FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)調(diào)度的研究

姚江云 孔 峰 吳方圓

(廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系，廣西 柳州 545006)

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車用電子設(shè)備在整車中所占的比重越來越大，電子設(shè)備的增加勢必使得車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加，并且對信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性提出了更高的要求。車載網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理的目的就是保障整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運行，其管理性能的好壞關(guān)系到整車的總體性能。

CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議大部分是基于德國的汽車電子類開放系統(tǒng)和對應(yīng)接口標準OSEK NM所設(shè)計的［1－2］。而 FlexRay作為新一代總線，在網(wǎng)絡(luò)管理這一方面還沒有標準規(guī)范［3］，文獻［3］將OSEK NM的管理規(guī)范引入到FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理中，并作了相關(guān)方面的初步研究。自動開放系統(tǒng)架構(gòu)(automotive open system architecture，AUTOSAR)目前受到國外汽車行業(yè)的熱烈關(guān)注，國內(nèi)在這方面的研究剛剛起步。本文研究基于此架構(gòu)的FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)管理，對網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的制定具有一定的意義。

1 FlexRay簡介

1.1 通信機制

FlexRay總線是依靠通信周期傳輸信息的，每個通信周期包括靜態(tài)段、動態(tài)段、符號標志窗口和空閑時間［4］。靜態(tài)段采用時分多址(time division multiple access，TDMA)的通信方式。TDMA將通信時間分為若干個相等的時槽，即靜態(tài)時槽，各個時槽在規(guī)定的時刻發(fā)送與自己ID對應(yīng)的幀，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。動態(tài)段采用靈活的時分多址(flexible time division multiple access，F(xiàn)TDMA)通信方式。FTDMA將通信時間分為若干個小時槽，即微時槽，不同數(shù)據(jù)幀在與自己ID對應(yīng)的微時槽內(nèi)開始發(fā)送，但整個動態(tài)時槽的時長是不確定的，它由所發(fā)送幀的長度確定。

1.2 FlexRay數(shù)據(jù)幀

FlexRay數(shù)據(jù)幀包括幀頭、負載段和幀尾［5］。幀頭占5 B，其中R為保留位，P(payment preamble indicator)為負載段指示位，N為空幀指示位，第一個S為同步幀指示位，第二個S為起始幀指示位。負載段指示位P在網(wǎng)絡(luò)管理中起著重要的作用。當P=1時，對于負載靜態(tài)段，表示開始部分有可選的網(wǎng)絡(luò)管理向量，而對于動態(tài)段，表示開始部分有信息ID;當P=0時，負載靜態(tài)段開始部分沒有網(wǎng)絡(luò)管理向量，動態(tài)段開始部分沒有信息ID。幀ID用于識別該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，負載段長度表示一幀中能傳輸?shù)淖謹?shù)，幀頭CRC用于校驗傳輸中的錯誤，周期計數(shù)器用來對通信周期進行計數(shù)。負載段占0～254 B，包括靜態(tài)段和動態(tài)段，主要用來傳輸數(shù)據(jù)。當該幀以靜態(tài)段傳輸時，可將負載部分的0～12 B設(shè)為網(wǎng)絡(luò)管理向量;當該幀以動態(tài)段傳輸時，可將0～1 B設(shè)為信息ID。幀尾為3 B的CRC，用來對幀頭、負載段的信息進行校驗。P=1時的FlexRay數(shù)據(jù)幀如圖1所示。

圖1 FlexRay數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of FlexRay data frame

2 網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的選擇

OSEK提供了直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理兩種機制［6－7］。由于間接網(wǎng)絡(luò)管理具有很大的局限性，它一般用于車身網(wǎng)絡(luò)的管理，基于OSEK Direct NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理已有初步研究。AUTOSAR NM規(guī)范是由AUTOSAR組織規(guī)定的。盡管OSEK NM與AUTOSAR NM最終網(wǎng)絡(luò)管理的目的是相同的，但在管理規(guī)范上卻有很大的不同，具體內(nèi)容如表1所示。由表1可知，AUTOSAR NM更適合用于時間觸發(fā)的FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)管理。

