（通信与信息系统专业论文）基于s12的can总线静态调度平台研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 c a n 总线是一种非抢占式优先级仲裁传输的串行数据总线 c a n 总线以其 结构简单 性能高效 传输稳定等特点广泛应用于汽车电子 医疗器械 机械 制造等众多领域 随着现代工业设计的不断提升 对于c a n 总线上数据的实时 性要求也不断提高 c a n 总线的非破坏性仲裁模式势必要影响总线消息的实际 传输时间 因此对c a n 总线消息进行时序分析是必不可少的 c a n 总线消息的 可调度性将影响整个系统的实时性和稳定性 因此对c a n 总线消息的可调度性 进行分析也是势在必行的 文章概述性介绍了c a n 总线的发展现状及c a n 总线调度的研究现状 由 于c a n 总线是一种事件触发的现场总线 文章根据c a n 总线协议的特点详细 介绍了c a n 总线的静态调度方式 根据课题来源的要求 本文提出了一套c a n 总线静态调度平台的优化方案 并基于此方案开发相应的静态调度系统平台 作者以s 1 2 系列单片机为核心搭建c a n 总线静态调度硬件环境 对系统平台分 别进行静态调度理论模型分析 软件仿真分析和系统测试分析 在静态调度理 论模型分析中 作者将两种常用的静态调度理论模型进行对比分析 寻找出 t i n d e l l 调度理论模型的缺点 改进并引入d a v i s 调度理论模型 作者以d a v i s 调 度理论模型为基础 改进常用的c a n 总线静态调度算法 文章利用s t a t e f l o w 仿 真工具对改进算法进行软件仿真分析 以系统可调度性和总线占有率为评估标 准充分验证改进算法的有效性 文章最后完成c a n 总线静态调度平台的测试分 析 作者利用v i s u a lc 软件开发工具将改进的调度算法软件化并设计c a n 总 线静态调度软件平台 根据c a n 总线的实际传输例子对静态调度平台进行测试 通过优化的静态调度软件平台对c a n 总线系统中的节点进行调度分配 分析 c a n 总线节点的实时消息参数 实现整个c a n 总线系统可调度 充分验证c a n 总线静态调度平台的有效性与可靠性 本课题研究内容不仅为课题来源的研发 项目提供了有效的技术支持 同样为实时通信系统理论研究提供了重要的参考 价值 关键词 c a n 总线 静态调度 d a v i s s t a t e f l o w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a nb u si sas e r i a ld a t ab u st h a ts u p p o r t sp r i o r i t yb a s e dm e s s a g ea r b i t r a t i o na n d n o n p r e e m p t i v em e s s a g et r a n s m i s s i o n w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fs i m p l es t r u c t u r e h i g he f f i c i e n c y s t a b l et r a n s m i s s i o n c a n b u si s w i d e l yu s e d i n t h ef i e l do f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s m e d i c a li n s t r u m e n t s m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e s e t c a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g n t h er e a l t i m ed a t ao nt h ec a nb u s w i l lb ei m p r o v e dc o n t i n u o u s l y t h en o n p r e e m p t i v ea r b i t r a t i o nm o d eo fc a nb u s w i l li n e v i t a b l ya f f e c tt r a n s m i s s i o nt i m eo ft h ea c t u a lm e s s a g e s ot h ea n a l y s i so f m e s s a g et i m eo nc a n b u si si n d i s p e n s a b l e t h es c h e d u l a b i l i t yo fm e s s a g eo nc a n b u sw i l la f f e c tt h er e a l t i m ea n ds t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m s ot h es c h e d u l a b i l i t y a n a l y s i so fm e s s a g eo nc a n