（检测技术与自动化装置专业论文）基于粒子群算法的ttcan总线系统矩阵优化研究.pdf

摘要 摘要 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线作为一种面向实时控制应用的现场总线，以其短帧数 据结构、多主工作方式、传输速率快、通信距离长、抗干扰能力强、位仲裁、价格低廉等 特点，在各个行业中得到广泛应用。然而，由于c a n 这种事件触发型总线的带宽利用率 较低，和逐渐广泛使用的以太网通信相比，很难在有大数据量交换要求的应用中取得优势。 时间触发型总线适于过程控制等周期数据交换的场合，可以获得较好的利用率，对时间触 发型现场总线的研究，近年来呈上升的趋势。基于c a n 的时间触发型总线一一 t t c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) ，它既是一种完全的时间触发总线，又继承了事件触发c a n 总线的突出特点，有较好的发展前景。 本文首先介绍了t t c a n 协议及其实现，详细分析了 i q c a n 协议中实现时间触发机制 的各个组成元素，并对t t c a n 协议中的调度实现及其最大带宽利用率进行了研究。接着 分析了固定优先级调度算法( f p s ) 的消息模型、最糟糕响应时间以及错误模型，给出了 系统可调度的充分条件及性能评估指标。将时间触发机制( t t a ) 引入到固定优先级的调 度算法中，提出了一种基于时间触发机制的同定优先级调度算法( t t f p s ) 。将基于d m 的f p s 和无时间约束的t t f p s 用于电动汽车的消息调度中，给出了相应的性能参数，为调 度策略的改进提供了有意义的参考。然后介绍了粒子群算法原理和发展，详细给出了系统 矩阵的具体构造原理，并给出了基于粒子群算法的系统矩阵的优化步骤，并把这一算法应 用于汽车控制系统中，利用实际数据进行了仿真研究。结果表明，由于报文得到合理的安 排，使得周期缩短很多，尽可能减少了网络传输抖动，提高了t t c a n 网络带宽利用率。并 与固定优先级调度算法进行比较分析。最后进行了总结与展望，并指出了几个值得进一步 探讨研究的问题。 关键词：t t c a n ；粒子群算法；固定优先级调度算法；系统矩阵 a b s t r a c t a b s t r a c t c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) a saf i e l d b u sf a c e dt h er e a l t i m ec o n t r o la p p l i c a t i o n ，o b t a i n s t h ew i d e s p r e a da p p li c a t i o ni ne a c hp r o f e s s i o n ，b yt h ec h a r a c t e r i s t i co fi t ss h o r tf r a m ec o n s t r u c t i o n o fd a t a ，t h em u l t i h o s t sw o r kw a y , t h eq u i c kt r a n s m i s s i o ns p e e d ，t h el o n gs i g n a ld i s t a n c e ，t h e s t r o n ga n t i j a m m i n ga b i l i t y , t h ep o s i t i o na r b i t r a t i o n ，t h ei n e x p e n s i v ep r i c ea n ds oo n h o w e v e r ， c a n g a i n sd i f f i c u l t l ya d v a n t a g ei na p p l i c a t i o no f t h eg r e a td a t ae x c h a n g e d ，c o m p a r e dw i t hu s e d g r a d u a l l yt h ew i d e s p r e a de t h e r n e t b e c a u s ec a n i st h el o w e rb a n d w i d t hf a c t o r t h et i m e t r i g g e r f i e l d b u si ss u i t a b l ef o rc y c l ed a t ae x c h a n g eo ft h ep r o c e s sc o n t r o ls i t u a t i o n ，a n do b t a i nab e t t e r u s ef a c t o r , t ot h et i m e - t r i g g e rf i e l d b u sr e s e a r c h ，h a st h er i s et e n d e n c yi nr e c e n ty e a r s b a s e do n t i m e t r