姚江云 孔 峰 吳方圓

(廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系，廣西 柳州 545006)

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車用電子設(shè)備在整車中所占的比重越來越大，電子設(shè)備的增加勢(shì)必使得車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加，并且對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性提出了更高的要求。車載網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理的目的就是保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，其管理性能的好壞關(guān)系到整車的總體性能。

CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議大部分是基于德國(guó)的汽車電子類開放系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)接口標(biāo)準(zhǔn)OSEK NM所設(shè)計(jì)的［1－2］。而 FlexRay作為新一代總線，在網(wǎng)絡(luò)管理這一方面還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［3］，文獻(xiàn)［3］將OSEK NM的管理規(guī)范引入到FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理中，并作了相關(guān)方面的初步研究。自動(dòng)開放系統(tǒng)架構(gòu)(automotive open system architecture，AUTOSAR)目前受到國(guó)外汽車行業(yè)的熱烈關(guān)注，國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步。本文研究基于此架構(gòu)的FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的制定具有一定的意義。

1 FlexRay簡(jiǎn)介

1.1 通信機(jī)制

FlexRay總線是依靠通信周期傳輸信息的，每個(gè)通信周期包括靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)標(biāo)志窗口和空閑時(shí)間［4］。靜態(tài)段采用時(shí)分多址(time division multiple access，TDMA)的通信方式。TDMA將通信時(shí)間分為若干個(gè)相等的時(shí)槽，即靜態(tài)時(shí)槽，各個(gè)時(shí)槽在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)送與自己ID對(duì)應(yīng)的幀，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。動(dòng)態(tài)段采用靈活的時(shí)分多址(flexible time division multiple access，F(xiàn)TDMA)通信方式。FTDMA將通信時(shí)間分為若干個(gè)小時(shí)槽，即微時(shí)槽，不同數(shù)據(jù)幀在與自己ID對(duì)應(yīng)的微時(shí)槽內(nèi)開始發(fā)送，但整個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)槽的時(shí)長(zhǎng)是不確定的，它由所發(fā)送幀的長(zhǎng)度確定。

1.2 FlexRay數(shù)據(jù)幀

FlexRay數(shù)據(jù)幀包括幀頭、負(fù)載段和幀尾［5］。幀頭占5 B，其中R為保留位，P(payment preamble indicator)為負(fù)載段指示位，N為空幀指示位，第一個(gè)S為同步幀指示位，第二個(gè)S為起始幀指示位。負(fù)載段指示位P在網(wǎng)絡(luò)管理中起著重要的作用。當(dāng)P=1時(shí)，對(duì)于負(fù)載靜態(tài)段，表示開始部分有可選的網(wǎng)絡(luò)管理向量，而對(duì)于動(dòng)態(tài)段，表示開始部分有信息ID;當(dāng)P=0時(shí)，負(fù)載靜態(tài)段開始部分沒有網(wǎng)絡(luò)管理向量，動(dòng)態(tài)段開始部分沒有信息ID。幀ID用于識(shí)別該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，負(fù)載段長(zhǎng)度表示一幀中能傳輸?shù)淖謹(jǐn)?shù)，幀頭CRC用于校驗(yàn)傳輸中的錯(cuò)誤，周期計(jì)數(shù)器用來對(duì)通信周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。負(fù)載段占0～254 B，包括靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段，主要用來傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)該幀以靜態(tài)段傳輸時(shí)，可將負(fù)載部分的0～12 B設(shè)為網(wǎng)絡(luò)管理向量;當(dāng)該幀以動(dòng)態(tài)段傳輸時(shí)，可將0～1 B設(shè)為信息ID。幀尾為3 B的CRC，用來對(duì)幀頭、負(fù)載段的信息進(jìn)行校驗(yàn)。P=1時(shí)的FlexRay數(shù)據(jù)幀如圖1所示。

圖1 FlexRay數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of FlexRay data frame

