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1can總線調(diào)度策略

在汽車和儀表等工業(yè)領域，為保證信息的實時性，CAN網(wǎng)絡的負載率通常限制在30％以下．但在飛行器控制系統(tǒng)中，其控制周期短和數(shù)據(jù)交換量大的特點而導致網(wǎng)絡負載率很高，往往高于50％，為了保證系統(tǒng)在高負載情況下的實時性，而采用高效率的任務調(diào)度策略．CAN總線調(diào)度策略通過合理規(guī)劃總線網(wǎng)絡中各種數(shù)據(jù)傳輸任務占用總線資源的先后順序，在滿足控制系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)傳輸實時性的前提下來提高網(wǎng)絡資源的利用率．根據(jù)任務調(diào)度優(yōu)先級的設置規(guī)則可將CAN總線調(diào)度策略分為靜態(tài)調(diào)度、動態(tài)調(diào)度和混合調(diào)度策略．靜態(tài)調(diào)度策略是一種固定優(yōu)先級的調(diào)度方法，即在控制系統(tǒng)工作前已經(jīng)為所有數(shù)據(jù)傳輸任務分配優(yōu)先級．運用靜態(tài)調(diào)度策略的前提是已知系統(tǒng)所有任務的時間特性，并根據(jù)時間特性來確定每個任務的傳輸優(yōu)先級．常用的靜態(tài)調(diào)度策略有RM調(diào)度策略和DM調(diào)度策略［5］．動態(tài)調(diào)度策略是在系統(tǒng)運行時對數(shù)據(jù)傳輸任務進行動態(tài)分配優(yōu)先級的調(diào)度方法，因此可以靈活適應系統(tǒng)變化，提高了網(wǎng)絡利用率．常用的動態(tài)調(diào)度策略有EDF調(diào)度算法［6］．混合調(diào)度策略是在綜合靜態(tài)調(diào)度對系統(tǒng)的可預測性和動態(tài)調(diào)度的靈活性基礎上，而提出的一種折中調(diào)度方法．

2多功能雙CAN網(wǎng)絡任務調(diào)度策略在飛行器控制系統(tǒng)中的應用

2．1飛行器控制系統(tǒng)

CAN網(wǎng)絡布局基于CAN總線的飛行器控制系統(tǒng)內(nèi)部組成如圖1所示．所有分系統(tǒng)通過2個CAN接口組成雙網(wǎng)絡結構．當總線空閑時，任一節(jié)點可以占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點根據(jù)報文濾波機制選擇性接收．在飛行器工作階段，機載計算機通過慣性導航單元（IMU）和GPS模塊獲取機體運動及姿態(tài)信息，完成坐標轉(zhuǎn)換，并根據(jù)目前飛行器在絕對坐標下的姿態(tài)與理論值之間的差異，通過CAN總線向副翼、俯仰舵和偏航舵的舵機發(fā)出舵偏指令，利用改變舵面偏轉(zhuǎn)角度而形成的空氣動力進一步控制飛行器姿態(tài)．在滿足導引頭開機條件下，機載計算機通過CAN總線向?qū)б^發(fā)出開機指令，導引頭開始對目標進行搜索、識別及跟蹤［7］．系統(tǒng)中數(shù)據(jù)記錄儀1和2分別用于記錄2個CAN網(wǎng)絡中的關鍵報文信息，以便于飛行實驗后期的數(shù)據(jù)分析．網(wǎng)絡管理節(jié)點負責監(jiān)測網(wǎng)絡的運行情況，當發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡故障時，完成相應故障報警及故障處理等工作．

