汽車FlexRay總線動態(tài)段時長及消息窗口優(yōu)化

王 濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

隨著現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的電控節(jié)點加入了車身控制系統(tǒng)。尤其是線控系統(tǒng)（x-by-wire）的加入，使得基于事件觸發(fā)的控制器局域網(wǎng)CAN已經(jīng)不能滿足進一步的網(wǎng)絡(luò)需求［1］。為了滿足高實時性和高可靠性的要求，BMW、Daimler-Chrysler、Bosch等公司聯(lián)合提出了具有高帶寬、高速率、高容錯能力的 FlexRay通信協(xié)議［2］。

FlexRay是基于時分多路的高實時性的總線協(xié)議，所以目前對FlexRay的時間性能的研究較多?，F(xiàn)有研究對整個通信周期進行優(yōu)化，分別對靜態(tài)段和動態(tài)段給出算法［3］［4］；對靜態(tài)段單獨進行研究，給出調(diào)度方法，提高靜態(tài)段的網(wǎng)絡(luò)利用率，但沒有考慮動態(tài)段［5］；還有對 FlexRay 時鐘同步算法進行研究［6］。

本文提出一種動態(tài)段時長優(yōu)化配置方法，以及相關(guān)動態(tài)消息調(diào)度算法。在保證動態(tài)段時長設(shè)計合理且消息可調(diào)度的情況下，提出優(yōu)化算法對動態(tài)消息進行調(diào)度，減少消息延時，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，并通過仿真實驗驗證該方法的正確性和可行性。

1 FlexRay媒體訪問控制

在FlexRay協(xié)議中，媒體訪問控制是以一個重復(fù)的通信周期為基礎(chǔ)的。在一個通信周期內(nèi)支持兩種媒體訪問方案的選擇：靜態(tài)的時分多址（TDMA）方案和基于最小時間片的動態(tài)方案。

FlexRay通信周期層分為：靜態(tài)部分、動態(tài)部分、符號窗口以及網(wǎng)絡(luò)空閑時間四個部分。靜態(tài)部分采用TDMA方式通信。靜態(tài)段由若干個靜態(tài)時間片組成，每個時間片的長度都相等。動態(tài)部分則是以基于最小時間片的方式發(fā)送。動態(tài)段由若干個最小時間片組成，最小時間片的長度都相等，如圖1所示。

FlexRay通信周期中主要由靜態(tài)段和動態(tài)段傳輸消息。靜態(tài)段一般用于傳輸確定性的周期性消息，而動態(tài)段則用于傳輸非周期性消息。在通信周期中，對于靜態(tài)消息，每個節(jié)點通過其獨特的幀標(biāo)識符發(fā)送消息，系統(tǒng)只允許幀標(biāo)識符（FID，F(xiàn)rame ID）與當(dāng)前的時間片計數(shù)器值相等的那個節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證總線上不會發(fā)生消息沖突，幀標(biāo)識符與節(jié)點是一一對應(yīng)的，也就是每個幀ID只能分配給一個節(jié)點。雖然動態(tài)消息也是通過其獨特的幀標(biāo)識符發(fā)送消息，但是由于動態(tài)時間片長度的不確定性，不能根據(jù)FID來確定消息發(fā)送的實際時間，因此，需要對動態(tài)消息進行優(yōu)化調(diào)度，減少時間不確定性所產(chǎn)生的影響。

2 動態(tài)段網(wǎng)絡(luò)利用率計算及時間分析

2.1 FlexRay動態(tài)段參數(shù)配置

表1定義了FlexRay通信周期的關(guān)鍵參數(shù)［7］。

表1 通信周期的部分參數(shù)

為了確定以上的動態(tài)段參數(shù)，需要知道以下的數(shù)值：

1） 傳輸延時（tTx）；

2）平均總線利用率（BU）。

傳輸延時tTx是指從消息數(shù)據(jù)被放入發(fā)送節(jié)點的FlexRay硬件緩存區(qū)的時刻到消息在接收節(jié)點的緩存區(qū)完成接收時刻之間的持續(xù)時間。BU指的是傳輸?shù)南⒃诳偩€所占時間的百分比。

2.2 動態(tài)段長度計算

FlexRay的動態(tài)段由一定數(shù)目的最小時間片組成，最小時間片的個數(shù)由參數(shù)gNummberOfMinislots確定，長度則由gdMinislot確定。

FlexRay 總線配置參數(shù)（Lcomm，LST，NMS，LMS）作為輸入。其中Lcomm表示FlexRay通信周期的長度，LST表示靜態(tài)段長度，NMS表示動態(tài)段最小時間片的個數(shù)，LMS表示每一個最小時間片的長度。動態(tài)段的長度為：