2 網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的選擇

OSEK提供了直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理兩種機(jī)制［6－7］。由于間接網(wǎng)絡(luò)管理具有很大的局限性，它一般用于車身網(wǎng)絡(luò)的管理，基于OSEK Direct NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理已有初步研究。AUTOSAR NM規(guī)范是由AUTOSAR組織規(guī)定的。盡管OSEK NM與AUTOSAR NM最終網(wǎng)絡(luò)管理的目的是相同的，但在管理規(guī)范上卻有很大的不同，具體內(nèi)容如表1所示。由表1可知，AUTOSAR NM更適合用于時(shí)間觸發(fā)的FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)管理。

表1 OSEK NM與AUTOSAR NM規(guī)范對(duì)比Tab.1 Inter-comparison of specifications of OSEK NM and AUTOSAR NM

3 基于AUTOSAR NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理算法

AUTOSAR NM包括三種操作模式:休眠模式、同步模式和正常工作模式［8］。它采用分布式直接網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理行為，狀態(tài)轉(zhuǎn)換基于自身的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和接收到的網(wǎng)絡(luò)管理消息。節(jié)點(diǎn)接收到周期發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理消息，即表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)試圖保持網(wǎng)絡(luò)喚醒狀態(tài);若節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，則停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息，但只要接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理消息，就推后進(jìn)入休眠模式;若節(jié)點(diǎn)在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)接收不到網(wǎng)絡(luò)管理消息，就進(jìn)入休眠狀態(tài)。只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要通信，則所有節(jié)點(diǎn)必須保持喚醒狀態(tài);若網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)需要總線通信，則發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息，將網(wǎng)絡(luò)從總線休眠狀態(tài)喚醒。

3.2 NMPDU 格式

AUTOSAR把網(wǎng)絡(luò)管理消息定義為網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(network management protocol data unit，NMPDU)，它主要包括 NM-Vote PDU 和 NM-Data PDU［9－10］，其格式如圖2所示。

圖2 NMPDU格式Fig.2 NMPDU format

FlexRay NM支持NM-Vote和NM-Data的單獨(dú)發(fā)送，也允許NM-Vote和NM-Data結(jié)合成完整的NMPDU進(jìn)行發(fā)送，其靈活性設(shè)計(jì)主要是針對(duì)FlexRay總線協(xié)議制定的，為網(wǎng)絡(luò)管理信息的調(diào)度帶來很大便利。

圖2(a)中NA(not available)表示NA位不可用。當(dāng)NM-Vote PDU與NM-Data PDU在靜態(tài)段一起發(fā)送時(shí)，此位留給NM-Data PDU中的Control Bit Vector用。Vote是一個(gè)模式轉(zhuǎn)換位，1表示保持喚醒狀態(tài)，0表示反對(duì)保持喚醒狀態(tài)(請(qǐng)求休眠)。圖2(b)中NA也表示NA位不可用，當(dāng)NM-Data PDU與NM-Vote PDU在靜態(tài)段一起發(fā)送時(shí)，此位留給NM-Vote使用。R(reserve)保留位，為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展使用。RptMsgReq(repeat message request)為消息重發(fā)請(qǐng)求位，1表示請(qǐng)求重發(fā)，0表示不允許重發(fā)。完整的FlexRay NMPD應(yīng)該由控制域和數(shù)據(jù)域組成，即NM-Data PDU與NMVote PDU結(jié)合。

由以上分析可知，NM-Data PDU與NM-Vote PDU的結(jié)合實(shí)際上就是NM-Vote與NM-Data中控制位向量(control bit vector，CBV)相結(jié)合。結(jié)合后的完整NMPDU格式與NM-Data PDU格式相近，只是將Byte0的第七位NA換成Vote位。結(jié)合過程及結(jié)果如圖3所示。圖3是以加法形式表示的，“+”表示相加，“——”表示等于。圖中只給出了Byte0的結(jié)合，其他字節(jié)不變。