2．2雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略

隨著飛行器內(nèi)各子系統(tǒng)需要共享的數(shù)據(jù)越來越多和系統(tǒng)控制周期越來越快，CAN總線的網(wǎng)絡負載率越來越高，單CAN網(wǎng)絡已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，而且飛行器控制系統(tǒng)工作環(huán)境特殊，從可靠性角度考慮需要采取冗余設計方案，但是由于其工作時間短，主網(wǎng)絡癱瘓的概率比較小，備份網(wǎng)絡往往利用不上而浪費了系統(tǒng)資源．針對這些情況，本文提出一種基于雙CAN網(wǎng)絡的任務調(diào)度方案，該方案不但可以對通信網(wǎng)絡進行備份，提高可靠性，而且可以通過合理利用備份總線的網(wǎng)絡資源，有效降低主網(wǎng)絡的總線負載率，同時通過采取合適的調(diào)度策略，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性．為保證系統(tǒng)的實時性，其中指令網(wǎng)負責傳輸控制類指令報文如機載計算機發(fā)送的舵機偏轉(zhuǎn)指令，這類指令信息對實時性要求比較嚴格，如果不能在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送出去則可能造成系統(tǒng)工作異常甚至癱瘓的后果，同時為保證指令網(wǎng)上傳輸報文的可靠性，傳輸波特率不能太高而采用500kB／s；數(shù)據(jù)網(wǎng)負責傳輸實時性要求不高的數(shù)據(jù)幀如分系統(tǒng)狀態(tài)幀，這類數(shù)據(jù)幀對實時性要求不高，即使出現(xiàn)較長時間延時也不影響系統(tǒng)正常工作，傳輸波特率采用1MB／s．網(wǎng)絡管理節(jié)點是實現(xiàn)該調(diào)度策略的關鍵，其通過監(jiān)測指令網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整報文幀的傳輸路徑，完成系統(tǒng)的故障檢測和故障恢復．由于指令網(wǎng)中傳輸?shù)氖菍崟r性關鍵信息，其發(fā)送成功與否直接影響到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此網(wǎng)絡管理節(jié)點要動態(tài)監(jiān)控這類報文．如果發(fā)現(xiàn)多次發(fā)送失敗要進行傳輸通道更換后重發(fā)，而備份網(wǎng)中傳輸?shù)氖欠菍崟r性信息，即使傳輸失敗也不會影響系統(tǒng)正常工作，因此，為了不影響主網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和提高管理節(jié)點的監(jiān)控管理能力，對此類非關鍵信息不進行監(jiān)控和處理．對于主網(wǎng)絡上的非周期實時性報文，由于該類報文的產(chǎn)生時刻不可預測，網(wǎng)絡管理節(jié)點無法判斷報文是否發(fā)送成功，因此在實際飛行器工作過程中采取雙網(wǎng)同時發(fā)送方式，即此類報文在主網(wǎng)絡和備份網(wǎng)絡中先后發(fā)送出去，當目的節(jié)點成功接收后不再響應另一個網(wǎng)絡中發(fā)送的相同報文．

對于主網(wǎng)絡中傳輸?shù)闹芷趯崟r性報文，網(wǎng)絡管理節(jié)點采取固定周期監(jiān)控方式，這個固定周期通常選取系統(tǒng)控制周期的整數(shù)倍。主網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障的原因主要有發(fā)送節(jié)點內(nèi)部的程序故障、發(fā)送節(jié)點的硬件故障和主網(wǎng)絡故障3類，針對不同的故障需采取不同的處理機制：（1）對于發(fā)送節(jié)點內(nèi)部的程序故障，網(wǎng)絡管理節(jié)點通過主網(wǎng)絡向該節(jié)點發(fā)送分系統(tǒng)復位指令幀，節(jié)點接收到復位指令幀后執(zhí)行軟件復位操作．（2）對于發(fā)送節(jié)點的主網(wǎng)絡通道的硬件故障，網(wǎng)絡管理節(jié)點通過備份網(wǎng)向故障節(jié)點發(fā)送一個網(wǎng)絡切換指令幀，并同時發(fā)送一個網(wǎng)絡帶寬優(yōu)化廣播指令幀．首先，故障節(jié)點接收到通道切換指令幀后，將其在主網(wǎng)絡中傳輸?shù)乃袌笪膸儞Q到備份網(wǎng)絡中傳輸．然后，當備份網(wǎng)上所有節(jié)點收到優(yōu)化帶寬廣播指令幀后，所有節(jié)點將其在備份網(wǎng)中傳輸?shù)牟糠址菍崟r性周期信號（如分系統(tǒng)狀態(tài)信息）的發(fā)送周期擴大1倍，以降低備份網(wǎng)的總線負載率，保證從主網(wǎng)絡轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)中傳輸報文幀的實時性．（3）當判斷為主網(wǎng)絡故障時，其產(chǎn)生原因多為硬件故障或外界干擾導致的主網(wǎng)絡癱瘓．這種情況也可理解成第2種故障的特殊形式，即主網(wǎng)絡上的6個節(jié)點均出現(xiàn)通信通道故障，解決措施與第2種措施相同，將主網(wǎng)絡中所有報文轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)中傳輸，并同時將原來備份網(wǎng)絡中傳輸?shù)牟糠址菍崟r性周期報文的發(fā)送周期擴大6倍．考慮到系統(tǒng)最壞情況即主網(wǎng)絡癱瘓時，所有數(shù)據(jù)均在備份網(wǎng)中傳輸．雖然采取了一定的優(yōu)化措施，但此時數(shù)據(jù)網(wǎng)的總線負載率仍然急劇增加．為不影響系統(tǒng)的正常運行，采用了高效率的任務調(diào)度算法，在確?？刂葡到y(tǒng)正常工作的同時，提高了關鍵報文的實時性和非實時性報文的公平性．其中非實時性報文幀的標志符采用EDF＋固定優(yōu)先級的混合編碼方式，其EDF動態(tài)區(qū)采取對數(shù)分區(qū)法，具體標志符分配方案如表1所示，對實時性報文幀的標志符采取固定優(yōu)先級的編碼方式。