i g g e rc a n ，i tn o to n l y i so n ek i n do ff u l l t i m e - t r i g g e rf i e l d b u s ，a l s o i n h e r i t e dt h e p r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co f t h ee v e n t t r i g g e rc a n ，h a dt h eb e t t e rp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h et t c a np r o t o c o la n di t sr e a l i z a t i o n ，d e t a i l e d l ya n a l y s e d e a c hc o m p o s i t i o ne l e m e n to fi m p l e m e n t i n gt i m e - t r i g g e rm e c h a n i s mi nt h et t c a np r o t o c o l ，a n d i t st h em a x i m u mb a n d w i d t hf a c t o ra n ds c h e d u l e rr e a l i z a t i o nh a sr e s e a r c h e di nt h et t c a n a g r e e m e n t t h e ni t i sa n a l y z e dt h a tt h en e w sm o d e lo ft h ef i x e dp r i o r i t ys c h e d u l e ra l g o r i t h m ( f p s ) 、t h em o s tb a dr e s p o n s et i m ea n dt h ew r o n gm o d e l ，c a m eo u tt h es u f f i c i e n tc o n d i t i o na n d t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e xo ft h es y s t e ms c h e d u l e r t h et i m e - t r i g g e ra l g o r i t h m ( t t a ) i n t r o d u c e dt ot h ef i x e dp r i o r i t ys c h e d u l e ra l g o r i t h m ，i sp r o p o s e do n ek i n d1 v r - f p sb a s e do nt h e t i m e t r i g g e r u s i n gt oi n f o r m a t i o ns c h e d u l e ro fe l e c t r i cv e h i c l ef o rf p sb a s e do nd m a n d n o n c o n d i t i o nr e s t r i c t i o nt r - f p s c a m eo u tt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r , p r o v i d e d t h es i g n i f i c a n tr e f e r e n c ef o rt h es c h e d u l e rs t r a t e g yi m p r o v e m e n t t h e ni n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e a n dt h ed e v e l o p m e n to fp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，h a si nd e t a i lp r o d u c e dt h e s y s t e mm a t r i xc o n c r e t es t r u c t u r ep r i n c i p l e ，a n dh a sp r o d u c e ds y s t e mm a t r i xo p t i m i z e ds t e p b a s e do np s o ，a n da p p l i e st h i sa l g o r i t h mi nt h ea u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ，t h eu s i n ga c t u a ld a t a h a sc o n d u c t e dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c h t h er e s u l ti n d i