b u si sa l s oi m p e r a t i v e t h i s p a p e rp r i m i t i v e l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fc a n b u sa n dt h er e s e a r c h o fc a nb u ss c h e d u l i n g b e c a u s eo fc a nb u sw h i c hi st r i g g e r e db ye v e n t s t h i sp a p e r i n t r o d u c e ss t a t i c s c h e d u l i n g m e t h o do nc a nb u si nd e t a i l a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i co fc a nb u sp r o t o c 0 1 b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o g r a m t h i s p a p e rp r o p o s e sas e to fo p t i m i z a t i o ns c h e m e so nc a n b u ss t a t i cs c h e d u l i n gp l a t f o r m a n da l s od e s i g n ss t a t i cs c h e d u l i n gs y s t e mp l a t f o r mo nt h i ss c h e m e t h ea u t h o r c h o o s e ss12s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o nu n i tt oc o n s t r u c tc a nb u ss t a t i c s c h e d u l i n gh a r d w a r ee n v i r o n m e n t a n dr e s p e c t i v e l y m a k e st h ea n a l y s i so fs t a t i c s c h e d u l i n gt h e o r ym o d e l s o f t w a r es i m u l a t i o na n ds y s t e m t e s to nt h i ss y s t e mp l a t f o r m i nt h ea n a l y s i so fs t a t i cs c h e d u l i n gt h e o r ym o d e l t h ea u t h o rc o m p a r e st w os t a t i c s c h e d u l i n gt h e o r ym o d e l sw h i c ha r ew i d e l yu s e d f i n d so u tt h ed r a w b a c ko f t i n d e l l s c h e d u l i n gt h e o r ym o d e l i m p r o v e sa n di n t r o d u c e sd a v i ss c h e d u l i n gt h e o r ym o d e l b a s e do nd a v i ss c h e d u l i n gm o d e l t h ea u t h o ri m p r o v e st h ec o n l l n o na l g o r i t h mo f c a nb u ss t a t i cs c h e d u l i n g b yu s eo fs t a t e f l o ws o f t w a r es i m u l a t i o nt o o l s t h i sp a p e r s i m u l a t e st h ei m p r o v e da l g o r i t h m i ta l s oi d e n t i f i e st h ea v a i l a b i l i t yo ft h ei m p r o v e d a l g o r i t h ma c c o r d i n g t ot w oc o m m o na s s e s s m e n ts t a n d a r d sw h i c ha r et h e s c h e d u l a b i l i t yo fs y s t e ma n dt h eu t i l i z a t i o no fc a nb u s f i n a l l y t h i sp a p e rc o m p l e t e s t h et e s ta n da n a l y s i so fc a nb u ss t a t i cs c h e d u l i n gp l a t f o r m t h ea u t h o ru s e sv i s u a l c