3仿真實驗

通過搭建半物理仿真平臺，建立飛行器空間運動模型并實現(xiàn)位置、姿態(tài)等環(huán)境的仿真，進而模擬飛行器的實際飛行參數(shù)，構造各分系統(tǒng)盡量逼真的工作環(huán)境，完成對基于雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略的飛行器控制系統(tǒng)實時性和可靠性的實驗驗證工作．實驗平臺的組成如圖3所示．其中：仿真機用于完成飛行器理論彈道的仿真，通過獲取飛行器上副翼和前舵舵機的實際舵偏角信息并結合理論彈道數(shù)據(jù)，實時向轉(zhuǎn)臺輸出姿態(tài)角和姿態(tài)角速度等信息來控制三軸仿真轉(zhuǎn)臺模擬飛行器實際的飛行環(huán)境；三軸仿真轉(zhuǎn)臺通過接收仿真機指令，按照理論彈道設計所產(chǎn)生的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，為機載計算機提供姿態(tài)運動基準；舵機力矩加載器用于模擬舵機實際工作中的鉸鏈力矩；CANoe用于實現(xiàn)對總線網(wǎng)絡的全面分析，如負載率和報文幀時間信息等；CANstress是一款專業(yè)的CAN總線干擾儀，具有靈活的干擾觸發(fā)方式，可以實現(xiàn)對CAN總線的數(shù)字干擾和模擬干擾．半物理仿真實驗是以上述的軟硬件系統(tǒng)為平臺，主要完成以下幾個方面的測試：（1）基于單CAN網(wǎng)絡的飛行器控制系統(tǒng)測試．在未采取任何策略情況下，測試基于單CAN網(wǎng)絡的飛行器控制系統(tǒng)中傳輸報文幀的平均延時和網(wǎng)絡參數(shù)，總線波特率為1MB／s．（2）采用雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略并在主網(wǎng)絡正常工作時，分別測試主網(wǎng)絡和備份網(wǎng)絡中報文幀的平均延時和網(wǎng)絡參數(shù)，其中指令網(wǎng)總線波特率為500kB／s，數(shù)據(jù)網(wǎng)為1MB／s．（3）采用雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略并通過CANstress對主網(wǎng)絡進行錯誤幀干擾，直到主網(wǎng)絡癱瘓，然后測試飛行器控制系統(tǒng)備份網(wǎng)絡運行情況．表4為3項試驗過程中飛行器控制系統(tǒng)內(nèi)所傳輸?shù)膱笪膸?，?為CANoe中記錄的網(wǎng)絡運行參數(shù)，表6為報文幀平均延時和最大延時的統(tǒng)計信息．

4結論

實驗結果表明：采用雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略后，飛行器通信網(wǎng)絡的總線負載率從61％下降到指令網(wǎng)為8％和數(shù)據(jù)網(wǎng)為54％，大幅度降低了飛行器控制類報文幀的平均延時和最大延時，保證了此類關鍵報文的實時性，并在一定程度上降低了非實時性報文幀的傳輸延時，提高了系統(tǒng)整體的實時性．而且當指令網(wǎng)因干擾而通信癱瘓時，所有實時性報文都能夠轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳輸，并由于采用了網(wǎng)絡帶寬優(yōu)化措施，此時數(shù)據(jù)網(wǎng)的總線負載率也僅為31％，整個控制系統(tǒng)在正常且穩(wěn)定運行的同時，保證了控制類報文幀的實時性，提高了系統(tǒng)的可靠性．因此，采用雙CAN網(wǎng)絡混合調(diào)度策略不僅可以提高飛行器控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，而且當主網(wǎng)絡癱瘓后，雖然備份網(wǎng)中非實時性周期報文的發(fā)送周期變大，但卻保證了與控制飛行器飛行相關指令幀的實時性，飛行器仍然可以正常運行，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性．

作者：張宏巍張文娟賈宏光單位：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所東北師范大學應用電子研究所