表1 OSEK NM與AUTOSAR NM規(guī)范對比Tab.1 Inter-comparison of specifications of OSEK NM and AUTOSAR NM

3 基于AUTOSAR NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理算法

AUTOSAR NM包括三種操作模式:休眠模式、同步模式和正常工作模式［8］。它采用分布式直接網(wǎng)絡(luò)管理機制，每個節(jié)點可獨立進行網(wǎng)絡(luò)管理行為，狀態(tài)轉(zhuǎn)換基于自身的網(wǎng)絡(luò)請求和接收到的網(wǎng)絡(luò)管理消息。節(jié)點接收到周期發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理消息，即表明發(fā)送節(jié)點試圖保持網(wǎng)絡(luò)喚醒狀態(tài);若節(jié)點準備進入休眠狀態(tài)，則停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息，但只要接收到其他節(jié)點發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理消息，就推后進入休眠模式;若節(jié)點在預(yù)定的時間內(nèi)接收不到網(wǎng)絡(luò)管理消息，就進入休眠狀態(tài)。只要有一個節(jié)點需要通信，則所有節(jié)點必須保持喚醒狀態(tài);若網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點需要總線通信，則發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息，將網(wǎng)絡(luò)從總線休眠狀態(tài)喚醒。

3.2 NMPDU 格式

AUTOSAR把網(wǎng)絡(luò)管理消息定義為網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(network management protocol data unit，NMPDU)，它主要包括 NM-Vote PDU 和 NM-Data PDU［9－10］，其格式如圖2所示。

圖2 NMPDU格式Fig.2 NMPDU format

FlexRay NM支持NM-Vote和NM-Data的單獨發(fā)送，也允許NM-Vote和NM-Data結(jié)合成完整的NMPDU進行發(fā)送，其靈活性設(shè)計主要是針對FlexRay總線協(xié)議制定的，為網(wǎng)絡(luò)管理信息的調(diào)度帶來很大便利。

圖2(a)中NA(not available)表示NA位不可用。當NM-Vote PDU與NM-Data PDU在靜態(tài)段一起發(fā)送時，此位留給NM-Data PDU中的Control Bit Vector用。Vote是一個模式轉(zhuǎn)換位，1表示保持喚醒狀態(tài)，0表示反對保持喚醒狀態(tài)(請求休眠)。圖2(b)中NA也表示NA位不可用，當NM-Data PDU與NM-Vote PDU在靜態(tài)段一起發(fā)送時，此位留給NM-Vote使用。R(reserve)保留位，為以后系統(tǒng)的擴展使用。RptMsgReq(repeat message request)為消息重發(fā)請求位，1表示請求重發(fā)，0表示不允許重發(fā)。完整的FlexRay NMPD應(yīng)該由控制域和數(shù)據(jù)域組成，即NM-Data PDU與NMVote PDU結(jié)合。

由以上分析可知，NM-Data PDU與NM-Vote PDU的結(jié)合實際上就是NM-Vote與NM-Data中控制位向量(control bit vector，CBV)相結(jié)合。結(jié)合后的完整NMPDU格式與NM-Data PDU格式相近，只是將Byte0的第七位NA換成Vote位。結(jié)合過程及結(jié)果如圖3所示。圖3是以加法形式表示的，“+”表示相加，“——”表示等于。圖中只給出了Byte0的結(jié)合，其他字節(jié)不變。

