TTCAN网络调度平台的设计优化.pdf
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1、2 0 0 9年 增 刊 仪表 技术与 传 感 器 I n s t r u me n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r T T C AN网络调度平台的设计优化 冯晓 东,张争明,张刚 ( 北京化 工大 学信息科学与技术学 院,北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要 :T Y C A N是 近几年发展起 来并广泛应 用于汽 车以及其 它一般 工业控 制 系统的 实时传输协 议 。分析 了 T Y C A N 网络平台对于周期性消息及非周期性消息的调度策略,分别对其进行改进,并通过遗传算法对系统矩阵周期调度表进行 优化,之后利用 S i mu l i n k
2、中的S t a t e fl o w工具针对一般工业控制系统建立了T r C A N网络调度仿真平台,并对仿真平台进行 优化,优化后的仿真平台较好地提 高了网络系统带宽利用率,增大了总线通信量,降低了各传感器节点周期性消息的响 应 时间和非周期性消息的延时 时间,从 而改善 了网络 平台的通信 实时性 能。 关键词:调度策略;遗传算法;优化;仿真;传感器节点 中图分类号:T P 3 9 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 21 8 4 1( 2 0 0 9 )增 一 0 0 6 50 4 The De s i g n a nd Op t i mi z a t i o n o f TT
3、CAN Ne t wo r k Sc h e du l i n g Pl a t f o r m F E NG Xi a o d o n g , Z HANG Z h e n g mi n g , Z HANG Ga n g ( I n s t i t u t e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e& T e c h n o l o g y , B e i j i n g Un i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ,C h
4、i n a ) Ab s t r a c t : TY C AN i s a r e a l t i me t r a n s p o r t p r o t o c o l w h i c h i s d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s an d i s w i d e l y u s e d i n a u t o mo t i v e a n d o t h e r g e n e r al i n d u s t ri a l c o n t r o l s y s t e ms T h i s p a p e r a n aly z
5、 e s t h e s c h e d u l i n g s t r a t e g y i n t h e T Y C AN n e t w o r k p l a tf o r m f o r p e rio d i c me s s a g e a n d n o n p e r i o d i c me s s a g e an d i mp r o v e s t h e s c h e d u l i n g s tr a t e gy r e s p e c t i v e l y,a t t h e s a me t i me o p t i mi z e s t h e
6、s y s t e m ma t ri x t h r o u g h g e n e t i c a l g o rit h m,a n d t h e n u s e s t h e t o o l S t a t e fl o w i n t h e S i mu l i n k t O e s t a b l i s h a TF C AN n e t w o r k s c h e d u l i n g s i mu l a t i o n p l a t f o r m for g e n e r al i n d u s t r i al c o n t r o l s y s
7、 t e m,a n d o p t i mi z e s t h e p l a t f o rm ,t h e o p t i mi z e d s i mu l a t i o n p l a tf o rm b e t t e r i mp r o v e d t h e n e t w o r k S b a n d wi d t h u t i l i z a t i o n。an d i n c r e a s e d t h e b u s c o mmu n i c a t i o n s t r a t c ,r e d u c e d t h e r e s p o n
8、s e t i me o f t h e s e n s o r n o d e s p e ri o d i c me s s a g e an d t h e d e l a y t i me o f t h e s e n s o r n o d e s n o n p e r i o d i c me s s a g e C o n s e q u e n t l y ,t h i s o p t i mi z a t i o n i mp mv e d the n e t w o r k p l a tf o r m S r e al t i me c o mmu n i c a t
9、 i o n p e r f o r ma n c e Ke y wo r d s : s c h e d u l i n g alg o ri thm; GA; o p t i mi z a t i o n;s i mu l a t i o n; s e n s o r n o d e s 0 引言 T Y C A N是由时间触发 C A N报文传输的一种协议 J ,可以 实现 C A N的 x b y w i r e 应用。I T C A N协议本质上是一种基于 调度表的调度协议,利用这种协议组建的网络至少存在一个调 度器,进行安排网络内的所有传感器节点的发送时间。调度器 的调度表定义了各
10、传感器节点发送消息的时间,同时包括任务 被触发所需要的基本信息。当调度表被下载到各传感器节点控 制器中之后 ,各传感器节点只需知道何时发送消息,以及何时 总线上 的消息对 自己是有用 的。通过对 矩 阵周期 的循环 调度 , 来实现对T I C A N协议网络的调度。 文中首先简要介绍了 T I C A N的协议 ,以及调度矩阵的基 本形成方法,主要通过对调度策略优化 ,用遗传算法对系统矩 阵进行优化两方面进行改进 ,最后将算法应用于一般工业控制 现场实例,并给出了优化后的结果。 1 T T C A N 网络 调度 平台的设计优 化 1 1 初始矩阵周期的形成 1 1 1 时窗大小的确定 在
11、T Y C A N中,所有帧都是标准帧,而没有扩展帧。因此, 每个矩阵周期的时窗必须与 C A N的标准帧相对应。帧中的最 收稿 日期 :2 0 0 81 12 4 大长度并不是帧中所有位的简单加和。因为 C A N协议为了保 证时钟同步和实现位填充,强行加入了一些附加位。帧的大小 可以通过以下公式计算 : 最大帧长 : 3 4 _ +8 S m +4 7+8 S :最大帧长 ( b i t s ) ( 1 ) 式中:S 是 C A N中消息 m的数据域的字节数,在该系统 中m 取为 8 。 从式 ( 1 )可以得到,最大帧的大小为 1 3 0位。 1 1 2 初 始矩阵基 本参数的确定 参考
12、消息:参考消息为所有其它消息提供基准,参考消息 数据域包含至少 1字节 ( L e v e l 1 ) ,参考消息的最后 3位对发 送传感器节点的优先级进行编码。 参考消息 ( L e v e l 1 ) : 7 判断下一 E C是被当前事件触发还是继续当前 E C 6 保留位 0 5作为当前 E C的索引位 1 1 3 确 定矩阵周期的行数 和列数 首先 ,定义消息事件: J : ( , , - ; J r, , , , ) 式中:k ( 1 n R )为第 n个消息事件的个数 ;N为集合 中消息的个数 ,将消息事件按传输持续时间降序排列。 I n s t r u me n t T e c
13、h n i q u e a n d S e n s o r Oc t 2 0 0 9 T m = TI 矩阵最大行数 R = r m ,其中 为消息最大传输 时间,通过 2 =Rc ) 计算 S ij 中每个样本个体的适应度值 G i j ; 将 G ,G i l j 从小到大进行排列 G ,选出 a :S ij ; c o p y( S ij ) ; 按照 b的倍率进行复制 e x c h a n g e( S ) ; 按概率 P c 交叉 c h a n g e( Si j ) ; 按概率 P d变异 B e s t =M i n( Gi j ) ; 输 出最优个 体 增刊 冯晓东等 :T
14、 T C A N网络调度平台的设计优化 6 7 E U 按照适应度函数对初始系统矩阵周期进行优化 ,适应度函 数如下c : f i =R 0 1 1 n 一 ( 2 ) 【 s I 一 l =1 ,J R 式中: 为第 i 个消息的第 次消息实例的传输时刻;R 、C o l u m、T o lu 分别为系统矩阵周期 S M的行数、列数以及各时间窗 口的时间宽度 引。 当系统矩阵调度的实际传输时间最小,即 时为最优 值 ,也即需要的适应度函数最优解。 2 应用实例 一 般工业控制现场的消息集合如表 1 、表 2所示。 表 1 周期性消息传感器节点的发送周期与传输持续时间 s 表 2 非周期性消息
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