s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l s t or e a l i z et h es o f t w a r eo fi m p r o v e ds c h e d u l i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 a l g o r i t h ma n dd e s i g n sc a nb u ss t a t i cs c h e d u l i n gs o f t w a r ep l a t f o r m t h ea u t h o ra l s o u s e st h ea c t u a lt r a n s m i s s i o ne x a m p l eo nc a nb u st ot e s tt h es t a t i cs c h e d u l i n g p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h es t a t i cs c h e d u l i n gs o f t w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e rs c h e d u l e s c a nb u sn o d e sa n da n a l y z e sr e a l t i m em e s s a g ep a r a m e t e r so fc a nb u sn o d e si n o r d e rt o r e a l i z et h es c h e d u l a b i l i t yo fc a nb u ss y s t e m t h i sp a p e rs u f f i c i e n t l y v a l i d a t e st h ea v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc a nb u ss t a t i cs c h e d u l i n gp l a t f o r m t h e r e s e a r c ho ft h i sp r o g r a mn o to n l yp r o v i d e st h ee f f e c t i v et e c h n i c a ls u p p o r tt ot h e r e s e a r c hp r o je c t b u ta l s os u p p l i e si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h et h e o r yr e s e a r c ho f r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s c a nb u s s t a t i cs c h e d u l i n g d a v i s s t a t e f l o w i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章引言 控制器局域 c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k c a n 是为了降低控制成本并提高系 统效率而提出的一种现场总线 心 c a n 总线以其优良的设计与独特的结构得到 了国内外众多生厂商的青睐与广泛应用 为了保证c a n 总线通信的稳定性与实 时性 研究c a n 总线系统的可调度性显得尤为重要 1 1 1c a n 总线发展现状 c a n 总线最早出现于2 0 世纪8 0 年代末 是为车载网络提供简单 高效 强健的通信而设计的一种串行通信总线 c a n 这个概念是由r o b e r tb o s c hg m b h 于1 9 8 3 年首次提出 并于1 9 8 6 年在汽车工程协会 t h es o c i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r s s a e 得到广泛认可 这也意味着c a n 总线的正式诞生 1 9 8 7 年 i n t e l 和p h i l i p s 联合发布第一款c a n 控制芯片 1 9 9 1 年 德国b o s c h 公司制定并发 布了c a n 技术规范v e r s i o n 2 0 3 在汽车工业应用中 c a n 总线常用于提供高 速链路 5 0 0 k b i t s 来连接汽车底盘与汽车动力电控单元 c a n 总线也能够提供低 速链路 1 0 0k b i t s 1 2 5 k b i t s 来连接车体与辅助电控单元 在同一车体中c a n 总 线也同时与其他现场总线联合使用 这样即保证传输消息的时效性又降低了硬 件的成本 图1 1 为大众汽车内部总线结构图 图1 1 汽车内部总线结构图 c a n 总线是以串行模式进行通信 因此c a n 总线上任意两个节点之间的最 武汉理工大学硕士学位论文 大传输距离与其位速率有关 4 如表1 1 所示 表1 1c a n 总线节点间位速率与传输距离关系对照表 位速率 1 0 0 0 5 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 