圖3 NM-Vote與CBV的結(jié)合示意圖Fig.3 Combination of NM-Vote and CBV

4 NMPDU的調(diào)度

4.1 調(diào)度方法的分類

FlexRay總線不支持事件觸發(fā)的不確定性報文，NMPDU必須通過周期性報文在確定的時間發(fā)送。在實際應(yīng)用中，不必在每個時槽中都添加網(wǎng)絡(luò)管理的內(nèi)容。因此，網(wǎng)絡(luò)管理周期設(shè)為FlexRay通信周期的整數(shù)倍，每個節(jié)點在一個網(wǎng)絡(luò)管理周期內(nèi)發(fā)送一次NM PDU。因為一個動時槽的ID可以分配給多個節(jié)點，所以不同節(jié)點的NMPDU可以通過設(shè)定相同的幀ID，不同的周期計數(shù)值在多個通信周期的相同動態(tài)時槽發(fā)送，提高了寬帶利用率。因此，不僅靜態(tài)段可以用來發(fā)送NMPDU，動態(tài)段也可以用來發(fā)送。由于NMPDU格式和發(fā)送機制的靈活性，可以組合出NMPDU的多種調(diào)度方法，主要有以下五種:①NM-Vote與NM-Data結(jié)合，在靜態(tài)段發(fā)送;②NM-Vote與CBV結(jié)合在靜態(tài)段發(fā)送，NM-Data在動態(tài)段發(fā)送;③NM-Vote與NM-Data結(jié)合，在動態(tài)段發(fā)送;④ NM-Vote與NM-Data分別在動態(tài)段發(fā)送;⑤NM-Vote在靜態(tài)段發(fā)送，NM-Data在動態(tài)段發(fā)送。

4.2 調(diào)度方法的應(yīng)用

在進行NMPDU的調(diào)度設(shè)計時，既要考慮對寬帶的有效利用，兼顧其硬件資源，又要盡量避免硬件資源的浪費而用軟件去代替。FlexRay協(xié)議規(guī)定了負載段可選變量由數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)自動讀寫服務(wù)，由FlexRay通信控制器實現(xiàn)該功能。如使用靜態(tài)幀的網(wǎng)絡(luò)管理向量發(fā)送NMPDU，節(jié)點可通過讀取網(wǎng)絡(luò)管理向量寄存器，快速識別多個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)請求，提高網(wǎng)絡(luò)管理信息的更新速率。

本研究采用NMPDU長度來確定每種調(diào)度方法的應(yīng)用。由于FlexRay協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)管理向量的長度為0～12 B，且要求同一集群內(nèi)所有節(jié)點配置為相同長度，因此，如果NMPDU的長度較短，可利用網(wǎng)絡(luò)管理向量同應(yīng)用報文合并在一起發(fā)送(調(diào)度方法①)，避免寬帶的浪費。如果NMPDU的長度較長但沒有超出網(wǎng)絡(luò)管理向量的范圍，應(yīng)采用將網(wǎng)絡(luò)管理向量與CBV的結(jié)合在靜態(tài)段與應(yīng)用報文一起發(fā)送，NM-Data在動態(tài)段發(fā)送(調(diào)度方法②)。如果NMPDU的長度超出網(wǎng)絡(luò)管理向量的范圍，可用專門的動態(tài)幀發(fā)送NMPDU(調(diào)度方法③)。為保證周期性傳輸，將幀ID設(shè)為最小值1。

由于NMPDU最終要通過FlexRay總線傳輸，所以NMPDU必須映射成FlexRay總線數(shù)據(jù)幀格式。這部分工作主要由數(shù)據(jù)鏈路層完成，最后經(jīng)發(fā)送器發(fā)出，圖4給出了兩個映射后的標準幀格式。

圖4 NMPDU映射后的格式Fig.4 The format of NMPDU mapped

4.3 動態(tài)調(diào)度策略的設(shè)計

車載網(wǎng)絡(luò)是一種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它所管理的節(jié)點無論從數(shù)量上還是狀態(tài)上都是實時變化的，本文提出一種NMPDU動態(tài)調(diào)度方法來進行動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理。NMPDU的長度是由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率決定的，當FlexRay總線上工作的節(jié)點較少時，網(wǎng)絡(luò)管理事件比較單一，NMPDU就比較短;當網(wǎng)絡(luò)中啟動的節(jié)點增多時，網(wǎng)絡(luò)管理事件就比較復(fù)雜，這時需要的NMPDU長度就會增加。如果整個過程中用定長的NMPDU，則須兼顧二者，就可能達不到良好的效果或至少造成資源的浪費。

