一種“動靜結合”的CAN總線調度算法在汽車電子控制網絡中的研究與應用
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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。
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