0 5 k b p s 最大距离 4 01 3 0 2 7 05 3 0 6 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 m 1 1 2c a n 总线调度研究现状 1 9 9 4 年 t i n d e l l 和b u r n s 不仅将固定优先级非抢占式调度方法应用到单处 理器的实时系统中 而且应用到c a n 总线通信系统的消息调度中 并且成功地 证明了c a n 总线能够根据优先级仲裁模式满足低优先级节点消息的截止期 同 时他们针对c a n 总线的消息调度提出了一种最坏响应时间分析方法 这种分析 方法不仅能够设计出满足时间要求的c a n 总线系统 而且能够保证所有优先级 节点上的消息满足它们的截止期 t i n d e l l 具有伟大创意的理论研究深刻影响到 了片上c a n 终端的设计 5 j 并且推动了一系列关于c a n 总线调度理论和模型 分析理论的研究 1 9 9 5 年 t i n d e l l 的研究理论得到了沃尔沃 v o l v o 汽车公司的 高度认可并将其成功应用到基于c a n 总线的沃尔沃 8 0 系列车体上 6 与此同 时基于c a n 总线的设计与仿真工具也大量涌现 1 9 8 8 年 德国v e c t o ri n f o r m a t i k 公司在德国的斯图加特成立 经过2 0 多年对于汽车总线产品的专注研发 v e c t o r 公司为汽车电子领域提供众多的电控产品 总线网络仿真工具及总线网络测试 工具 其公司的c a n 总线仿真工具c a n o e 与c a n 总线测试工具c a n a n a l y z e r 成为了c a n 总线产品研发的必备工具f 7 9 在t i n d e l l 的理论研究之前 广泛应 用于汽车领域的c a n 总线设备 为了满足c a n 消息的截止期而只能将c a n 总 线利用率控制在3 0 4 0 随着c a n 消息调度研究理论的提出与实现 c a n 总 线设备在保证满足系统消息截止期的前提下将总线利用率提高到8 0 1 2c a n 总线协议概述 c a n 总线是一种基于事件触发的 非破坏性逐位仲裁 总线 本节概述性 介绍c a n 总线的传输特点与仲裁模式 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 传输特点 在c a n 总线进行节点消息传输时 经常使用的为数据帧 数据帧主要分标 准帧 1 l 位标示符 和扩展帧 2 9 位标示符 两种格式 c a n 总线数据帧主要分为 七个部分 起始位 仲裁段 控制段 数据段 c r c 段 a c k 段和结束段f 1 0 1 如图1 2 所示 标准 扩展 位仰藏段控铡段奴稻段 c r c 段 a c k 殳结果段 c r c r t r 界定 i d l d l cd a t ac r ce o f 11 b1 14 6 41 5 i 订l 7 f f f刚 s r r 心 i di d lj d l c 11 1 11 1 8 l l1 1 i 4 目显性位 一 隐性位 il 图1 2c a n 总线数据帧位图 在c a n 总线传输过程中 c a n 总线的报文编码采用的 不归零 方法就是 将传输信号的电平始终保持两种状态 显性电平与隐性电平 同时根据c a n 总 线的编码需求c a n 总线协议中引入了位填充的编码方式 即在数据信号传输过 程中 报文发送缓冲器中只要检测到连续的5 个相同的电平就要在其后面填入 一个相反的电平 即在连续的5 个 0 后面就要插入1 个 l 在连续的5 个 1 后面就要插入1 个 0 图1 3 为最坏情况下的位填充 位填充前数据1111l0 0 0 0 1l11 0 0 0 0 111l 位填充后数据 1 2 2 仲裁模式 1 1111 0 0 0 0 0 11 111 0 0 0 0 0 1 11 l1 0 i iif 填充位 图l 3 最坏数据位填充 c a n 总线采用 非破坏性逐位仲裁 模式进行总线仲裁 在c a n 总线上每 一个节点都分配唯一的一个i d 由二进制数组成的i d 值越小优先级越高 优先 级高的节点在仲裁时先发送报文 优先级低的节点需要等待优先级高的节点发 武汉理工大学硕士学位论文 送报文结束后才能发送 在c a n 总线的实际传输介质中 其传输信号只存在显 性位 o 和隐性位 1 两种状态 l l 1 3 1 如果多个节点同时在c a n 总线上传输时 它 们传输的逻辑值通过 线与 的方式得到总线上实际传输的逻辑值 1 4 其仲裁 过程如图l 4 所示 s 标识符 r 控制场 黼1h f 一 馓1 nf 馓2 nnn 厂 广 黻a 儿一几一几一广 一厂 根据解析图可得 在标识符的第四位 图中横轴的 4 处 总线通过 线 与 模式得到一个显性位 对于此处节点0 的隐性位而言 其检测到了位冲突 因此节点0 退出仲裁队列 重新回到 监听 总线的状态 同理 节点l 在标 识符的第五位 图中横轴的 5 处退出仲裁队列 最终节点2 赢得总线仲裁并 准备传输数据 尽管节点0 和节点l 没有取得总线访问权 但是它们的数据并 未受到破坏 等到节点2 的报文传输完成后 它们再次参与总线仲裁直到赢取 总线访问权 这种机制不仅用于控制节点赢取总线而且用于标志总线错误 1 3c a n 总线调度方式 