c a t e d ，b e c a u s et h em e s s a g eo b t a i n e dt h e r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t ，c a u s e st h ec y c l et or e d u c ev e r ym a n y , r e d u c e dt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n ji t t e ra sf a ra sp o s s i b l e ，r a i s e dt h et t c a nn e t w o r kb a n d w i d t hf a c t o r i ti so nt h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i sw i t ht h ef i x e dp r i o r i t ys c h e d u l e ra l g o r i t h m f i n a l l yi tc a r r i e dt h r o u g ht h es u m - u pa n dt h e f o r e c a s t ，a n dh a dp o i n t e do u ts e v e r a lf u r t h e rd i s c u s s i n gq u e s t i o n k e y w o r d s ：t t c a n ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；f i x e dp r i o r i t ys c h e d u l e r a l g o r i t h m ；s y s t e mm a t r i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名： 张f j 、玉 日 期： 蛳g ，6 备 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江 南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 张，j 、玉 2 0 - o 宕6 导师签名： q 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步，传统的r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 和 c c i t t v 2 4 通信技术已不能适应现代化的工业控制需要，而现场总线( f i e l d b u s ) 以其低廉的 价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术1 1 1 。现场总线是应用在生产 现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种开放式、 数字化、多点通信的底层控制网络i ：q 。汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术 ( 3 c ) 的现场总线技术，从2 0 世纪8 0 年代开始发展起来，并逐步在制造业、流程工业、交通、 楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的重视和应用。现场总线主要有以下几种类型：基 金会现场总( f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t ，而其q b c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注，现已形成 国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线作为一种面向实时控制应用的现场总线，以其短帧数 据结构、多主工作方式、传输速率快、通信距离长、抗干扰能力强、位仲裁、价格低廉等 特点，在各个行业中得到广泛应用，尤其适合于汽车行业和工业现场测控这类实时性要求高 的应用场合i3 1 。然而，相对某些时间触发型的总线，c a n 这种事件触发型总线的带宽利用 率较低。和逐渐广泛使用的以太网通信相比，总线的传输速率相对较低，若其带宽利用率不 能提高，将很难在有大数据量交换要求的应用中取得优势。时问触发型总线适于过程控制 等周期数据交换的场合，可以获得较好的利用率，对时间触发型现场总线的研究，近年来 呈上升的趋势。基z j e c a n 的时间触发型总线下r c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 已形成国际标 准，并被纳入i e e e l 4 5 1 协议，它既是一种完全的时间触发总线，又继承了事件触发c a n 总 线的突出特点，有较好的发展前景1 4 1 。可惜目前支持t t c a n 协议的控制芯片还处于测试阶 段，未获实际应用。 