TTCAN网络调度平台的设计优化.pdf

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 TTCAN 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 非周期性消息传感器节点 的消 息表 s 根据表 1 和表 2 ，可以设定周期性消息传感器节点 l 2个 ， 非周期性消息传感器节点 8个 ，总线波特率首先采用 1 M b i t s ( 经验值，如果效果不理想，可以调整) ，N T U=1 C A N的波特 率 ：1 1 M b i t s =1 s 因此，时窗的大小设置为 1 3 0 N T U s ，也 就是最大信息帧时间窗口为 1 3 0×1=1 3 0 p ,s 一般取信息帧窗 口为7 3×1= 7 3 s ，同步时间窗 口大小为 6 3 s 最大传输持 续时问为7 2 s ，按采样周期增大的方向对周期消息进行排序 T= ， ， = 2 ，2 ，2 ，4 ，4，4 ，4 ，4 ，6 ， 6 ，6 ，6I ，则基本周期 T E c：2 I l l s ， ：1 2 I n s ，n =6 ，f = ( 2 0 0 6 3 ) 0 0 7 3= 2 6个，矩阵最大行数 R =1 2 0 0 7 2 1 6 7 R = 6 ，并且周期性消息节点与非周期性消息节点总 个数为S=2 0个 1 6 43 5 7 8 图 8所示为各个传感器节点 与延 时时 间的曲线关 系图。由 图 8可知，传感器节点2的延时时间最短 ，而传感器节点 8的 延时时问最长。传感器节点的优先级越高，延时时间就越短， 而传感器节点的优先级越低，延时时间就越长。优化后的系统 仿真平台，各传感器节点的平均延时时间均降低了，系统仲裁 调度时问缩短了。说明通过动态优先级算法提升这种方法是一 种行之有效的方法。 图 8各个消息传感器节点的延时时间 4 结论 文中主要改进了T F C A N网络调度平台上的调度策略，并 通过遗传算法对系统矩阵进行优化，在一定程度上改进了系统 的性能 。最后利用 S i mu l i n k中 S t a t e fl o w工具 ，建立 了一个一般 工业控制现场 q q C A N网络系统的仿真模型。仿真结果表明改 进后的T T C A N网络调度平台的带宽利用率和总线通信量大大 提高了，同时减少了各周期消息传感器节点的响应时间并且降 低了非周期消息传感器节点的延时时间。 参考文献 ： 1 C o l i n R y a n ，D o n a l He ff e ma n C l o c k s y n c h r o n i z a t i o n o n m u l t i p l e ( 下转第 1 1 1页) 2 0 8 e 4 2 0 匿 蓝 窖 增刊 郭建高等：超宽温区负温度系数热敏电阻材料的开发 l 1 1 图 2阻温特性 曲线 L n R一 1 T 2 2材料常数计 算 材料常数 曰依公式 ( 1 )计算 曰 =器 · n ( 鲁 ) 式中： ， 为计算 B值所选择的两个相邻测试温度点，所 选测试温度点为 2 5，1 5 0 o C，3 0 0 o C，5 0 0，7 0 0，9 0 0 ，1 0 0 0 ，1 1 0 0；Rl ，R 2 为对应 l ， 时阻值。 2 3物相分析 图 3为合成烧结材料粉体的 X R D图谱。可以看出，按一 定化学计量 比混合的 Y 2 O 、C r O 3 、M n O ： 粉末在1 6 0 0若干 小时烧结合成得到了高阻抗相的结构的 Y ： 0 ，与钙钛矿结构的 Y C r 0 5 Mn o 5 O 3 的固溶体。 3 结论与展望 采用氧化物法、相应的预烧及烧结工艺，制备了新型的 N T C热敏电阻材料，材料在超宽温区内 ( 2 51 1 0 0 o C)具有良 好的阻温特性关系，材料常数 ， 她 = 3 5 0 0 - 5 5 0 0 K、岛 l 80 0 0 l 6 O 0 o 】 40 0D l 2O oo 1 0 0 0 0 8 0 0 0 g 6 0 0 0 二4 0 0 0 20 o0 O 2O 0o 2 0 ( d e g r e e ) 图 3 粉体 X R D衍射图谱 = 6 5 0 08 5 0 0 K，具有此材料常数的材料在 2 51 0 0 0 C的超 宽范围内稳定且灵敏性较好。材料经常温及高温老化后性能稳 定 ，尤其高温段阻值复现性极佳 ，误差在 3 以内。在此基础 上进行适当的材料配比及各工序工艺参数的调整将有望获得各 性能参数优良、可实现超宽温区精确测量的新型热敏电阻材 料 。 参考文献： 1 H OU I V E T D，B E R N A R D J ，H A U S S O N NE J MH i s h t e mp e r a t u r e N T C c e r a mi c r e s i s t o r s( a m b i e n t - 1 0 0 0 C) J o u rna l o f t h e E u r o p e a n C e r a mi c S o c i e t y ，2 0 0 4 ( 2 4) ：1 2 3 71 2 4 1 2 WAN G C C，A K B A R S A，C H E N W，e t a 1 Hi g h t e mp e r a t u r e the r mi s t o r s b a s e d o n y t t r i a a n d c a l c i u m z i r c o n a t e S e n s o r s a n d Ac t u a t o rs A ， 1 9 9 7， 5 8：2 3 7 2 4 3 作者简 介：郭建高 ( 1 9 8 0 一 ) ，在读硕士 ，目前主要从事热敏电阻材料 的研究 。