本节通过对c a n 总线调度方式进行分类 详细介绍了各种调度方式的特点 根据课题需要重点介绍了静态调度方式 1 3 1 动态调度与静态调度 根据调度方式将c a n 总线调度方式分为静态调度方式和动态调度方式 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 静态调度方式 通过离线的分析为每个c a n 节点分配固定的时间段进行 传输或者固定的优先级进行仲裁传输 离线是指在c a n 总线运行之前完成这些 调度动作 当总线运行过程中 c a n 节点分配的固定时间段或者固定优先级不 会改变f 1 5 2 动态调度方式 通过在线的分析为每个c a n 节点实时地分配时间段进行 传输或者优先级进行仲裁传输 在线是指在c a n 总线运行过程中系统根据当前 状态实时的改变c a n 节点的传输时间段或者优先级1 1 6 1 根据上述分析 静态调度方式是在总线运行前完成调度分配 而动态调度 方式是在总线运行过程中实时的改变调度分配 对于总线节点分配得到的传输 时间段或者优先级 静态调度方式是固定分配的而不再改变 动态调度方式是 根据总线运行的状态实时改变 将调度方式软件化 编写静态调度方式的软件 只需要根据离线的分析完成 程序较小且实现比较容易 编写动态调度方式的 软件要根据总线运行的状态来完成 考虑的情况更为复杂 程序较大而引起系 统开销较大 因此实现比较难 对于系统调度的控制 静态调度能够比较准确 实现 动态调度能够对更大容量的系统精确实现 因此静态调度方式操作简单 软件程序较小 容易实现 满足对一般系统的调度控制 动态调度方式虽然操 作复杂 软件程序较大而引起系统开销大 不容易实现 但是能够满足更大系 统的精确调度控制 表1 2 为两种调度方式的对比分析 表1 2 调度方式对比分析 对比条件静态调度方式动态调度方式 完成调度分配的时间 系统运行前系统运行过程中 传输时间段或者优先级固定分配实时分配 编写软件考虑的因素少多 系统开销小大 调度控制较准确精确 本课题研究的c a n 总线系统要求调度准确 系统调度开销小 调度方式易 于实现 根据以上的条件作者选用静态调度对系统进行调度控制 静态调度方 式主要分为调度顺序表调度和调度优先级调度 1 3 2 调度顺序表调度方式 调度顺序表调度方式也称基于表的调度方式 就是通过离线方式生成一张 武汉理工大学硕士学位论文 调度顺序表来安排每个节点传输消息 这张调度顺序表是以时隙为单位分别为 每个节点来安排消息的传输起始时刻 传输时间和传输结束时刻 根据调度顺 序表控制方式可分为集中式调度方式和分布式调度方式 1 集中式调度方式 在c a n 总线系统中人为的安排一个集中控制的主节点 来合理分配各个节点消息传输的顺序 只有主节点内部存在一张调度顺序表 主节点在特定的时间发出特定的信号安排特定的节点消息进行数据传输 2 分布式调度方式 在c a n 总线中的每个节点不分主从 其内部都有一张 时序相同的调度顺序表 每个节点根据自身的调度顺序表进行数据传输 节点 的同步是由时间校准消息来实现的 总线系统中选择一个时间主节点向每个节 点发布时间校准信息 每个节点根据该信息同步后再按照自身内部的调度顺序 表完成数据的传输 分布式调度方式典型应用于t t c a n 总线网络中 l 1 3 3 调度优先级调度方式 调度优先级调度方式也称固定优先级调度方式 就是为c a n 总线上每个节 点分配一个固定的优先级 根据优先级的大小决定节点消息传输顺序 基于事 件触发的c a n 总线协议就是根据调度优先级调度方式对节点进行调度的 根据 分配原则的不同 调度优先级分配方式可分为周期调度方式和截止期调度方式 1 周期调度方式 也称为r m r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g 调度方式 c a n 总线根据节点消息周期的大小为每个节点分配优先级的方式称为周期调度方 式 消息周期越短该节点优先级越高 消息周期越长该节点优先级越低l i 引 2 截止期调度方式 也称d m d e a d l i n em o n o t o n i cs c h e d u l i n g 调度方式 c a n 总线根据节点消息截止期的大小为每个节点分配优先级的方式称为截止期 调度方式 消息截止期越短该节点优先级越高 消息截止期越长该节点优先级 越低 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于研发项目 上汽通用五菱纯电动微型面包研究与开发 该项目将传统的五菱之光微型面包车进行改装 整个车体模块化并分别进 行研发 该项目中将纯电动微型面包车主要分为三个部分 车载控制 动力总 成和电池管理 作者主要完成车载控制部分的研发任务 车载控制部分主要分 6 武汉理工大学硕士学位论文 为三个模块 1 高压配电模块 主要完成高压切换 绝缘监测 车载保护等工作 并发 送相应的状态消息 2 整车控制模块 主要完成点火请求 采集加速踏板 制动踏板和档位信 息等工作 并发送相应的状态信息 3 显示控制模块 主要完成里程表 速度表等显示工作 并发送相应的状 态信息 每个消息均通过各自的节点在c a n 总线上进行发送 消息的具体内容由 c a n 数据的每一位表示 此系统采用c a n 2 0 b 扩展帧格式 波特率为2 5 0 k b i t s 根据分析得到如表1 3 参数 表1 3t i