基于CAN一卡通系統(tǒng)總線調(diào)度策略建模與仿真

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月13日

    摘要：基于控制器局域網(wǎng)(CAN)的測控系統(tǒng)需要采用恰當(dāng)?shù)目偩€調(diào)度策略以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，其建模與仿真能對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)一卡通系統(tǒng)線性混合總線調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)OPNET設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的CAN CSMA／CA模型。應(yīng)用該模型對(duì)所設(shè)計(jì)的總線調(diào)度算法的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析和比較。結(jié)果表明，該算法能夠有效地滿足一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。
    關(guān)鍵詞：一卡通系統(tǒng)；CAN；總線調(diào)度；建模與仿真；OPNET

    控制器局域網(wǎng)(CAN，control area network)是基于事件觸發(fā)機(jī)制的多主系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求采用恰當(dāng)?shù)目偩€調(diào)度策略以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求[10]。

    在CAN總線調(diào)度策略的建模與仿真研究方面，Tindell和Wellings將固定優(yōu)先級(jí)排隊(duì)理論拓展到CAN上，建立了CAN數(shù)學(xué)模型[3]，并逐步改善了CAN響應(yīng)時(shí)間模型[4、5]。目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究集中于模型的理論分析，且多基于CSMA協(xié)議，未能反映CAN CSMA／CA總線調(diào)度策略本質(zhì)。筆者運(yùn)用OPNET設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的CSMA／CA模型，該模型能夠有效支持CAN總線調(diào)度策略仿真分析和比較。在此基礎(chǔ)上，對(duì)一卡通系統(tǒng)線性混合總線調(diào)度算法進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明該算法能夠很好地滿足一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

    1基于CAN的一卡通系統(tǒng)

    1．1 CAN總線調(diào)度策略

    CAN總線的介質(zhì)訪問控制方式為帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA／CA)。在非破壞性總線逐位仲裁規(guī)則下，幀ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高。因此，總線調(diào)度策略的實(shí)現(xiàn)依賴于幀ID的設(shè)計(jì)。

    1．2 CAN幀ID設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用擴(kuò)展幀，ID長度為29位。各域分配如圖1所示。

    D28一D24為優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)(PD，priority dynamic)域。PD域占5位，根據(jù)CAN協(xié)議高速標(biāo)準(zhǔn)IS011898，一條CAN總線最多掛接30個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此至少需要30個(gè)優(yōu)先級(jí)。

圖1 CAN幀ID

    D23～D16為POS機(jī)號(hào)域，系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址號(hào)，使用8位二進(jìn)制數(shù)表示，最多容納256個(gè)終端POS機(jī)。優(yōu)先級(jí)最高的地址(全0)作為廣播地址，其他地址依次分配給各POS機(jī)。機(jī)號(hào)可以在POS機(jī)上設(shè)定，初始值為0，是系統(tǒng)中的唯一編號(hào)。

    D15～Dl為幀號(hào)域。一條應(yīng)用層命令必須拆分成多個(gè)幀進(jìn)行傳輸，第一幀的幀號(hào)為命令流水號(hào)，其后幀的幀號(hào)是前一幀的幀號(hào)加1。

    幀號(hào)域占15位，在聯(lián)機(jī)情況下，POS機(jī)在發(fā)送一幀后，會(huì)在其后的1024個(gè)幀間隔內(nèi)得到數(shù)據(jù)中心響應(yīng)。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議，一條應(yīng)用層命令最多被拆分成23幀，為了避免屬于不同命令的兩個(gè)幀的幀號(hào)相同，規(guī)定每一命令流水號(hào)是前一命令流水號(hào)加32。

    D0為第1幀信息域，標(biāo)識(shí)該幀是否為第l幀。若為第1幀，幀數(shù)據(jù)段第1字節(jié)為應(yīng)用層命令字。D0為1表示第l幀；為0表示不是第l幀。

    1．3混合總線調(diào)度算法

    在1．2節(jié)描述的幀ID中，對(duì)于每一個(gè)幀，D23～DO是固定不變的，D28～D24根據(jù)幀已等待發(fā)送時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的混合總線調(diào)度算法。

    根據(jù)實(shí)時(shí)性要求的不同，系統(tǒng)中不同POS機(jī)分配不同的初始發(fā)送優(yōu)先級(jí)PRI_INITi，i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)。為不失一般性，設(shè)PD域占用的位數(shù)為n，則必須滿足PRI_INITi≤2n-1.分配PRI_INITi時(shí)，考慮POS機(jī)所屬的不同類型。系統(tǒng)由充值機(jī)和消費(fèi)機(jī)構(gòu)成，充值機(jī)實(shí)時(shí)性要求高于消費(fèi)機(jī)，其PRI_INITi取較小值。

    節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送幀時(shí)，把數(shù)值PRI_INITi復(fù)制到PD域，此時(shí)總線的狀態(tài)存在下面3種情況：

    ①若此時(shí)只有該節(jié)點(diǎn)偵聽到總線空閑，則成功發(fā)送；
    ②若此時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)偵聽到總線空閑，根據(jù)仲裁規(guī)則，仲裁獲勝的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送，仲裁失利的節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的發(fā)送優(yōu)先級(jí)，將欲發(fā)送的幀置入其發(fā)送等待隊(duì)列，同時(shí)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)；
    ③若此時(shí)該節(jié)點(diǎn)偵聽到總線忙，則直接將欲發(fā)送的幀置人發(fā)送等待隊(duì)列，同時(shí)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。
情況②中節(jié)點(diǎn)在仲裁失利后，采用下述策略調(diào)整發(fā)送優(yōu)先級(jí)。i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；M為在成功發(fā)送一幀過程中節(jié)點(diǎn)參與總線競爭總次數(shù)；m為次數(shù)編號(hào)；J為所發(fā)送幀類型對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)比。幀類型與優(yōu)先級(jí)調(diào)節(jié)比的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    表1 幀類型與優(yōu)先級(jí)調(diào)節(jié)比對(duì)應(yīng)表

    式(3)為一種抽象表達(dá)式，可選擇如下具體函數(shù)形式

    式(4)為線性混合總線調(diào)度算法，式(5)為常量混合總線調(diào)度算法。為比較混合調(diào)度策略與靜態(tài)調(diào)度策略，式(6)為靜態(tài)總線調(diào)度算法。

    2 CAN網(wǎng)絡(luò)建模

    2．1 CAN子網(wǎng)模型

    CAN子網(wǎng)有2個(gè)充值機(jī)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為1和2；28個(gè)消費(fèi)機(jī)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)從3到30；各節(jié)點(diǎn)編號(hào)用i表示，其初始發(fā)送優(yōu)先級(jí)為i-1。為了統(tǒng)計(jì)總線流量和吞吐率，增加一個(gè)統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)，它只接收不發(fā)送幀。CAN子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

    基于總線調(diào)度策略，圖2中充值機(jī)節(jié)點(diǎn)和消費(fèi)機(jī)節(jié)點(diǎn)模型只考慮發(fā)送部分，如圖3所示。

圖3 CAN子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型

    圖3中，gen為節(jié)點(diǎn)信源模塊，根據(jù)擴(kuò)展幀格式，幀最長128 b。因此packet size設(shè)置成constant(128)。

    2．2處理機(jī)模型

    在CSMA基礎(chǔ)上，引入總線調(diào)度策略，設(shè)計(jì)如圖4所示的改進(jìn)的CSMA／CA處理機(jī)模型。