基于FTT?CAN的電動汽車動態(tài)調度算法研究

劉應吉+王書舉

摘 要： 針對在控制器局域網（CAN）總線中存在低優(yōu)先級信息會因為高優(yōu)先級信息頻繁占用總線而出現(xiàn)的死鎖問題，在車輛控制系統(tǒng)中引入柔性時間觸發(fā)機制組建柔性事件觸發(fā)控制器局域網（FTT?CAN），針對周期信息和隨機信息，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）調度和動態(tài)提升優(yōu)先級（DPP）調度，介紹了FTT?CAN觸發(fā)原理，提出基于EDF和DPP的動態(tài)調度算法，將該調度算法應用于典型電動汽車控制系統(tǒng)模型的調度，驗證了該調度算法的優(yōu)越性。

關鍵詞： 控制器局域網； 柔性時間觸發(fā)控制器局域網； 動態(tài)調度； 可度性分析

中圖分類號： TN915.04?34；TP336 文獻標識碼： A 文章編號： 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，在車輛實時控制系統(tǒng)中已經得到廣泛應用。CAN協(xié)議基于事件觸發(fā)（Event?triggered，ET）機制，該機制具有較大的信息傳輸延時抖動，通信不具有確定性[1?3]控制系統(tǒng)需要通過CAN總線傳輸?shù)拇蟛糠挚刂菩畔⒂兄鴮崟r性和安全性需求，要求信息在規(guī)定時間內完成傳輸，傳統(tǒng)的CAN有時不能很好地滿足系統(tǒng)對時間約束的要求[4]，因此，有研究在標準CAN協(xié)議基礎上擴展了支持時間觸發(fā)機制（Time?triggered，TT）[5?6]，基于時間觸發(fā)機制的CAN高級協(xié)議能夠保證周期信息傳輸?shù)亩秳拥玫接行Э刂芠7?9]。柔性時間觸發(fā)CAN（Flexible Time?triggered CAN，F(xiàn)TT?CAN）[10]作為CAN的擴展協(xié)議兼顧了事件觸發(fā)的靈活性和時間觸發(fā)機制的確定性。

本文針對FTT?CAN的特點，提出一種動態(tài)調度算法，可以有效地提高總線的利用率及信息的實時性。

1 柔性時間觸發(fā)CAN原理

FTT?CAN采用同步相和異步相雙相結構來控制時間觸發(fā)和事件觸發(fā)信息的傳輸，它將時間、事件觸發(fā)通信有效地結合起來。FTT?CAN協(xié)議將總線時間細分成等長的連續(xù)時間單元，即基本周期EC（Elementary Cycles），每個EC開始時，由主節(jié)點發(fā)送一個EC觸發(fā)消息TM（Trigger Message）給所有從節(jié)點，該消息同時包含了該EC內獲準發(fā)送的時間觸發(fā)信息的標識?；局芷谟蓵r間意義上的主節(jié)點發(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，即隨機信息，它可以在任意時刻產生發(fā)送請求，同步相則用于傳輸時間觸發(fā)消息，即周期性信息，其發(fā)送過程與各個EC同步。FTT?CAN基本周期結構如圖1所示，圖中AM和SM分別表示隨機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)屬性的信息能夠嚴格在各自相內進行傳輸。

FTT?CAN對時間觸發(fā)信息的調度集中在主節(jié)點內，在主節(jié)點內保存了一個信息調度表，用于實現(xiàn)對周期性信息的集中式在線調度。圖2給出了觸發(fā)消息對周期信息的控制方式，由圖2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)據段中的每一位都對應于一個周期信息，對應的信息可在由該觸發(fā)信息開始的EC內獲準發(fā)送，否則該信息不能在該EC內發(fā)送。通過對主節(jié)點內信息調度表的在線規(guī)劃，動態(tài)地改變每個特定EC內的觸發(fā)信息，就可以實現(xiàn)周期性信息的調度管理。系統(tǒng)中除主節(jié)點外各節(jié)點僅保留與自身有關的生產/消費表，各個節(jié)點解碼接收到觸發(fā)信息數(shù)據并查詢本節(jié)點的生產/消費表，若查到該基本周期內有本節(jié)點所發(fā)送的信息，則同步相到來后立即申請信息發(fā)送。