n d e l l 调度模型分析参数表 根据上述参数分析可以得到 整个c a n 网络系统根据各个节点的周期大小 为其分配了优先级 每个节点消息的响应时间远远小于该节点消息的周期 即 每个节点消息均能在各自的周期内完成传输 整个c a n 网络系统均可调度 随 着研发难度的不断提升 微型面包车车载控制部分不仅将增加更多的消息 而 且每个节点消息的更新频率更高 即节点消息周期更小 当在c a n 总线消息的 总线占有率较低时 当前的优先级分配原则能够满足整个系统的可调度性 而 当总线消息的总线占有率较高时 研发人员需要寻找更加优良的调度算法对整 个系统进行调度 本课题将根据上述的研发项目为基础 改进当前的调度算法 并设计基于c a n 总线的调度平台 这不仅为上汽通用五菱纯电动微型面包的研 发提供了技术支持 而且为今后基于c a n 总线的调度研究提供了新的研究方法 1 5 课题研究目的与内容 根据课题来源 本文提出了一套c a n 总线静态调度平台的优化方案 并基 于此方案开发相应的系统平台 该优化方案的提出不仅需要c a n 总线调度理论 武汉理工大学硕士学位论文 的支持 而且需要建模仿真的对比分析 更需要优化方案运用于实际的c a n 总 线网络中 以实际的测试数据加以验证 根据国内外的研究现状与实际项目的 应用 本文首先将常用的c a n 总线调度理论模型进行对比分析并寻找最优的模 型应用于本课题 其次本文根据最优的模型改进当前的调度算法 通过软件工 具的仿真分析 充分验证改进算法的有效性 最后搭建c a n 总线网络 以具体 的硬件测试数据再次验证优化方案的有效性与可靠性 根据课题的研究目的与方案设计过程 将本文具体研究内容安排如下 1 介绍研究内容的发展现状与关键技术 根据课题来源的需求初步形成 c a n 总线静态调度平台的优化方案 2 根据当前c a n 总线调度理论的研究对比分析常用的调度理论模型 寻找 最优的调度模型应用于本课题 3 根据最优的调度模型改进当前的调度算法 并利用仿真软件对c a n 总线 通信进行仿真与验证 通过系统可调度性和总线占有率两项指标来评估改进的 静态调度算法的性能 4 将c a n 总线静态调度平台的优化方案应用于实际的c a n 总线网络中 通过硬件测试数据验证方案的有效性与可靠性 实现c a n 总线节点消息的正确 发送与接收 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章c a n 总线实验平台设计 2 1 实验平台概述 根据课题来源本文提出了一套c a n 总线静态调度平台的优化方案 并基于 此方案开发相应的实验系统平台 根据c a n 总线静态调度的发展现状表明 基 于c a n 总线静态调度的研究理论还需要不断的改进与提高 本课题的研究内容 为该理论提出了很好的研究方向 在设计c a n 总线静态调度平台的优化方案之 前 应该建立c a n 总线网络的硬件环境 硬件环境主要实现c a n 总线的具体 传输过程 其稳定性对整个c a n 总线网络的正常工作发挥着巨大的作用 因此 在对硬件芯片的选择 硬件电路的设计 硬件环境的搭建等方面作者都进行了 详细的考虑与安排 在设计优化方案过程中 作者主要完成静态调度理论模型 分析 软件仿真分析和系统测试分析 静态调度理论模型分析主要为优化方案提供最佳的静态调度理论模型 作 者以c a n 总线网络的实际应用为基础将常用的静态调度理论模型进行对比分 析 静态调度理论模型必须能够真实的反映c a n 总线的实际传输情况 并且该 模型的理论计算要易于实现 这样既能保证调度模型的准确性 又能保证该模 型的有效性 软件仿真分析是在调度理论模型分析后完成的 通过引入最佳静态调度理 论模型 作者将常用的静态调度算法进行改进 作者分别将常用的静态调度算 法和改进的静态调度算法进行软件仿真 以系统可调度性和系统总线占有率为 评估指标 充分验证改进的调度算法的有效性 系统测试分析是整个优化方案在系统硬件环境上的具体实现 作者首先将 改进的静态调度算法软件化 完成静态调度软件平台的设计 在设计一个基于 c a n 总线的网络系统过程中 通过静态调度软件平台为各个网络节点分配优先 级来实现c a n 总线数据的合理传输 最后 作者通过系统测试数据验证整个优 化方案的有效性 最后作者完成c a n 总线静态调度系统实验平台的设计与实现 综上所述 系统实验平台的技术路线如图2 1 所示 9 武汉理工大学硕士学位论文 节x 1 点x 2 消 息 r i 常用模型 y ly 2 评估标准 z 1z 2 系 j l 统 r 爿磁真 爿礁试 h 硬 一 调度理论模型 件 1 分析 环 j 境 图2 1 系统实验平台的技术路线 2 2 实验平台硬件设计 c a n 总线实验平台硬件设计是实现c a n 总线静态调度实验平台的优化方 案的前提 本文对c a n 总线静态调度进行的理论研究与算法改进都是在硬件平 台上应用与实现的 硬件环境的稳定性对优化方案的实现至关重要 根据课题 项目的要求 我们分别对c a n 总线节点进行硬件设计 每个总线节点的微控制 器选用汽车专业级的芯片 其外围电路选用高度集成的c a n 总线数据收发器和 高速光耦等 硬件制版过程中要考虑布局布线 电磁干扰等问题1 1 9 j 在实验平 台硬件设计的各个方面充分保障硬件电路的稳定性 2 2 1 基于s 1 2 的硬件设计 硬件设计采用的主控芯片是f r e e s c a