1 2 发展现状 1 2 i c a n 总线的发展现状 早在2 0 世纪8 0 年代初，b o s c h 公司的工程人员就在探讨现有的串行总线系统运用于轿 车的可能性”l 。因为还没有一个网络协议能够完全满足汽车工程的要求。直到1 9 8 6 年2 月， 在s a e ( 汽车工程人员协会) 大会上，r o b e rb o s c h 公司提出了c a n 。现在，几乎每一辆在 欧洲生产的新轿车都至少装配有一个c a n 网络系统，而且也应用在火车到轮船等其他类型 的运输工具上，以及工业控制方面。仅仅在l9 9 9 年，有近6 千万个c a n 控制器被投入使用， 2 0 0 0 年销售了l 亿多c a n 的芯片1 6 1 。 这是个多主网络协议。它的基础是无破坏性仲裁机制，这使得总线能以最高优先权访 问报文而没有任何延时。这里没有中心总线主设( c e n t r a lb u sm a s t e r ) 1 7 1 。c a n 的创始者 除上述提及的外，还有b o s c h 公司的工程人员w o l f g a n gb o r s t ，w o l f g a n gb o t z e n h a r d ，o t t o k a r l ，h e l m u ts c h e l l i n g 和j 按u n r u h ，他们提出了几类错误检测机制。对错误的处理也包括自 第一章绪论 动断开有问题的总线节点使得其余节点之问的通信继续进行。被传送的报文的身份标识不 是用发送器或接收器节点的地址( 如其他几乎所有的总线系统) ，而是用它们的内容。作 为报文的一部分的标识也同时具有确定报文在这个系统中优先级的功能。 在2 0 世纪9 0 年代初，b o s c hc a n 规范( 2 0 版) 被提交作为国际标准i s l 。经过几次争论， 特别是又有了几个法国丰要轿车制造厂提出“交通- t 具局域网”v a n ( v e h i c l ea r e a n e t w o r k ) 后，在1 9 9 3 年1 1 月公布了c a n 的i s 0 11 8 9 8 标准。同时，在c a n 的协议中定义了 物理层的波特率最高为1 m b p s 。另外，c a n 数据传送中的错误处理方式也在1 9 9 5 年的 i s o i1 5 1 9 2 中标准化，i s o i1 8 9 8 标准也由于加入了描述2 9 位c a n 的标识符而扩充。不幸 的是，所有公布的c a n 规范和标准都有错误和不完整的地方。为了避免c a n 在使用中的不 兼容，b o s c h 公司保证所有c a n 芯片都要遵照b o s c hc a n 参考模式。此外，在德国的应用科 学大学，由l a w r e n z 教授牵头，几年来一直在进行c a n 的一致性测试。这些测试方案是根 据国际标准化规范i s o i6 8 4 5 来制定的。 现在，修改的c a n 规范正在标准化的过程中，i s 0 1 1 8 9 8 一l 描述了“c a n 数据链路层”， i s o i1 8 9 8 2 定义了“无错误一误差c a n 物理层”，i s 0 11 8 9 8 3 规定了“错误一误差物理 层”1 9 1 。i s o 标准l1 9 9 2 ( 卡车和拖车的接口) 和11 7 8 3 ( 农业和林业机械) 两者定义了以 c a n 为基础的应用条款，它们的依据是u s 协议j l9 3 9 。 虽然c a n 协议迄今已有1 5 年，它仍然在发展完善。2 0 0 0 年以开始，i s o 的任务是迫使 有关的几个公司定义一项协议用于c a n 报文的时间一触发传输( t i m e t r i g g e d t r a n s m i s s i o n ) 。d r b e n dm u e l l e r 和t h o m a sf u e h r e r 以及b o s c h 的其他一些人员会同来自半导 体工业和学院搞研究的专家一起定义“c a n 的时间一触发通信”协议( t t c a n ) ，计划把 它国际标准化为i s o i1 8 9 8 4 。这个c a n 的扩展现在正在硅片上进行，它不仅允许用c a n 作时间等间距传送报文和封闭控制循环，也允许在x b y w i r e 中使用c a n 。因为c a n 的 协议没有变，但可以利用同样的物理总线发送时间触发的报文和事件触发的报文【1 0 1 。 r t c a n 的扩展将使c a n 的生命延长5 1 0 年。当考虑到c a n 还处在全球市场渗透的初 期，即使是保守的估计也表明在今后1 0 1 5 年这种总线有更大的增长。这里要强调的事实 是，今后几年在美国和远东地区汽车制造业刚开始在他们一系列运输工具上使用c a n 。 另外，新的潜在的大量应用j 下在进行中，不仅表现在轿车方面，也表现在家电领域。为了 正式批准各种不同的安全临界应用等，几个要加强的方面可以指望在高层协议解决。德国 专业协会b i a 和德国安全标准机构t u v 已经确认一些现有的基于c a n 的安全系统。 c a n o p e n 安全是第个得至i j b i a 试验性批准的标准c a n 解决方案。d e v i c e n e t 安全 将很快跟上。