本設(shè)計選擇網(wǎng)絡(luò)負載作為NMPDU長度的衡量指標，對NMPDU進行動態(tài)調(diào)度，因為從網(wǎng)絡(luò)負載的高低大致可以判斷網(wǎng)絡(luò)中工作節(jié)點的多少。首先選用網(wǎng)絡(luò)負載一級監(jiān)測函數(shù)(FrNm-Network Load1)，將網(wǎng)絡(luò)負載大致分為高、低兩個級別，并設(shè)置一個閾值加以區(qū)別。當網(wǎng)絡(luò)負載低于閾值時，F(xiàn)rNm-Network Load1為0，此時NMPDU較短，利用網(wǎng)絡(luò)管理向量同應(yīng)用報文合并在一起在靜態(tài)段發(fā)送;當網(wǎng)絡(luò)負載高于閾值時，F(xiàn)rNm-Network Load1為1，此時需要進行二級判別，選用網(wǎng)絡(luò)負載二級監(jiān)測函數(shù)(FrNm-Network Load2)。當FrNm-Network Load2=0時，NMPDU較長但沒有超出NM-Vector的范圍，將NM-Vote與CBV的結(jié)合在靜態(tài)段與應(yīng)用報文一起發(fā)送，NM-Data在動態(tài)段發(fā)送;當FrNm-Network Load2=1時，NMPDU應(yīng)配置為動態(tài)幀。具體調(diào)度算法流程如圖5所示。

圖5 NMPDU動態(tài)調(diào)度算法流程圖Fig.5 Flowchart of NMPDU dynamic scheduling algorithm

5 結(jié)束語

車載網(wǎng)絡(luò)管理不僅要具有基本網(wǎng)絡(luò)管理功能，還應(yīng)與其總線協(xié)議和通信方式相適應(yīng)，以降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度、減少資源占用率。就其基本規(guī)范而言，基于AUTOSAR NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理具有如下優(yōu)勢:①NMPDU通過周期性報文發(fā)送，不需要建立邏輯環(huán);②兼顧了FlexRay的兩種通信方式，靈活地使用了靜態(tài)段和動態(tài)段;③合理應(yīng)用了靜態(tài)幀的網(wǎng)絡(luò)管理向量的優(yōu)勢，避免了資源的浪費。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文所研究的基于AUSTOR NM動態(tài)調(diào)度策略來對NMPDU進行靈活調(diào)度，解決了由于網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)變化，而網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單一化而帶來的不足，為良好的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的進一步制定和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］蔣建春，張慧.基于OSEK標準任務(wù)調(diào)度算法的改進［J］.計算機工程，2009，35(20):228 －230.

［2］宋君花，王俊席，冒曉建，等.OSEK/VDX的混合動力汽車實時操作系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(6):21 －24.

［3］陳覺曉，袁昊昀，羅峰，等.基于OSEK NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)的定義［J］.機電一體化，2009(2):70－72.

［4］Duan J M，Zhu L，Yu Y C.Research on FlexRay communication of steering-by-wire system［C］∥Intelligent Vehicles Symposium，IEEE 2009:824－828.

［5］Ece G，Schmidt K.Message scheduling for the static segment of the FlexRay protocol［C］∥ Signal Processing，Communication and Application Conference，2008:1 －4.

［6］陰曉峰，劉武東.汽車電子系統(tǒng)軟件開發(fā)新標準AUTOSAR［J］.西華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，29(2):102－106.

［7］Long R S，Li H，Peng W.An approach to optimize Intra-ECU communication based on mapping of AUTOSAR runnable entities［C］//International Conferences on Embedded Software and Systems，2009:138－143.

［8］鮑威.基于AUTOSAR標準的ECU配置工具［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.

［9］AUTOSAR.Specification of FlexRay network management V3.1.0 R3.0 Rev7［EB/OL］.［2010 －09 －20］.http://www.autosar.org.

［10］AUTOSAR.Specification of FlexRay NM interface V3.1.0 R3.0 Rev7［EB/OL］.［2010 －09 －20］.http:∥www.autosar.de/down-load/R3.0/AUTOSAR.SWS.FlexrayNM.pdf.