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1can總線調度策略

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

2多功能雙CAN網絡任務調度策略在飛行器控制系統中的應用

2．1飛行器控制系統

CAN網絡布局基于CAN總線的飛行器控制系統內部組成如圖1所示．所有分系統通過2個CAN接口組成雙網絡結構．當總線空閑時，任一節點可以占用總線發送數據，其他節點根據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信息，完成坐標轉換，并根據目前飛行器在絕對坐標下的姿態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出舵偏指令，利用改變舵面偏轉角度而形成的空氣動力進一步控制飛行器姿態．在滿足導引頭開機條件下，機載計算機通過CAN總線向導引頭發出開機指令，導引頭開始對目標進行搜索、識別及跟蹤［7］．系統中數據記錄儀1和2分別用于記錄2個CAN網絡中的關鍵報文信息，以便于飛行實驗后期的數據分析．網絡管理節點負責監測網絡的運行情況，當發現網絡故障時，完成相應故障報警及故障處理等工作．

2．2雙CAN網絡混合調度策略

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

對于主網絡中傳輸的周期實時性報文，網絡管理節點采取固定周期監控方式，這個固定周期通常選取系統控制周期的整數倍。主網絡數據傳輸出現故障的原因主要有發送節點內部的程序故障、發送節點的硬件故障和主網絡故障3類，針對不同的故障需采取不同的處理機制：（1）對于發送節點內部的程序故障，網絡管理節點通過主網絡向該節點發送分系統復位指令幀，節點接收到復位指令幀后執行軟件復位操作．（2）對于發送節點的主網絡通道的硬件故障，網絡管理節點通過備份網向故障節點發送一個網絡切換指令幀，并同時發送一個網絡帶寬優化廣播指令幀．首先，故障節點接收到通道切換指令幀后，將其在主網絡中傳輸的所有報文幀變換到備份網絡中傳輸．然后，當備份網上所有節點收到優化帶寬廣播指令幀后，所有節點將其在備份網中傳輸的部分非實時性周期信號（如分系統狀態信息）的發送周期擴大1倍，以降低備份網的總線負載率，保證從主網絡轉移到備份網中傳輸報文幀的實時性．（3）當判斷為主網絡故障時，其產生原因多為硬件故障或外界干擾導致的主網絡癱瘓．這種情況也可理解成第2種故障的特殊形式，即主網絡上的6個節點均出現通信通道故障，解決措施與第2種措施相同，將主網絡中所有報文轉移到備份網中傳輸，并同時將原來備份網絡中傳輸的部分非實時性周期報文的發送周期擴大6倍．考慮到系統最壞情況即主網絡癱瘓時，所有數據均在備份網中傳輸．雖然采取了一定的優化措施，但此時數據網的總線負載率仍然急劇增加．為不影響系統的正常運行，采用了高效率的任務調度算法，在確保控制系統正常工作的同時，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＋固定優先級的混合編碼方式，其EDF動態區采取對數分區法，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位置、姿態等環境的仿真，進而模擬飛行器的實際飛行參數，構造各分系統盡量逼真的工作環境，完成對基于雙CAN網絡混合調度策略的飛行器控制系統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據，實時向轉臺輸出姿態角和姿態角速度等信息來控制三軸仿真轉臺模擬飛行器實際的飛行環境；三軸仿真轉臺通過接收仿真機指令，按照理論彈道設計所產生的姿態角和姿態角速度，為機載計算機提供姿態運動基準；舵機力矩加載器用于模擬舵機實際工作中的鉸鏈力矩；CANoe用于實現對總線網絡的全面分析，如負載率和報文幀時間信息等；CANstress是一款專業的CAN總線干擾儀，具有靈活的干擾觸發方式，可以實現對CAN總線的數字干擾和模擬干擾．半物理仿真實驗是以上述的軟硬件系統為平臺，主要完成以下幾個方面的測試：（1）基于單CAN網絡的飛行器控制系統測試．在未采取任何策略情況下，測試基于單CAN網絡的飛行器控制系統中傳輸報文幀的平均延時和網絡參數，總線波特率為1MB／s．（2）采用雙CAN網絡混合調度策略并在主網絡正常工作時，分別測試主網絡和備份網絡中報文幀的平均延時和網絡參數，其中指令網總線波特率為500kB／s，數據網為1MB／s．（3）采用雙CAN網絡混合調度策略并通過CANstress對主網絡進行錯誤幀干擾，直到主網絡癱瘓，然后測試飛行器控制系統備份網絡運行情況．表4為3項試驗過程中飛行器控制系統內所傳輸的報文幀，表5為CANoe中記錄的網絡運行參數，表6為報文幀平均延時和最大延時的統計信息．

4結論

實驗結果表明：采用雙CAN網絡混合調度策略后，飛行器通信網絡的總線負載率從61％下降到指令網為8％和數據網為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，提高了系統整體的實時性．而且當指令網因干擾而通信癱瘓時，所有實時性報文都能夠轉移到數據網中傳輸，并由于采用了網絡帶寬優化措施，此時數據網的總線負載率也僅為31％，整個控制系統在正常且穩定運行的同時，保證了控制類報文幀的實時性，提高了系統的可靠性．因此，采用雙CAN網絡混合調度策略不僅可以提高飛行器控制系統數據傳輸的實時性，而且當主網絡癱瘓后，雖然備份網中非實時性周期報文的發送周期變大，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，提高了系統數據傳輸的可靠性和實時性．

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