一種“動靜結合”的CAN總線調度算法在汽車電子控制

CAN總線最初是由德國BOSCH公司于20世紀80年代初提出的，當時主要應用于汽車電氣通信，它將汽車上各種信號的接線只用兩根簡潔的電纜線取代，而各種電子裝置通過CAN控制器掛到這兩根電纜上，設備之間進行數據通信和數據共享，從而大大減少了汽車上的線束。CAN總線結構獨特，性能可靠，目前被公認為是最有前途的現場控制總線之一。

1、基于CAN總線的汽車電子控制網絡中潛在問題

從信息共享角度分析，現代典型的汽車電子控制單元有：電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、巡航系統(tǒng)、空調控制系統(tǒng)等，用CAN總線將各個單元節(jié)點連接起來，組成實時通信網絡。

汽車CAN總線網絡在實際運行過程中，眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數據交換，不可避免會出現總線負荷過大的情況。當信息幀的碰撞概率達到一定程度時，系統(tǒng)中一部分信息幀的收發(fā)就會產生延時，甚至根本不能收發(fā)成功。這樣，當駕駛員剎車時，即使時延只有幾個毫秒，但時速100公里的汽車也可能在這期間內全速駛出3～4米，后果將不堪設想。

為了解決上述問題，本文提出了一種結合TTCAN(Time Triggered Controller Area Network)技術和動態(tài)晉升機制[4]各自所長的“動靜結合”的調度算法。該算法有效解決了數據的發(fā)送時延和沖突問題，改善了CAN總線數據傳輸的實時性。

2、基于TTCAN技術的時間觸發(fā)調度方式

TTCAN由時間進程驅動，其時間觸發(fā)調度由順序固定的時間窗組成。時間窗是用于交換報文的時間片斷，通常有三類時間窗：專用時間窗(特定的周期性報文)、仲裁時間窗(通過仲裁訪問總線的報文)和空閑時間窗(為總線擴展所保留)，如圖1所示。專用時間窗類似于TDMA(時分多路訪問)，屬于離線進行的靜態(tài)調度，所有流程和時間參數均需要預先指定，并可以在多級或多個TTCAN網絡內實現同步。TTCAN的全局時間由時間主機周期發(fā)送的參考報文產生，它的總線最多可以配置8個具有優(yōu)先級的時間主機節(jié)點，以確?？偩€的連續(xù)、確定性通信，優(yōu)先級最高的時間主機為當前時間主機。

圖1 TTCAN的基本周期和時間窗

在節(jié)點編程時，可以利用處理器的定時器中斷周期作為NTU(Network Time Unit)，其值定義為在CAN總線上以1Mbps的速率傳輸1幀8字節(jié)數據幀所需時間的八分之一，約為16.75μs。對周期中斷次數進行計數，總線的調度從主節(jié)點發(fā)送參考報文開始，當計數器值與節(jié)點設定值相符時，則發(fā)送周期報文。傳輸數據幀時的時間窗利用率可以定義為：時間窗利用率=(傳輸數據幀所需的NTU數/時間窗長度)×100%。在實際測試中可以發(fā)現，當時間窗小、調度周期數大時，誤碼率較大;當時間窗增大即時間窗利用率較低時，誤碼率基本維持在很低的水平。

3、基于動態(tài)優(yōu)先級調度算法的事件觸發(fā)調度方式

仲裁窗發(fā)送事件觸發(fā)報文，如果采用傳統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)先級分配機制，將會在網絡負擔繁重的情況下出現發(fā)送傳輸時延或者丟失報文。而動態(tài)優(yōu)先級調度算法則能很好地解決這一問題。以下是該算法的基本原理。

首先，將CAN的仲裁域(以擴展幀格式為例)分成優(yōu)先級和標識兩部分，如圖2所示。標識部分是固定用來標識協議幀的，這也是協議幀的惟一標識，與傳統(tǒng)協議幀標識符的意義完全相同;優(yōu)先級部分已經不再具有協議幀的標識功能，而只是表示協議幀的優(yōu)先級功能，所以它可以根據總線調度機制分配給協議幀的優(yōu)先級的變化而變化。

圖2 CAN擴展幀格式的仲裁域的劃分

其次，當協議幀第一次發(fā)送、且當它在發(fā)送時和其他協議幀碰撞并失去仲裁時，即退出發(fā)送，并置優(yōu)先級上升一位后，再重新發(fā)送。因為這時其優(yōu)先級高于其他協議幀，在整個網絡中如果沒有其他與之具有相同優(yōu)先級的協議幀同時發(fā)送，即使和其他的協議幀(處于第一次發(fā)送的)碰撞，也會贏得仲裁，所以發(fā)送成功的概率很大。

實現動態(tài)優(yōu)先級晉升的算法很簡單，其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)優(yōu)先級調度算法的程序流程圖

4、調度算法在汽車電子控制網絡中的應用

作者設計了防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子助力轉向系統(tǒng)(EPS)以及車身控制系統(tǒng)(兼做低速CAN總線與高速CAN總線之間的網橋)作為CAN總線汽車電子控制網絡節(jié)點，上位PC機節(jié)點采用IXXAT公司的CANlink模塊(CAN-RS232轉換器)與總線相連，并使用該公司的CAN BUS Tester(CAN總線測試儀)模塊以及CanAnalyser(CAN總線分析開發(fā))軟件進行了CAN網絡的設計和開發(fā)。采用本文介紹的調度算法，應用層部分采用的是目前流行的J1939協議。

4.1 汽車電子控制網絡硬件設計

防死抱系統(tǒng)、電子助力轉向系統(tǒng)及車身控制系統(tǒng)的處理器均選用了飛思卡爾公司的MC9S12DP256芯片，該芯片是一款低成本、高性能的16位HCS12系列微處理器，內置有msCAN控制器，非常適合作為汽車電子控制單元的核心部件; CAN總線收發(fā)器選用的是MC33989(高速總線)芯片和MC33388芯片(低速總線);車身控制系統(tǒng)中的LIN總線收發(fā)器和電機驅動選用的都是MC33399芯片;車燈及其他負載的驅動選用的是MC33888芯片。網絡整體框圖如圖4所示。

圖4 汽車電子控制網絡的整體框圖

4.2 汽車電子控制網絡軟件設計

利用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)，通過背景調試方式BDM(Background Debug Mode)，下載控制程序和修改相關參數，在不干擾目標程序運行的情況下，實時監(jiān)測各寄存器和存儲器，實現了控制程序的板上在線調試，從而提高了集成系統(tǒng)的開發(fā)效率和試驗的方便性，縮短了試驗周期。

系統(tǒng)所需軟件模塊主要由系統(tǒng)初始化模塊、啟動自檢模塊、主控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、參考車速計算模塊、控制決策和執(zhí)行機構動作模塊、故障診斷模塊、總線通信模塊等幾大部分組成。各模塊由主控制模塊按任務管理機制實時進行統(tǒng)一調度，分配運行時間，進行數據和信號的交換。