采用混合调度策略的矿车CAN网络设计

杨华松 易 克

（1.煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁 抚顺 113122；2.浙江佳洲电器有限公司，浙江 温州 325605）

CAN总线有着价格低廉、运行可靠等优点，已经逐渐应用于矿车等实时通信系统[1]。矿车控制系统属于分布式实时系统，系统中包含周期的与随机的实时信息，这些信息多数与安全关系紧密，有较高的实时性要求，因此需要在设计中进行合适的调度管理。对于实时性系统，有时间触发和事件触发[2]，两种触发机制，时间触发机制可以保证系统信息的通信抖动可控，而事件触发机制一般用来满足系统的灵活性需求。

CAN协议总线本身采用事件触发机制，柔性时间触发CAN（FTT-CAN）将时间触发机制引入CAN总线[3]，在提供时间触发机制的同时具有很好的灵活性，本文基于 FTT-CAN提出了一种混和调度算法，以获得较高的网络利用率。

1 Flexible time-triggered CAN

FTT-CAN在CAN协议的基础上，采用同步相和异步相双相结构，同时支持时间、事件触发机制。FTT-CAN协议将总线时间细分成等长的连续时间单元，即基本周期 EC（Elementary Cycles），每个EC开始时，由主节点发送一个 EC触发消息 TM（Trigger Message）给所有从节点。基本周期由主节点发送触发信息TM启动，到下一次触发信息出现截止。FTT-CAN的异步相用于传输事件触发信息，即随机信息，同步相则用于传输时间触发的周期性信息，其发送过程与各个 EC同步。FTT-CAN基本周期结构如图1所示，图中AM和SM分别表示随机性信息和周期性信息。两相之间保留空闲时间段α，使得不同触发属性的信息能够严格在各自相内进行传输。

FTT-CAN对时间触发信息的调度集中在主节点内，在主节点内保存了一个信息调度表SchT，用于实现对周期性信息的集中式在线调度。图2给出了触发消息对周期信息的控制方式，由图可以看到，通过触发消息字段，就可以控制周期性信息的发送与否。触发信息数据段中的每一位都对应于一个周期信息，将该数据位置位，则对应的信息可在由该触发信息开始的 EC内获准发送，否则该信息不能在该 EC内发送。通过对主节点内信息调度表的在线规划，动态地改变每个特定 EC内的触发信息，就可以实现周期性信息的调度管理。

图2 FTT-CAN调度原理图

2 基于FTT-CAN的混合调度策略

CAN在应用中，存在低优先级信息死锁等情况[4]，为了保证网络性能通常使用的网络利用率较低[5]，本文针对上述情况，基于FTT-CAN提出了混合调度策略，将EDF算法引入FTT-CAN同步相调度中调度周期信息，EDF使时间最紧迫的信息获得总线资源，可获得较高的网络利用率；采用 DPP[4]算法调度异步相的随机信息，DPP算法可以为随机信息提供公平的带宽，有确定的传输时间界限，能够有效的防止低优先级信息的死锁[4]。

FTT-CAN的周期性信息的调度集中在主节点内，这为EDF算法的实施提供了条件，记周期性信息个数为NS，FTT-CAN下的EDF调度流程如图3所示。

对于DPP调度，将信息m的优先级分为两部分：动态优先级Pm-d和静态优先级Pm-DM，记s为优先级提升的步长，DPP算法的流程如图4所示。

图3 EDF调度原理图

图4 DPP调度原理图

3 系统性能分析

采用文献[6]中的矿车信息模型为研究对象，模型中共有 44个信息，其中 31个随机信息记为A1～A31，优先级递增，11个周期信息记为S1～S11。记随机信息集为 A，周期信息集为 S，将在特定的基本周期 EC(n)传输的周期信息集记为 S(n)，将基本周期取为周期信息的最大公约数 5ms，取网络传输速率为250Kbit/s。

分别采用文献[6]中的基于CAN的DM算法和本文基于FTT-CAN的混合调度策略调度这些信息，分析对系统性能的影响。

1）信息最坏响应时间分析

最坏响应时间 TRi表征信息从产生到抵达目的节点所用的最长时间，由3部分组成：

式中，Tbit为位传输时间，TBi为信息被正在传输的低优先级信息所阻碍的时间，TWi为等待高优先级信息传输的时间，TCi为信息i的传输时间。

对于基于CAN的DM算法，TBi和TWi分别为

式中，hp(i)为比信息 i优先级高的信息集合，lp(i)为比信息i优先级低的信息集合。

对于FTT-CAN，应用EDF算法时，由于信息i不被低优先级信息阻碍，其TBi=0，TWi为

采用DM和EDF时，周期信息的最坏响应时间如图5所示。

图5 周期信息最坏响应时间

由图5可见，采用基于FTT-CAN的EDF调度时，低优先级信息的最坏响应时间明显减少，信息的实时性得到明显改善。

2）系统可调度性分析

为了评价系统的可调度性能，引入评价因子β，

式中，tDi为信息的截止期，tD′i为信息i仍可调度时所能承受的最小时间限制。

取随机信息模型运行工况为：A 12—A 31在t=0时刻产生，A1—A11在A20完成传输时产生，可得采用不同的策略时系统的可调度性见表1。

表1 不同调度策略时的系统性能

由表1可见，采用了FTT-CAN的控制系统的冗余度有明显提高，在保证信息可调度的同时，能有效保证控制系统的确定性。

4 结论

本文基于FTT-CAN提出了混合调度策略，提高了CAN总线应用中的系统带宽利用率，解决了信息的死锁问题。

[1] MOHAMMAD A L, JORG K, WEIJIA J. Scheduling hard and soft real-time communication in a controller area network[J]. Control Engineering Practice, 7:1515-1523, 1999.

[2] KOPETZ H. A comparison of CAN and TTP[J].Annual Reviews in Control, 2000, 24: 177-188.

[3] LUIS A, PAULO P, JOSE A G. The FTT-CAN protocol:Why and How[C]. IEEE Transactions on industrial electronics, 2002, 49: 1189-1201.

[4] CENA G, VALENZANO A. An improved CAN fi eldbus for industrial applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997(44): 553-564.

[5] LEEN G, HEFFERNAN D. TTCAN: a new timetriggered controller area network. Microprocessors and Microsystems, 2002, 26: 77-94.

[6] TINDELL K, BURNS A, WELLINGS A J. Calculating controller area network (CAN) message response times[J]. Control Eng. Practice, 1995, 3: 1163-1169.