基于最小裕度優(yōu)先的車身CAN動態(tài)調(diào)度設(shè)計

管長焦

（煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順 113122）

隨著汽車車身分布式實時CAN（Controller Area Network）系統(tǒng)中要交換的數(shù)據(jù)逐步增加，現(xiàn)有的帶寬資源越顯有限，因此，需要研究新的調(diào)度策略。動態(tài)實時調(diào)度策略如最小時間裕度優(yōu)先（LSF）有較高的資源利用率，應(yīng)該動態(tài)調(diào)度時車身網(wǎng)絡(luò)的信息會有較好的時間特性[1-3]。

在CAN總線中實施LSF動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度需解決各節(jié)點之間對信息剩余傳輸時間的同步計算問題，以及解決如何用有限的標(biāo)識符來表達(dá)剩余時間的問題。

本文對上述問題進(jìn)行了深入研究，以信息可以等待的時間即信息的時間裕度為參數(shù)，將之量化來實現(xiàn)CAN幀標(biāo)識符對時間裕度的編碼，利用信息同時競爭總線時的仲裁來同步信息的剩余時間，利用CAN總線事件觸發(fā)機制，實現(xiàn)了LSF調(diào)度。

1 CAN 及LSF 調(diào)度算法

1.1 LSF 中CAN 信息的優(yōu)先級

CAN 協(xié)議信息的擴展格式如圖1所示。

記信息m 的優(yōu)先級為Pm，各個信號的優(yōu)先級組成：控制優(yōu)先級Pm-C、裕度優(yōu)先級Pm-S和DM（截止期單調(diào)）優(yōu)先級Pm-DM共同決定，如圖2所示。

圖1 CAN 擴展幀格式

圖2 LSF 調(diào)度中優(yōu)先級規(guī)劃

CAN 總線采用“線與”機制，信息標(biāo)識符越小則優(yōu)先級越高。LSF 調(diào)度旨在隨著仲裁更新時間裕度：

1）取ΙD.0 位為控制優(yōu)先級位Pm-C，取接下來的WS位為裕度優(yōu)先級；將WDM位規(guī)劃為DM優(yōu)先級域，DM優(yōu)先級按信息截止期分配信息的優(yōu)先級，主要用于區(qū)分信息的屬性，用于接收濾波。仲裁域結(jié)構(gòu)規(guī)劃見圖3所示。

圖3 LSF 調(diào)度中CAN 幀仲裁域結(jié)構(gòu)

2）確定時間裕度量化機制。每仲裁一次，裕度優(yōu)先級將減1，則其大小應(yīng)滿足P[4]

其中，q為量化幀，tCm為信息的最壞傳輸時間，fbaud為系統(tǒng)傳輸速度，dm為數(shù)據(jù)域的大小。

3）確定各優(yōu)先級的位數(shù)WS和WDM：

其中，Q為系統(tǒng)中信息的個數(shù)。

4）初始化優(yōu)先級域：

根據(jù)信息的優(yōu)先級位數(shù)確定其初始化狀態(tài)，即：

其中，tDm為信息m的相對截止期，即當(dāng)前時刻到信息截止期之間的時間，tJm為軟件的抖動時間。

1.2 基于事件觸發(fā)的LSF 動態(tài)調(diào)度算法

LSF 算法思想在于為每個信號引入隨總線仲裁動態(tài)更新其裕度優(yōu)先級概念，每次信息競爭總線失掉仲裁，裕度優(yōu)先級會動態(tài)提升，本文定義每次提升步長為1，基于事件觸發(fā)的LSF 算法步驟如圖4所示。

圖4 LSF 算法分析流程圖

1.3 LSF 調(diào)度算法的可調(diào)度性分析

當(dāng)所有信息同時競爭總線時，是信息在總線上傳輸?shù)淖顗臈l件，信息m在最壞傳輸條件下的傳輸時間稱為最糟糕響應(yīng)時間tRm。信息m的傳輸時間特性滿足式（6）、（7），則該信息可調(diào)度[4]：

其中，U為總線利用率，Ti為信息周期，tWm為信息m等待發(fā)送的時間，TDm為信息m的截止期，τbit為位傳輸時間。

2 實例分析

2.1 汽車車身電子系統(tǒng)

典型的汽車車身電子系統(tǒng)共包括有33 個隨機性信號，如表1所示[5]，分屬于電動窗、車外燈、車內(nèi)燈、手剎、指示器、雨刮器等單元。每個信號2 個字節(jié)。汽車車身信息的截止期要求不大于100ms。車身CAN網(wǎng)絡(luò)速率一般為10～125kb/s。

表1 車身CAN 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒓?

2.2 調(diào)度算法在車身電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

記車身信息為 a1～a33，設(shè) a1～a5、a8～a22、a31～a33 由t=0 開始周期發(fā)送，周期分別為100ms、200ms、300ms；a6～a7、a23～a30 在t=70ms 時開始發(fā)送，周期為 200ms。考慮現(xiàn)場因素取軟件抖動tJm= 1 ms ，總線傳輸速度取為125kb/s。

分別采用DM 和本文的LSF 方案對汽車以上信息循環(huán)600ms 中共111 個信息進(jìn)行調(diào)度。

DM截止期單調(diào)算法按信息的截止期分配信息的優(yōu)先級P，截止期越小的任務(wù)獲得的優(yōu)先級越高。基于LSF 算法的汽車車身信息調(diào)度設(shè)計，則q= 0.76ms ，WDM= 6，WS= 22，信息時間裕度初始值為TDm-tCm-tJm= 98.24ms ，需要WS為8 位。

2.3 汽車車身系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能分析

通過調(diào)節(jié)總線傳輸?shù)牟ㄌ芈誓M總線利用率的變化，編程分別對DM、LSF 算法進(jìn)行仿真，得到兩種算法調(diào)度下的車身CAN 總線網(wǎng)絡(luò)性能分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 車身信息集DM 與LSF 調(diào)度結(jié)果

由仿真知，DM 調(diào)度下在總線利用率達(dá)到63%時，有信息錯過了其有效時間限制，即該信息丟失死限，此類信息均為低優(yōu)先級信息。同樣條件下LSF調(diào)度好于DM，總線利用率比DM 明顯改善。

3 結(jié)論

本文提出了LSF 調(diào)度策略，充分利用了CAN協(xié)議的非破壞性仲裁機制來實現(xiàn)同步。對車身控制信息調(diào)度結(jié)果表明，LSF 算法可達(dá)到較高的總線利用率，有效的提高了低優(yōu)先級信息的實時性。

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[3] PEDREΙRAS P,ALMEΙDA L.EDF message scheduling on controller area network[J].Computing ＆ Control Engineering Journal.2002,13(4):163-170.

[4] TΙNDELL K,BURNS A,WELLΙNGS A J.Calculating controller area network (can) message response times[J].Control Engineering Practice.1995,3(8):1163-1169.

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