(yīng)的信息可在由該觸發(fā)信息開始的 EC內(nèi)獲準(zhǔn)發(fā)送，否則該信息不能在該 EC內(nèi)發(fā)送。通過對主節(jié)點(diǎn)內(nèi)信息調(diào)度表的在線規(guī)劃，動態(tài)地改變每個特定 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。

圖2 FTT-CAN調(diào)度原理圖

2 基于FTT-CAN的混合調(diào)度策略

CAN在應(yīng)用中，存在低優(yōu)先級信息死鎖等情況[4]，為了保證網(wǎng)絡(luò)性能通常使用的網(wǎng)絡(luò)利用率較低[5]，本文針對上述情況，基于FTT-CAN提出了混合調(diào)度策略，將EDF算法引入FTT-CAN同步相調(diào)度中調(diào)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(wǎng)絡(luò)利用率；采用 DPP[4]算法調(diào)度異步相的隨機(jī)信息，DPP算法可以為隨機(jī)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(yōu)先級信息的死鎖[4]。

FTT-CAN的周期性信息的調(diào)度集中在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)，這為EDF算法的實(shí)施提供了條件，記周期性信息個數(shù)為NS，F(xiàn)TT-CAN下的EDF調(diào)度流程如圖3所示。

對于DPP調(diào)度，將信息m的優(yōu)先級分為兩部分：動態(tài)優(yōu)先級Pm-d和靜態(tài)優(yōu)先級Pm-DM，記s為優(yōu)先級提升的步長，DPP算法的流程如圖4所示。

圖3 EDF調(diào)度原理圖

圖4 DPP調(diào)度原理圖

3 系統(tǒng)性能分析

采用文獻(xiàn)[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(jī)信息記為A1～A31，優(yōu)先級遞增，11個周期信息記為S1～S11。記隨機(jī)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?shù)闹芷谛畔⒓洖?S(n)，將基本周期取為周期信息的最大公約數(shù) 5ms，取網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為250Kbit/s。

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

1）信息最壞響應(yīng)時間分析

最壞響應(yīng)時間 TRi表征信息從產(chǎn)生到抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)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?shù)牡蛢?yōu)先級信息所阻礙的時間，TWi為等待高優(yōu)先級信息傳輸?shù)臅r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(yōu)先級高的信息集合，lp(i)為比信息i優(yōu)先級低的信息集合。

對于FTT-CAN，應(yīng)用EDF算法時，由于信息i不被低優(yōu)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(yīng)時間如圖5所示。

圖5 周期信息最壞響應(yīng)時間

由圖5可見，采用基于FTT-CAN的EDF調(diào)度時，低優(yōu)先級信息的最壞響應(yīng)時間明顯減少，信息的實(shí)時性得到明顯改善。

2）系統(tǒng)可調(diào)度性分析

為了評價系統(tǒng)的可調(diào)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(diào)度時所能承受的最小時間限制。

取隨機(jī)信息模型運(yùn)行工況為：A 12—A 31在t=0時刻產(chǎn)生，A1—A11在A20完成傳輸時產(chǎn)生，可得采用不同的策略時系統(tǒng)的可調(diào)度性見表1。

表1 不同調(diào)度策略時的系統(tǒng)性能

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

4 結(jié)論

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

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