针对海事应用i 拘c a n o p e n 结构的正式批准正在准备中，它是由世界一流的德 国劳式船级社制定的。在其他方面，这个规范定义了从c a n o p e n l 网络到冗余总线系统的自 动转换。 1 2 2 粒子群优化算法的发展现状 粒子群优化算法一7 1 ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 1 9 9 5 年刚被提出，于与遗传 算法相比具有更快的收敛速度，概念简单、便于理解、易于实现，并且很多情况下要比遗 2 第一章绪论 传算法( g a ) 更有效率，所以备受关注，但它的缺陷是在处理高维复杂问题时，p s o 算 法会以一定概率停滞在一些局部最小点，因此很多国外学者都致力于提高p s o 算法的性 能。比较具有代表性的有：( 1 ) 1 9 9 8 年，s h iy 提出自适应调整惯性因子的粒子群优化算 法i ls 】；2 0 0 1 年，s h iy 进一步提出用模糊规则修改惯性因子的算法1 1 9 1 。这一类自适应p s o 算法对许多问题都取得满意的结果，通过自适应调整全局系数，兼顾搜索效率和搜索精度， 是一类有效的算法，但对于许多复杂的非线性优化问题，试图通过自适应调整一个全局系 数提高搜索精度的余地是有限的。( 2 ) 1 9 9 8 年，a n g e l i n epj 借鉴遗传算法的思想，提出 杂交粒子群优化算法i 加】；2 0 0 1 年，l o v b j e r gm 进一步提出具有繁殖和子群的粒子群优化 算法1 2 1 1 。实验结果显示，杂交粒子群优化算法的收敛速度比较快，搜索精度也相对比较高， 对一类非线性优化问题可以得到满意的结果，不过引入较多的待调整参数，对使用者的经 验有一定要求。( 3 ) 2 0 0 1 年，v a nd e nb e r g hf 提出协同粒子群优化算法1 2 2 2 3 1 ，其基本思 想是用k 个相互独立的粒子群分别在d 维的目标搜索空间中不同维的目标搜索空间中不同 维度方向上进行搜索。这种算法有明显的“启动延迟”( s t a r t u pd e l a y ) 现象，在迭代初期， 适应值下降缓慢，换言之，收敛速度缓慢。不过这种算法实际上采用的是局部学习策略， 因此比标准p s o 算法更易跳出局部最小点，达到较高的收敛精度。( 4 ) 1 9 9 7 年，k e n n e d y j 提出一种离散二进制版的粒子群优化算法1 2 4 1 ；2 0 0 0 年，c l e r cm 推广了这一工作，并将 其应用于旅行商问题( t s p ) 的求解1 2 5 1 ，取得了较好的结果。离散p s o 算法扩展了标准 p s o 算法的应用领域，尤其是让人看到了一类组合优化问题中的前景。 2 0 0 0 年起，国内的许多学者也加入到了改进p s o 算法的行列中来，每年都有许多的 文献在各种期刊杂志上发表，使p s o 算法在很大程度上得到了改进。比较具有代表性的有： ( 1 ) 2 0 0 0 年，复旦大学的徐海提出的基于改进粒子群优化的模糊逻辑系统自学习算法， 这是国内学者提出的比较早的改进算法。该文主要提出3 点改进意见：加入后退算法以 避免算法发散；在算法后期引入变异算子以保持粒子群解的多样性，同时避免后退算法 可能引起的陷入局部极小的现象；用反向传播算法后处理以提高精度。( 2 ) 2 0 0 3 年，河 南师范大学的王岁花提出在标准p s o 算法的粒子位置更新公式中增加一个积分控制项的 设想，该积分控制项根据每个粒子的适应值决定粒子位置的变化，可以提高跳出局部极 小点的能力。( 3 ) 2 0 0 4 年，广州大学的高鹰借鉴生物体免疫系统的机制，将免疫系统的免 疫信息处理机制引入p s o 算法，提出免疫粒子群优化算法。这种算法结合p s o 算法的全 局搜索能力和免疫系统的免疫信息处理机制，实现简单，能改善摆脱局部极值点的能力。 ( 4 ) 2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的戴冬雪提出一种基于混沌思想的p s o 算法，它利用p s o 算法的快速收敛性和混沌运遍历性、随机性等特点，对标准p s o 算法进行改进。( 5 ) 2 0 0 5 年，武汉理工大学的熊盛武提出一个用于解决多目标优化问题的改进p s o 算法，该算法利 用p s o 算法的信息传递机制，引入多日标演化算法常用的归档技术，采用s p e a 2 算法的 环境选择和配对选择策略，使得整个群体在保持适当的选择压力情况下收敛于p a r e t o 最 优解集。近几年来，本实验室的几位师兄、师姐对p s o 算法也进行了比较深入的研究，并 提出了各自的改进算法1 2 8 l 。 总体看来，近几年粒子群优化算法得到了很大的发展，不过遗憾的是，目前国内外的 第一章绪论 各种改进算法一般仅仅是围绕标准p s o 算法的某些参数而改进，其结果一般只适应一类或 几类优化问题，而不能使用于大多数优化问题。本质上讲，并没有突破该算法的最根本的 局限和弱点。 1 3 研究意义 现阶段汽车车身网络对总线带宽的需求还比较低，快变和实时信号主要在模块内部传 输，所以c a n 总线还可以满足要求1 2 9 i 。