l e 公司s 1 2 系列单片机中的 m c 9 s 1 2 p 6 4 该产品是低成本 高性能的汽车专业级单片机 在汽车电子产品 中得到广泛应用 它内部集成了1 6 位运算模块 独立的1 0 位数模转换模块 a t d 模块 p w m 模块 e c t 模块 c a n 模块等 2 0 啦 因此芯片的性能能够满 足系统的设计需求 m c 9 s 1 2 p 6 4 单片机不仅可以使用外部有源和无源的晶振来提供的时钟 2 3 1 而且可以使用内部振荡电路提供的时钟 在设计的硬件系统对尺寸的大小有比 较严格的要求时 可以使用内部振荡电路提供时钟 省去外部的晶振占用的集 成电路板的面积 在设计m c 9 s 1 2 p 6 4 最小系统时不仅要考虑电源滤波电容大小 的匹配问题 而且要考虑单片机各个i o 引脚与外部电路连接的布线尽可能最 短 m c 9 s 1 2 p 6 4 采用低电源供电 电压为 5 v 整个主控芯片最小系统的硬件 电路设计如图2 2 所示 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2m c 9 s 1 2 p 6 4 最小系统 2 2 2 总线节点外围电路设计 s 1 2 系列单片机m c 9 s 1 2 p 6 4 内部自带的c a n 控制模块可实现c a n 2 0 a b 通信协议 此c a n 模块相当于c a n 总线上一个独立的节点 对外只提供差分 信号的两个引脚 c a n h 和c a n l 在总线节点的外围电路设计中 为了增强 c a n 节点通信的抗干扰能力 整个c a n 模块外围电路采用独立直流电源供电 作者选用p h i l i p s 的8 2 c 2 5 0 c a n 总线收发控制器对c a n 总线消息进行接收与 发送 在c a n 总线数据的实际传输层与外围电路之间 作者采用t o s h i b a 公 司的高速光耦t l p l1 3 进行隔离 既保证了信号传递的准确性 又提高了信号的 武汉理工大学硕士学位论文 抗干扰能力 整个c a n 总线节点选用屏蔽双脚线与c a n 总线连接 每个节点 对外只存在两个引脚 c a n t x 和c a n r x c a n t x 为c a n 总线的 写 引脚 c a n r x 为c a n 总线的 读 引脚 总线节点的外围电路设计如图2 3 所示 图2 3 总线节点外围电路 2 3 实验平台工作任务 在完成c a n 总线静态调度硬件平台的搭建后 作者对优化方案进行设计 文中主要完成静态调度理论模型分析 软件仿真分析和系统测试分析 在静态调度理论模型分析中 作者介绍了静态调度模型的建立步骤 c a n 总线静态调度的研究就是针对c a n 总线的时序进行分析并实现整个c a n 总线 的可调度 因此在c a n 总线静态调度的建模之前要理解c a n 总线时间参数的 意义与可调度条件 根据c a n 总线时序分析 c a n 总线的可调度问题就是分析 总线节点消息的最坏响应时间与消息的截止期的关系 由于节点消息的截止期 是消息的固有属性 因此节点消息的最坏响应时间的计算便是c a n 总线静态调 度模型的研究关键 著名科学家t i n d e l l 根据节点消息参数计算得到该消息的最 坏响应时间并设计c a n 总线静态调度模型 即t i n d e l l 模型 作者根据c a n 总 线的实际应用例子寻找出t i n d e l l 模型的缺点 改进并引入d a v i s 模型 将t i n d e l l 模型与d a v i s 模型进行对比分析 将最优的静态调度模型应用于优化方案中 在软件仿真分析中 作者首先改进常用的d m 静态调度算法 将最优的静 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 态调度理论模型引入调度算法中 并引入a u d s l c y 算法确保改进过程的可行性 接下来对改进的静态调度算法进行软件仿真 作者选用的s t a t e f l o w 仿真工具是 基于有限状态机理论来实现系统仿真的 这正符合c a n 总线及总线节点状态变 化机制 利用s t a t c f l o w 仿真工具对改进算法与d m 算法进行对比实验 分别通 过系统可调度性和系统总线占有率为评估指标进行仿真分析 通过实验数据充 分验证改进算法的有效性 在系统测试分析中 作者利用v i s u a lc 抖软件工具对改进算法进行编译与调 试 将改进算法的软件化并设计基于改进算法的c a n 总线静态调度软件平台 作者以c a n 总线硬件节点为基础搭建c a n 总线硬件通信平台 对实际的c a n 总线通信例子进行测试 根据静态调度软件平台的离线分析为c a n 总线节点进 行调度分配并生成调度分析参数结果表 通过改进算法的调度 最终实现c a n 总线系统的可调度 2 4 本章小结 本章主要完成c a n 总线实验平台的设计 并根据课题研究内容设计实验平 台研究路线 实验平台的研究要以稳定的硬件环境为基础 作者以s 1 2 系列单 片机为核心设计c a n 总线节点硬件电路并实现c a n 总线网络的搭建 根据实 验要求设计系统优化方案 该方案主要完成静态调度理论模型分析 软件仿真 分析和系统测试分析 作者根据各自的难点进行了关键技术的分析与工作任务 的分配 最终完成c a n 总线静态调度平台的设计与实现 