2 基于FTT?CAN的動態(tài)調度算法endprint

由于FTT?CAN協(xié)議同步相調度只需在主節(jié)點中更新調度表[11]，可實現(xiàn)對動態(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）動態(tài)調度提供了可能。FTT?CAN協(xié)議異步相中沿用傳統(tǒng)CAN的事件觸發(fā)機制，可以采用動態(tài)優(yōu)先級提升（Dynamic Priority Promotion，DPP）調度，隨著信息仲裁失敗上調該信息優(yōu)先級，進而減少低優(yōu)先級消息的平均響應時間，使帶寬配置更均勻。

2.1 基于EDF的同步相動態(tài)調度

EDF調度可獲得較高的帶寬利用率[12]，因此廣泛應用于實時控制系統(tǒng)中，但由于EDF需要實時同步計算各個節(jié)點信息的截止期，對各節(jié)點硬件的計算能力要求較高，而FTT?CAN對于周期信息的處理過程都集中在主節(jié)點內，EDF對于節(jié)點的計算要求局限于主節(jié)點，另外，主節(jié)點可以通過實時更新本地的調度表即可完成同步在線調度，其余節(jié)點只需要具有能解碼EC觸發(fā)信息的能力即可。因此，本文對于周期信號的動態(tài)調度采用EDF調度算法，對于任一周期信息[m，]EDF具體算法過程如圖3所示。

其中，[TDm]為信息[m]的截止期限；[TBC]為一個基本周期的時長；[NS]為周期信息的個數(shù)。

2.2 基于DPP的異步相動態(tài)調度

DPP算法能夠給予網絡中各個信息公平的帶寬，能保證網絡信息的傳輸有時間上限，因此，DPP算法可以有效地避免網絡中低優(yōu)先級信息總也不能得到網絡使用權的情況發(fā)生[13]。DPP算法將信息的標識符分成兩個優(yōu)先級域：動態(tài)優(yōu)先級域和固定優(yōu)先級域。對于隨機信息n，以Pn?dynamic表示動態(tài)優(yōu)先級，以Pn?DM表示固定優(yōu)先級，以s表示優(yōu)先級提升步數(shù)，DPP算法實施步驟如圖4所示。

3 網絡性能分析

為了評價不同調度策略對網絡性能的影響，本文采用一套SAE（Society of Automotive Engineers）電動汽車網絡模型為研究對象，該模型包含電池、車輛控制器、馬達控制器、控制面板、駕駛員輸入、剎車及傳輸控制7個子系統(tǒng)節(jié)點[8]，各系統(tǒng)節(jié)點之間需要處理44個信號，將其中31個隨機信號記為[A1～A31，]記11個隨機信號為[S1～S11，]周期信號的截止期為其周期， 隨機信號的截止期依應用環(huán)境而定，參見文獻[8]。將事件觸發(fā)的隨機信號歸集記為[A，]周期信號歸集為[S，]將第[n]個基本周期中傳輸?shù)男盘栕鳛閇S]的子集歸集為[S（n）]。設置網絡傳輸速度為250 Kb/s，基本周期TBC為 5 ms，忽略網絡抖動。

分別采用本文基于FTT?CAN的調度策略和文獻[8]中的DM調度策略，對比網絡利用率、周期信息響應時間及隨機信息可調度性等三方面的網絡性能。

3.1 周期信息的響應分析

由表1可見，F(xiàn)TT?CAN網絡中，由于隨機信息被約束在異步相內傳輸，采用DM算法的話，隨機信息的比例因子較小，表明應對更高時間要求能力較差，但是，通過引入DPP動態(tài)調度指環(huán)，整體的調度性明顯得到了提高。

4 結 語

在車輛控制CAN網絡中，信息傳輸?shù)拇_定性和靈活性越來越重要，本文基于CAN高級協(xié)議，針對不同的信息特點引入對應的動態(tài)調度算法，提出一種兼顧確定性和靈活性的調度機制，以SAE電動汽車模型為應用對象，通過與傳統(tǒng)CAN網絡調度相對比，驗證了本文所提機制可以實現(xiàn)更好的網絡傳輸性能。

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