但随着车身总线的需求越来越高，控制模块越来 越多，要求在网络上传输的信息量将会越来越大。特别是对模块间有大量快变数据交换的 系统以及即将出现的第一代缆控系统，如果一个站点有连续快变的消息或记录需要显示 时，数据会有延迟时间不确定的可能，会造成系统的不稳定和增加控制的难度。如果一个 站点恶意重复地发送信号就有可能导致其他结点无法发送数据。c a n 协议无法判断总线上 的某个结点是否出现故障，如“拜占庭故障”p o l 。 针对c a n 的一些问题，t t c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 做了一些改进【3 。既有时间触发， 又保留了事件触发，一定程度上提高了实时性能。t t c a n 的控制器可以配置成两级水平， 第l 级保证了c a n 的时间触发操作是基于定时主结点的参考消息的，这种功能的容错是 通过建立几余定时主结点实现的。第2 级以一个全局的同步时间基准和在c a n 控制器中 间进行连续的偏差校正来实现高端同步。另外，t c a n 协议为了保证实时性和可控性放 弃了c a n 协议中的一些特点，如出错重发、适合于加填充码等。特别是因为定时的要求 较高，接口成本较高，所以目前较难推广。 1 4 研究内容 第二章介绍了t t c a n 协议及其实现，然后详细分析t t c a n 协议中实现时间触发机制 的各个组成元素，接着对t t c a n 协议中的调度实现及其最大带宽利用率进行了研究。 第三章分析固定优先级调度算法( f p s ) 的消息模型、最糟糕响应时间以及错误模型， 给出了系统可调度的充分条件及性能评估指标。将时问触发机制( t t a ) 引入到固定优先 级的调度算法中，提出一种基于时间触发机制的固定优先级调度算法( t t f p s ) ，该算法 将消息的冲突检测限制在特定的时问段内，使其对消息的传输具有较高的可预见性和容错 性，并将基于d m 的f p s 年i j 无时间约束的t t f p s 用于电动汽车的消息调度中。 第四章介绍粒子群算法原理和发展，详细给出系统矩阵的具体构造原理，并给出基于 粒子群算法的系统矩阵的优化步骤，并把这一算法应片j 于汽车控制系统中，利用实际数据 进行仿真研究。并为了进一步的说明基于粒子群算法的系统矩阵优化的先进性，与第三章 的固定优先级调度算法进行比较分析。 第五章进行了总结与展望。总结本论文为提高t c a n 系统矩阵的带宽利用率所做的 优化方面的一些工作，并指出几个值得进步探讨研究的问题。 4 第二章t t c a n 协议的分析与研究 第二章t t c a n 协议的分析 t t c a n ( t i m e t r i g g e rc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是一种基于c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线充分利用时问触发与事件触发两种机制优点的新型协议，其调度的消息具有 确定的传输行为。t t c a n 协议具有带宽利用率高、通讯延时低以及消息传输可管理与可预 测等特点，对于分布式硬实时系统的应用以及解决网络控制系统中消息延时具有重大的意 义。本章首先介绍了t t c a n 协议及其实现，然后详细分析了t t c a n 协议中实现时间触发 机制的各个组成元素，接着对t t c a n 协议中的调度实现及其最大带宽利用率进行了研究。 2 1 t t c a n 协议 2 1 1 引入t t c a n 协议的目的 网络控制系统是一种通过网络连接传感器、控制器与执行器等现场设备的分布式实时 控制系统，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线作为典型的通信网络，由于可靠性高，实时 性强以及非破坏性位仲裁机制正广泛应用于汽车、机器人与楼宇自动化等领域。在网络控 制系统中主要存在着时问触发( t i m e - t r i g g e r ) 与事件触发( e v e n t _ t r i g g e r ) 两种通信调度机 制，前者适合于传输硬实时周期性消息，而后者主要适合于传输非周期性消息。c a n 总线 本质上属于事件触发机制，有大量文献对其消息的调度进行了研究【3 2 h 川，一般通过降低 网络资源利用率来减少总线竞争与总线错误对消息实时性造成的影响。因此，传统的c a n 总线系统具有如下缺点：1 ) 网络中节点缺少同步机制，消息的调度不可管理与预测，不适 于硬实时系统的需要；2 ) 网络资源利用率低，造成网络带宽的浪费：3 ) 禾l j 用c a n 原始的非 破坏性位仲裁机制，由于总线非抢占性特点，可能低优先级的消息正在传输，造成了对高 优先级消息的阻塞，即使最高优先级也可能存在延时响应1 3 5 j 。 基于上述原因，i s 0 11 8 9 8 4 在网络协议栈中的会话层提出了一种基于时间触发机制的 c a n 总线， ! | _ i t i c a n ( t i m e t r i g g e rc a n ) 协议，该协议正处在标准化的过程中。