整個通信集群中保持靜態(tài)段長度LST不變，優(yōu)化動態(tài)段時長，而此時通信周期的長度Lcomm也將發(fā)生變化。

2.3 動態(tài)段網(wǎng)絡(luò)利用率的計算

2.3.1時間片計算

FlexRay幀由5個字節(jié)的幀頭，0～254個字節(jié)的負載段及3個字節(jié)的CRC校驗組成。FlexRay動態(tài)消息幀在物理層傳輸時還需使用更多的空間，其包括傳輸起始序列（3～15 位）、幀起始序列（1 位）、字節(jié)起始序列（2位）、幀結(jié)束序列（2位）、通訊空閑分隔符（11位）、觸發(fā)點偏移量和動態(tài)尾部序列DTS。動態(tài)尾部序列時間值是變化的，其值可以是2 gdBit和gdMinislot+2 gdBit之間的任意值，由動態(tài)消息的長度確定。

FlexRay通信周期的時間單位為Macrotick（MT），因此可得動態(tài)消息為k個字的時間片長度Tj為：

其中，TAPO是指最小時間片觸發(fā)點偏移量（gdMinislotActionPointOffset），位于動態(tài)消息幀傳輸之前；gdBit為每一位的時間間隔。

2.3.2動態(tài)段平均總線利用率的計算

BU指的是傳輸?shù)南⒃诳偩€所占時間的百分比。假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)中動態(tài)消息的總數(shù)為n，則動態(tài)段平均總線利用率BU計算公式為：

通過上述計算公式，可得到動態(tài)段網(wǎng)絡(luò)利用率與 Tj、LDYN之間的關(guān)系。

2.4 動態(tài)段時間分析

FlexRay動態(tài)幀（DYN）傳輸有固定的優(yōu)先級，并且沒有搶占：傳輸是根據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好的幀的ID（優(yōu)先順序）順序發(fā)送的。如果一個消息幀已經(jīng)就緒（時間片已過）但是同時另一個具有低優(yōu)先級的消息幀正在傳輸，它不能搶占低優(yōu)先級幀的時間片并且只能等到下一個周期傳輸。

因此，首先需要知道動態(tài)消息最壞情況下的響應(yīng)時間，即傳輸延時tTx是：

在公式（4）中，m表示任意的DYN消息；cm（t）為消息傳輸時間，即 cm（t）=消息長度/總線速率；傳輸延時是當(dāng)前周期所能產(chǎn)生的最長延時，由于消息在發(fā)送時隙過后才準(zhǔn)備好而在應(yīng)該發(fā)送的周期中產(chǎn)生的延遲，如圖2所示，主機分配消息B在第一周期的第二個時間片發(fā)送，但消息B在第二個時間片剛過時產(chǎn)生，所以消息B需要在下個周期開始前等待一段為 σm（t）的時間。 延時 cm（t）為在給定的時間間隔t中，由于發(fā)送更靜態(tài)消息和高優(yōu)先級的消息而產(chǎn)生的最壞延時［8］。

3 時長設(shè)計及消息調(diào)度算法

3.1 系統(tǒng)建模

FlexRay通信系統(tǒng)包含F(xiàn)lexRay總線、m個節(jié)點。并且每個節(jié)點都由主機CPU、通信控制器（CC）和控制器主機接口（CHI）組成，如圖 3 所示［9］。

為了建立FlexRay動態(tài)段的時長設(shè)計和動態(tài)消息調(diào)度算法模型，需要做如下假設(shè)：1）所有消息都是非周期性消息，且相互獨立；2）所有的消息都是固定長度的，且長度、優(yōu)先級等參數(shù)都已知；3）忽略由通訊驅(qū)動器產(chǎn)生的延遲和抖動。

3.2 動態(tài)段長度優(yōu)化

在一個通信集群（cluster）中，動態(tài)段的長度是一定的。如表2所示，假設(shè)所有的動態(tài)消息均為非周期性消息，消息的長度已知。當(dāng)消息產(chǎn)生后，節(jié)點會根據(jù)本節(jié)點分配的幀ID給每個消息分配幀ID及優(yōu)先級，然后消息進入緩存區(qū)等待發(fā)送。在消息長度已知的情況下，動態(tài)段的長度、幀ID以及優(yōu)先級的分配決定著動態(tài)段消息的響應(yīng)時間以及動態(tài)段的網(wǎng)絡(luò)利用率。

如果認為所有消息的固定長度為S，那么一個較短的總線周期意味著將有較少的消息在本周期發(fā)送；必然需要多個這樣的總線周期來傳輸總長度為S的動態(tài)消息。較長的總線周期意味著更多的消息可以在同一個周期中傳輸。但是，過長的動態(tài)段長度也意味著優(yōu)先級低的消息在當(dāng)前周期中發(fā)送時有可能超過消息的最壞響應(yīng)時間。所以周期長度也不是越長越好。

