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、電控傳動系統、防抱死制動系統(ABS)、防滑控制系統(ASR)、巡航系統、空調控制系統等，用CAN總線將各個單元節點連接起來，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，系統中一部分信息幀的收發就會產生延時，甚至根本不能收發成功。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技術的時間觸發調度方式

TTCAN由時間進程驅動，其時間觸發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送的參考報文產生，它的總線最多可以配置8個具有優先級的時間主機節點，以確保總線的連續、確定性通信，優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，總線的調度從主節點發送參考報文開始，當計數器值與節點設定值相符時，則發送周期報文。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、基于動態優先級調度算法的事件觸發調度方式

仲裁窗發送事件觸發報文，如果采用傳統的靜態優先級分配機制，將會在網絡負擔繁重的情況下出現發送傳輸時延或者丟失報文。而動態優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，與傳統協議幀標識符的意義完全相同;優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，當協議幀第一次發送、且當它在發送時和其他協議幀碰撞并失去仲裁時，即退出發送，并置優先級上升一位后，再重新發送。因為這時其優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先級的協議幀同時發送，即使和其他的協議幀(處于第一次發送的)碰撞，也會贏得仲裁，所以發送成功的概率很大。

實現動態優先級晉升的算法很簡單，其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 動態優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(ABS)、電子助力轉向系統(EPS)以及車身控制系統(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點，上位PC機節點采用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)軟件進行了CAN網絡的設計和開發。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、電子助力轉向系統及車身控制系統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);車身控制系統中的LIN總線收發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集成開發環境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的開發效率和試驗的方便性，縮短了試驗周期。

系統所需軟件模塊主要由系統初始化模塊、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一調度，分配運行時間，進行數據和信號的交換。