提出t 1 a n 协议的目的首先是为了减少消息传输的响应时间的抖动，其次是为了更好地对网络中消息 的传输进行管理和预测，同时实现网络节点的时钟同步，最后是为了更有效的利用网络中 的物理带宽资源。t t c a n 有两种级别的扩展，扩展级别l 以时间主节点的参考消息为基准 实现c a n 总线时间触发机制，i 刊时利用冗余的时间主节点米提高总线的可靠性，而扩展级 别2 ，通过一定的硬件支持建立了伞局同步时间基准，另外也实现了各个c a n 节点之间连 续的时钟漂移调节。 引入1 r c a n 协议刈。以解决以下问题： 1 减少消息传输延时的抖动； 2 在c a n 总线中保证消息的确定性传输行为； 3 更有效的利用c a n 总线的物理带宽资源。 2 1 2 协议分析 c a n 规范i s o il8 9 8 一l ( i 苗速) 和i s 0 11 5 1 9 - - 2 ( 低速) 1 3 6 j 为c a n 通信协议定义了物 理层( p l ) 和数据链路层( d l l ) 。由于标准中仅仅定义了这两层，所以可以使用个单 第二章t t c a n 协议的分析与研究 独的高层协议，基于事件驱动或者时间驱动i ”j 模型实现消息的调度。新的会话层规范 i s o i1 8 9 8 - - 4 ( 草案) ，定义了时间触发控制器局域网( t t c a n ) ，它首次为自动化网络协 议1 3 8 1 提供国际通用的时间触发的规范。表2 1 是c a n 的i s o 开放系统互联( i s o ) 模型上的 映射。t t c a n 协议中的调度机制本质上属于基于表的静态调度，而分布式实时系统中实现 该算法必须保证网络各节点之间的严格的时钟同步。在t t c a n 中，一个特殊的节点即时间 主节点周期性地发送参考消息( r e f e r e n c em e s s a g e ) 来使网络中各节点达到时钟同步。与时分 多路访问协议类似，t t c a n 协议中的调度表由一系列的固定时间窗口组成，节点只能在 特定的时间窗口中进行消息的发送与接收。整个调度表义被称为矩阵周期( m a t r i xc y c l e ) ， 其实现了对网络中消息传输的管理与预测，同时矩阵周期又由若干个基本周期( b a s i cc y c l e ) 组成1 3 9 1 。参考消息标志着一个基本周期的开始，基本周期由若干个时间窗口组成，图2 1 给出了由四个基本周期组成的矩阵周期的结构图，从图中可以看出，每个基本周期中同一 列的长度必须相同。 t t c a n 协议主要由两个层次的介质访问方式协同完成对消息的有效调度，其在底层充 分利用了传统c a n 总线数据链路层中以载波监听多路访i f i ( c s m a ) 机制为基础的非破坏性 位仲裁机制，同时在高层中即会话层中实现了时分多路访i h - ( t d m a ) 的调度结果。对于传 统的c a n 总线，每个节点拥有对总线同等的访问权，总线窄闲时，各个节点均可发送消息， 当有多个节点同时发送时，利用消息的标识符从高位开始逐位进行仲裁，因此消息的优先 级由标识符决定。而时分多路访问带宽分配机制把网络时问分为若干个离散的时问窗口， 每个消息根据其分配的时间窗口进行消息的发送与接收。系统通过循环执行调度表即矩阵 周期中的时间窗口来达到对网络中消息传输的管理，同时利用不同类型的时间窗口实现对 周期性消息与非周期性消息传输的隔离，减少消息延时的抖动。 t r c a n 协议与t d m a 协议最大的不同点在于t t c a n 允许在系统运行过程中某个基 本周期结束时，暂停执行矩阵周期，同时允许在一定的时间内通过某个时间恢复消息的调 度。该事件触发时间主节点发送参考消息，使从暂停的矩阵周期中恢复执行。为了避免被 无限期暂停，t t c a n 采用了一种超时机制，该超时的值也被称为分隔时间( g a pt i m e ) 。 当系统需要事件同步机制时，时间主节点通过设置参考消息中的n e x ti sg a p 位来通知网 络中的所有节点当该基本周期结束后将暂停执行矩阵周期。这一特性可以保证网络中的所 有节点即使出现了严重的总线干扰时也可以重新达到严格同步，同时有利于多网段t t c a n 总线同步的实现。 6 第二章t i c a n 协议的分析与研究 表2 1c a n 协议栈结构 t a b 2 1c a n p r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e i s o 各层c a n 相应各层 l a y 8 用户层c a n o p e n d e v i c e n e ts m a r td i s t r i b u t e dc a nk i n g d o m s y s t e m s l a y 7 应用层 c a l ：c a n 应用层d e v i c e n e t 说明s d s 说明c a nk i n g d o m 说明 l a y 6 4 表示层 没有明确定义 l a y 54 会话层时间触发通讯i s o l l 8 9 8 - 4 ( 草案) 级别1 ，矩阵周期，同步，呐触发器，m s c 级别2 ，全局时问，外部时钟同步 l a y 4 4 传输层 没有明确定义 l a