圖3 NM-Vote與CBV的結(jié)合示意圖Fig.3 Combination of NM-Vote and CBV

4 NMPDU的調(diào)度

4.1 調(diào)度方法的分類

FlexRay總線不支持事件觸發(fā)的不確定性報(bào)文，NMPDU必須通過周期性報(bào)文在確定的時(shí)間發(fā)送。在實(shí)際應(yīng)用中，不必在每個(gè)時(shí)槽中都添加網(wǎng)絡(luò)管理的內(nèi)容。因此，網(wǎng)絡(luò)管理周期設(shè)為FlexRay通信周期的整數(shù)倍，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理周期內(nèi)發(fā)送一次NM PDU。因?yàn)橐粋€(gè)動(dòng)時(shí)槽的ID可以分配給多個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以不同節(jié)點(diǎn)的NMPDU可以通過設(shè)定相同的幀ID，不同的周期計(jì)數(shù)值在多個(gè)通信周期的相同動(dòng)態(tài)時(shí)槽發(fā)送，提高了寬帶利用率。因此，不僅靜態(tài)段可以用來發(fā)送NMPDU，動(dòng)態(tài)段也可以用來發(fā)送。由于NMPDU格式和發(fā)送機(jī)制的靈活性，可以組合出NMPDU的多種調(diào)度方法，主要有以下五種:①NM-Vote與NM-Data結(jié)合，在靜態(tài)段發(fā)送;②NM-Vote與CBV結(jié)合在靜態(tài)段發(fā)送，NM-Data在動(dòng)態(tài)段發(fā)送;③NM-Vote與NM-Data結(jié)合，在動(dòng)態(tài)段發(fā)送;④ NM-Vote與NM-Data分別在動(dòng)態(tài)段發(fā)送;⑤NM-Vote在靜態(tài)段發(fā)送，NM-Data在動(dòng)態(tài)段發(fā)送。

4.2 調(diào)度方法的應(yīng)用

在進(jìn)行NMPDU的調(diào)度設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮對(duì)寬帶的有效利用，兼顧其硬件資源，又要盡量避免硬件資源的浪費(fèi)而用軟件去代替。FlexRay協(xié)議規(guī)定了負(fù)載段可選變量由數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀寫服務(wù)，由FlexRay通信控制器實(shí)現(xiàn)該功能。如使用靜態(tài)幀的網(wǎng)絡(luò)管理向量發(fā)送NMPDU，節(jié)點(diǎn)可通過讀取網(wǎng)絡(luò)管理向量寄存器，快速識(shí)別多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，提高網(wǎng)絡(luò)管理信息的更新速率。

本研究采用NMPDU長(zhǎng)度來確定每種調(diào)度方法的應(yīng)用。由于FlexRay協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)管理向量的長(zhǎng)度為0～12 B，且要求同一集群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)配置為相同長(zhǎng)度，因此，如果NMPDU的長(zhǎng)度較短，可利用網(wǎng)絡(luò)管理向量同應(yīng)用報(bào)文合并在一起發(fā)送(調(diào)度方法①)，避免寬帶的浪費(fèi)。如果NMPDU的長(zhǎng)度較長(zhǎng)但沒有超出網(wǎng)絡(luò)管理向量的范圍，應(yīng)采用將網(wǎng)絡(luò)管理向量與CBV的結(jié)合在靜態(tài)段與應(yīng)用報(bào)文一起發(fā)送，NM-Data在動(dòng)態(tài)段發(fā)送(調(diào)度方法②)。如果NMPDU的長(zhǎng)度超出網(wǎng)絡(luò)管理向量的范圍，可用專門的動(dòng)態(tài)幀發(fā)送NMPDU(調(diào)度方法③)。為保證周期性傳輸，將幀ID設(shè)為最小值1。