E m a i l ：s u o j s o 1 1 6 3 c o m ( 上接第6 8页) TT CAN n e t wo r k c h a n n e l s Mi c r o p r o c e s s o r s an d Mi c r o s y s t e ms ，2 0 0 4， 2 6 ( 2 ) ：5 47 8 2 3 4 5 S h e h r y a r S h a h e e n， Do n a l He f f e ma n A g a t e wa y f o r t i met r i g g e r e d c o n t r o l n e t wo r k s Mi c r o p r oce s s o rs a n d Mi c r o s y s t e ms 2 0 0 7， 2 3 ( 1 ) ：1 2 63 1 7 王 国新 ，宁汝新 ，王爱民基 于仿真 的生产调度优化技术研究 计算机集成制造系统2 0 0 5 ，1 7 ( 5 ) ：7 8 9 9 王欢，王 丽芳TF C A N通 讯 网 络实 时 性 分 析高 技 术 通 信， 2 0 0 6，1 6 ( 8 ) ：8 3 08 3 3 G L e e n， D He f f e ma n TY C AN ： a n e w t i me - t rig g e r e d c o n t r o l l e r a r e a n e t wo r k 1 6 82 45 2 0 0 2，1 7 ( 6) 6 刘鲁源 ，万仁君 ，李斌T T C A N调 度算法及其在 汽车控制 系统 中的应用汽车工程2 0 0 5 ，3 1 ( 2 ) ：4 6 2 1 1 7 刘鲁源 ，李芳 ，吕伟杰 T Y C A N协议 的分析与展 望天津理工 大学学报 ，2 0 0 5，2 1 ( 3 ) ：2 O一 4 5 8 朱智 林 ，时 辰周 期 性 任 务调 度 的 装 箱 算法 计 算 机应 用 2 0 0 6，1 7 ( 2 ) ：3 3 6 7 作者简介 ：冯晓东 ( 1 9 7 0 一 ) ，博士 ，讲师 ，主要研究方向为智能检测 技术 、传感器 网络和现场总线技术 。 E- ma i l ： n 0 ne l 2 0 0 9 g ma i l t o m ( 上接第1 0 4页) 5 WAN G C T， WU c L E l e c t r i c al s e n s i n g p r o p e r t i e s o f s i l i c a a e r o g e l t h i n fil ms t o h u mi d i t y T h i n s 0 l i d F i l ms 。 2 0 0 64 9 6：6 5 8 6 Y A N G J ， HI D A J A T K，K A WI S S y n t h e s i s o f ll anOS n O 2 S B A一 1 5 c o mp o s i t e a s a h i g h l y s e n s i t i v e s e mi c o n d u c t o r o x i d e g a s l $ o r Ma t e fi als L e t t e r s，2 0 0 8，6 2：1 4 41 7 K I M TY， L E EDH，S H I MY C ，e t a 1 E ff e c t s o f alk a l i n e o x i d e a d - d i t i v e s o n t h e m i e r o s t mc t u r e a n d h u m i d i t y sen s i t i v i t y o f M g c r 2 0 4一 Ti O， S e n s Ac t u a t o r s B：Ch e m， 1 9 9 2，9：2 212 2 5 8 N E R I G，B O N A V I T A A，GA L V A G NO S ，e t a 1 H u mid i t y s e n s i n g p r o pe rti e s o f L i i r o n o x i d e b a s e d t h i n flms S e n s Ac t u a t o r s B： Ch e m，2 0 01，7 3：8 99 4 9 WA N G Z ， C H E N C ， Z H A N G T ，e t a 1 H u mid i t y s e n s i t i v e p r o per - t i e s of K 一 d o p e d n a n oc r y s t a l l i n e L a C o o 3 Fe 0 7 03 S e n s Ac t u a t o r s B：Ch e m， 2 0 0 7，1 2 6：6 7 86 8 3 作者简 介 ：贺 嫒( 1 9 8 3 一 ) ，在 读 博 士 ，研 究 方 向 为 湿 度 传 感 器。 E ma il ：h e y u a n j l u ed u e n