y 3 网络层 没有明确定义 l a y 2 + 数据链路 l l c ：逻辑链路层 层 接收滤波 过载通知 恢复管理 m a c ：媒体访问控制 数据的解码与编码 帧编码 介质访问管理 错误检测与通告 认同控制 序列化 c a n 说明类型：c a n 2 0 a 标准标识符( 1 1 位) ；c a n 2 0 b 扩展标识符( 2 9 位) l a y l + 数据链路 物理信号 层 位编码解码 位定时 同步 低速a 悄i s o l l 5 1 9 2高速c a ni s o1 1 8 9 8 1 l a y o + 传输介质 双绞线，屏敝舣绞线，光纤，红外线等 7 江南大学硕士学位论文 图2 1t r c a n 矩阵 f i g 2 1t r c a nm a t r i x 2 2 r 丌c a n 协议的实现 t t c a n 协议的核心元素包括网络时间单元、时间基准、参考消息、基本周期、时间窗 口和矩阵周期等，它们是实现t t c a n 协议调度架构的基础1 4 0 i 。 网络时间单元( n e t w o r kt i m eu n i t ，简称n ) t r c a n 的周期时间( c y c l et i m e ) 是保i 正t r c a n 协议时间触发操作能够进行的基本条 件，该时间信息的重要属性就是时间粒度( g r a n u l a r i t y ) 。t t c a n 协议中的任意时间基准 包括本地时间与全局时间的粒度均为网络时间单元( n t u ) 。因此周期时间是利用n t u 进 行度量的，而且在t r c a n 级别1 中是基于c a n 位定时的，在t t c a n 级别2 中是基于物理时 钟的。在扩展级2 中，为了建立一个系统范围内的n t u ，必须在t i c a n 节点的物理振荡器 和系统范围内n t u 之间建立相应的关系，以保证系统时钟同步的精确度。 图2 2 显示了n t u 形成的原理，节点相关的振荡器电路( o s c i l l a t o rc i r c u i t ) 给分频器 ( f r e q u e n c yd i v i d e r ) 提供系统时钟。该分频器产生系统范围n t u ，而节点相关的时间单 位比率( t i m eu n i tr a t i o 简称t u r ，其为非整数值) ，用于校正节点中n t u 的漂移。n t u 现在可被用于建立本地时间( l o c a lt i m e ) 和全局时间( g l o b a lt i m e ) 。 8 第二章t t c a n 协议的分析与研究 通 节j j i 相关 系统时钟 节点提供的 t u r 图2 2n t u 的产生原理 f i g 2 2n t uh a v i n gt h ep r i n c i p l e 时间基准 网络中所有节点具有相同的时间基准是t t c a n 协议实现的基础，其主要由三种类型的 时间组成： 1 ) 本地时间( l o c a l网络中每个节点都具有本地时间基准，称为本地时间。该时间值time)： 为计数器，由1 6 位的整数值表示，并且每隔一个网络时间单元( n t u ) 进行加一操作。网络 中所有节点f 拘n t u 相同，其由本地时钟产生，删= o 奉f u r ( o 表示本地节点的时钟周 期，t u r 表示本地时间单位比率) ，因为每个节点中的时钟周期不同，为了使每个节点具有 相同的n t u ，需要为每个节点分配不同的t u r 值。本地时间的产生原理如图2 2 所示。 2 ) 周期时间( c y c l e ：在 网络中，节点之间的同步操作由参考消息t i m e ) t t c a n ( r e f e r e n c e m e s s a g e ) 触发。所有节点均接收到时间主节点发送的有效的参考消息开始一个新的基本周 期。如果节点确认该消息为有效的参考消息时，该起始时刻就作为该节点的参考同步时刻， 所以周期时间等于当前本地时间与接收到参考消息时刻的差值。当接收到一个新的参考消 息则重新启动周期时间。周期时问的产生如图2 3 所示。 3 ) 全局时间( g l o b a l ：在 协议中，有两种实现方式即级别l与级别2。在_time)ttcan t t c a n 级别l 中，网络的时钟基准为周期时间，该时间基准在每个基本周期( b a s i cc y c l e ) 起始时刻 重新启动，并且以本地时间为基准；而在t t c a n 级别2 中，引入全局时间基准用于整个网 络的时钟调节该时间只能在t t c a n 协议扩展级别2 中实现，所有节点利用时间值对本地的 时间基准进行连续的调节，但是其需要附加硬件的支持，增加了实现的复杂性。全局时间 的产生原理如图2 2 所示。 9 第：二章t t c a n 协议的分析与研究 周期* f 日】 图2 3 周期时间的严生原理 f i g 2 - 3p e r i o d i ct i m eh a v i n gt h ep r i n c i p l e 参考消，皂, ( r e f e r e n c em e s s a g e ) 该消息是实现t t c a n 协议同步机制的基础，其由可被网络中