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章静态调度模型建立 调度模型是用于实时系统调度理论研究的数学工具 基于c a n 总线的静态 调度模型能够真实的反映出c a n 总线消息的传输状态 本章将从静态调度模型 出发 根据不同的静态调度理论建立各自的静态调度参考模型并对比分析 寻 找最优的静态调度模型 3 1 静态调度建模步骤 c a n 总线是一种基于事件触发的串行通信总线 对于c a n 总线的静态调度 进行研究就是对c a n 总线消息传输的时序进行分析 建立的c a n 总线模型就 是一种基于时序参数的数学模型 因此对c a n 总线建模首先要明确c a n 总线 通信过程中的时间参数 然后根据时间参数寻找c a n 总线可调度条件 将可调 度条件通过数学公式的计算进行分析 最终完成调度模型的建立 3 1 1 总线时间参数 下面将详细介绍c a n 总线节点消息时间参数的含义 首先介绍节点消息传 输的时间参数 主要分为两部分 节点将消息装载到消息缓冲器中 即称为节 点装载时间或抖动时间 缓冲器中的消息通过c a n 总线传输到接收节点的缓冲 器中 即称为消息在总线上的实际传输时间 2 4 2 6 1 1 对于节点的装载时间 由于每个节点选用的主控芯片是不同的 消息装 载进入缓冲器的时间也是不同的 因此在本文中定义消息最大的装载时间为以 每个节点的装载时间为o 几 2 对于消息在总线上的实际传输时间主要包括两部分 消息传输时间和消 息等待时间 整个系统包含大量的实时消息 每个消息通过网络上的节点进行 传输 每个节点拥有一个固定的i d 因此该节点也就拥有唯一的一个优先级 本文中规定一个节点对应一个消息m 的传输 因此使用的m 就意味着消息1 i 1 或 者优先级m 每个消息包含的最大数据字节量为s 因此每个消息的最大传输 时间用c 表示 消息准备在总线上传输之前要进行总线仲裁 该消息与其他优 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 先级的消息进行竞争 因此存在消息的等待时间 本文中定义消息的最坏等待 时间为既 接下来介绍节点消息限制的时间参数 主要分为三部分 1 在消息模型中 每个消息传输的触发时间都需要一个最小时间间隔 即 消息周期瓦 对于周期性传输的消息瓦是一个固定值 而对于突发性消息的周 期l 是无穷大的 根据需要作者适当将周期为无穷大的消息的假定为周期为某 一较大的固定值的消息 2 每个消息同样存在一个严格的截止期d 消息的截止期是指消息为满足 其时效性从消息触发到消息成功发送所允许的最长时间 如果超过了该时间参 数 必然会造成节点消息的丢帧 3 定义一个消息的最坏响应时间为r 消息最坏响应时间是指从消息触发 到实际消息成功传输的最长时间 l 一消息周期j 一消息装载时间c r 一消息传输时间 w 一消息最坏等待时间r 广消息最坏响应时间d 皿 一消息截止期 图3 1 总线时间参数 3 1 2 消息可调度条件 根据上述的总线时间参数的定义可知 如果一个节点消息在总线系统中可 以正常传输 即不存在消息的丢帧 那么该消息的最坏响应时间必须小于其截 止期 因此c a n 总线节点消息的可调度条件为 如果一个消息可以调度 那么该消息的最坏响应时间必须小于其截止期 即r d 1 2 7 瑚 如果一个系统可以调度 那么当且仅当系统中所有消息满足消 息可调度条件 基于c a n 总线的静态调度建模的目的就是要找到系统可调度条件 根据 c a n 总线不同的通信状态进行分析 哪种状态c a n 总线系统可以调度 哪种状 态c a n 总线系统不可调度 进而寻找将不可调度的总线系统转化为可调度的总 武汉理工大学硕士学位论文 线系统的方法 3 2t i n d e l l 静态调度模型 1 9 9 4 年 著名科学家t i n d e l l 首次对c a n 总线消息可调度条件进行分析 通过对总线消息时间参数进行计算 将c a n 总线可调度条件采用数学公式推导 的方式进行表达 即将c a n 总线可调度问题转化为数学公式的推导问题 t i n d e l l 最终完成c a n 总线静态调度模型的建立 该静态调度模型也被称作t i n d e l l 静态 调度模型 下面作者详细介绍了t i n d e l l 静态调度模型的具体内容 根据消息可调度条件可知 实现系统的可调度性就是要满足系统中每个节 点消息的可调度条件 即消息的最坏响应时间r 小于消息的截止期巩 由于 消息的截止期是节点消息的固有属性且不可改变 因此只有通过改变消息的最 坏响应时间来满足消息的可调度条件 根据图3 1 总线时间参数可知消息最坏响应时间r m 主要由三部分组成 1 消息装载时间以 2 消息最坏等待时间眠 3 消息传输时间g 如 j m c m 3 1 根据上述公式可得 厶根据选用不同的芯片而不同 m 的值受到芯片内部 总线频率的制约 由于芯片内部总线频率非常快 其处理速度为纳秒级 因此 对系统进行时间分析时可以忽略此参数 根据c a n 总线协议规定 消息传输时 间c m 仅与数据字节数s m 有关 c m 的值也是可预见的 因此对于调度模型只需 要分析消息最坏等待时间 睨由两部分组成 1 消息阻塞时间b 消息m 进入队列准备传输时受到正在传输的低优先 级消息的阻塞而产生等待的时间 2 消息干扰时问或抢占时间 总线对消息进行仲裁时 由于高优先级消 息赢取总