由于NMPDU最終要通過FlexRay總線傳輸，所以NMPDU必須映射成FlexRay總線數(shù)據(jù)幀格式。這部分工作主要由數(shù)據(jù)鏈路層完成，最后經(jīng)發(fā)送器發(fā)出，圖4給出了兩個(gè)映射后的標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

圖4 NMPDU映射后的格式Fig.4 The format of NMPDU mapped

4.3 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的設(shè)計(jì)

車載網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它所管理的節(jié)點(diǎn)無論從數(shù)量上還是狀態(tài)上都是實(shí)時(shí)變化的，本文提出一種NMPDU動(dòng)態(tài)調(diào)度方法來進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理。NMPDU的長(zhǎng)度是由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率決定的，當(dāng)FlexRay總線上工作的節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理事件比較單一，NMPDU就比較短;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理事件就比較復(fù)雜，這時(shí)需要的NMPDU長(zhǎng)度就會(huì)增加。如果整個(gè)過程中用定長(zhǎng)的NMPDU，則須兼顧二者，就可能達(dá)不到良好的效果或至少造成資源的浪費(fèi)。

本設(shè)計(jì)選擇網(wǎng)絡(luò)負(fù)載作為NMPDU長(zhǎng)度的衡量指標(biāo)，對(duì)NMPDU進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，因?yàn)閺木W(wǎng)絡(luò)負(fù)載的高低大致可以判斷網(wǎng)絡(luò)中工作節(jié)點(diǎn)的多少。首先選用網(wǎng)絡(luò)負(fù)載一級(jí)監(jiān)測(cè)函數(shù)(FrNm-Network Load1)，將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大致分為高、低兩個(gè)級(jí)別，并設(shè)置一個(gè)閾值加以區(qū)別。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于閾值時(shí)，F(xiàn)rNm-Network Load1為0，此時(shí)NMPDU較短，利用網(wǎng)絡(luò)管理向量同應(yīng)用報(bào)文合并在一起在靜態(tài)段發(fā)送;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高于閾值時(shí)，F(xiàn)rNm-Network Load1為1，此時(shí)需要進(jìn)行二級(jí)判別，選用網(wǎng)絡(luò)負(fù)載二級(jí)監(jiān)測(cè)函數(shù)(FrNm-Network Load2)。當(dāng)FrNm-Network Load2=0時(shí)，NMPDU較長(zhǎng)但沒有超出NM-Vector的范圍，將NM-Vote與CBV的結(jié)合在靜態(tài)段與應(yīng)用報(bào)文一起發(fā)送，NM-Data在動(dòng)態(tài)段發(fā)送;當(dāng)FrNm-Network Load2=1時(shí)，NMPDU應(yīng)配置為動(dòng)態(tài)幀。具體調(diào)度算法流程如圖5所示。

圖5 NMPDU動(dòng)態(tài)調(diào)度算法流程圖Fig.5 Flowchart of NMPDU dynamic scheduling algorithm

5 結(jié)束語

車載網(wǎng)絡(luò)管理不僅要具有基本網(wǎng)絡(luò)管理功能，還應(yīng)與其總線協(xié)議和通信方式相適應(yīng)，以降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度、減少資源占用率。就其基本規(guī)范而言，基于AUTOSAR NM的FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理具有如下優(yōu)勢(shì):①NMPDU通過周期性報(bào)文發(fā)送，不需要建立邏輯環(huán);②兼顧了FlexRay的兩種通信方式，靈活地使用了靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段;③合理應(yīng)用了靜態(tài)幀的網(wǎng)絡(luò)管理向量的優(yōu)勢(shì)，避免了資源的浪費(fèi)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文所研究的基于AUSTOR NM動(dòng)態(tài)調(diào)度策略來對(duì)NMPDU進(jìn)行靈活調(diào)度，解決了由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，而網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單一化而帶來的不足，為良好的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的進(jìn)一步制定和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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