表2 動態(tài)消息參數(shù)值

假設(shè)動態(tài)消息集群中所有動態(tài)消息長度已知，根據(jù)系統(tǒng)配置在動態(tài)消息的長度篩選出n條最長的消息作為動態(tài)段的時長，放大動態(tài)段的長度。如表2所示消息集群，除消息m6之外，任意兩個消息之和均大于動態(tài)段長度之和12，所以每個周期動態(tài)段只能傳輸一個消息，而且?guī)琁D靠后的消息的響應(yīng)時間變長，整個周期需要較多的周期個數(shù)。

3.3 消息分配算法

對動態(tài)段長度進行優(yōu)化以后，需要對動態(tài)消息進行分配調(diào)度。定義以下消息分配規(guī)則：1）每個動態(tài)消息都有唯一的幀ID；2）消息長度較長的消息分配較小的幀ID。

根據(jù)算法規(guī)則和要求，建立以下優(yōu)化模型：本算法以動態(tài)段最小網(wǎng)絡(luò)帶寬為目標(biāo)，即達到最大網(wǎng)絡(luò)利用Umax，其公式為：

其中，動態(tài)段網(wǎng)絡(luò)利用率的計算方法根據(jù)公式（3），計算過程中需要考慮消息所有傳輸動態(tài)段消息的動態(tài)段的平均網(wǎng)絡(luò)利用率。并且考慮最大網(wǎng)絡(luò)利用率的同時，根據(jù)前面規(guī)定的優(yōu)先級分配原則，考慮消息的響應(yīng)時間要達到最佳。根據(jù)公式（4）計算所有動態(tài)消息的最小響應(yīng)時間：

分配算法以上述的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合公式（5）和公式（6），依據(jù)分配的規(guī)則不斷的計算比較以獲得動態(tài)段網(wǎng)絡(luò)利用率的最大值。

系統(tǒng)的消息分配規(guī)則必須保證每個動態(tài)消息在消息截止期結(jié)束前傳輸完。在網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，重復(fù)執(zhí)行算法分配過程，在獲得最大網(wǎng)絡(luò)利用率Umax的同時，保證總體響應(yīng)時間τmin最小。

4 仿真實驗分析

為了驗證提出的動態(tài)段時長優(yōu)化配置方法和動態(tài)消息調(diào)度算法，需對一組實際的數(shù)據(jù)進行應(yīng)用測試，具體參數(shù)已在表2中給出。其中消息長度為n個minislot的長度。采用CANoe和DaVinci Network Designer平臺基礎(chǔ)，虛擬節(jié)點與真實節(jié)點相結(jié)合共同搭建實驗系統(tǒng)，對FlexRay的通信進行測試，并對算法進行驗證。

為了對動態(tài)段消息分配方法性能評估，設(shè)計帶有3個節(jié)點的總線型拓撲的FlexRay網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有2個事件觸發(fā)的非周期性消息。采用動態(tài)段的網(wǎng)絡(luò)利用率BU來衡量動態(tài)段配置算法的優(yōu)化作用。

在表2所示的動態(tài)消息的長度和通信周期的長度中，除去消息m1和m6或m4和m6的組合外，每個動態(tài)段只能傳輸一個消息。根據(jù)提出的動態(tài)段設(shè)計方法，重新配置動態(tài)段長度為17。之后按照動態(tài)消息分配規(guī)則分配幀ID，并計算總體響應(yīng)時間，得到消息的最優(yōu)調(diào)度方案，如表3所示。

表3 動態(tài)消息最優(yōu)調(diào)度方案

優(yōu)化后的消息發(fā)送情況如圖4所示，動態(tài)段的長度在優(yōu)化后重新配置為17個minislot的長度，使得通信周期在一個動態(tài)段中能夠傳輸更多的消息。該分配方法把3個節(jié)點的消息在3個周期能完成傳輸，并保證了最小的響應(yīng)時間。并且系統(tǒng)的周期數(shù)也由原來的5個減少為3個周期。

對于不同的總線速率，使用該動態(tài)段設(shè)計和動態(tài)消息分配算法所得到的網(wǎng)絡(luò)利用率的結(jié)果，如表4所示。對同一組動態(tài)消息，在不同的總線速率下，該優(yōu)化方法都能夠有效的提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

表4 網(wǎng)絡(luò)利用率對照表

5 結(jié)束語

本文在FlexRay媒體訪問控制的基礎(chǔ)上，針對FlexRay動態(tài)消息在動態(tài)段傳輸?shù)奶攸c，研究了消息響應(yīng)時間和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)利用率的計算方法，提出了動態(tài)段時長優(yōu)化配置方法及動態(tài)消息調(diào)度算法和流程，并基于仿真系統(tǒng)進行是驗證。驗證結(jié)果表明，該方法能有效的提高網(wǎng)絡(luò)利用率，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬。

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