[发明专利]一种CAN总线主从应答模式协议的网络调度算法

说明书

技术领域

本发明涉及CAN总线分布式网络技术控制领域，更具体地说，尤其是在涉及到CAN总线网络中采用主从应答模式协议的网络调度算法。

背景技术

控制器局部网（Controller Area Network，CAN）由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制、太阳能充电系统等众多领域。

传统CAN总线本质上属于事件触发机制，截止访问采用CSMA的方式，当网络中总线发生冲突时，CAN总线利用非破坏性仲裁机制对消息优先级进行仲裁，优先级最高的消息获得总线进行发送消息。为确保可预知的消息通信及减少消息传输的延时，时间触发协议（Time Triggered CAN，TTCAN）对CAN协议进行了会话层的扩展。TTCAN采用TDMA的方式实现了对周期性消息的调度，TTCAN已被接受为ISO11898-4标准协议。TTCAN所构建的调度表中包含同步窗、独占窗和仲裁窗，同步窗用于实现网络时钟的同步；独占窗用于调度网络周期性消息；仲裁窗用于仲裁事件消息传输。

由于CAN总线只定义了物理层和链路层，应用层则留给用户自行定义。在TTCAN调度中，并没有针对网络中采用主从应答模式的应用协议进行说明。因此在实际采用主从应答模式的协议作为CAN总线网络协议时，存在两个不足：

（1）当主站发送请求消息至从节点后，从节点可能由于某些处理而延时了返回主站的应答消息，由于在统计网络信息时用户可能将请求和应答信息合并作为一条信息进行调度，但这种情况下，主站必须等待从站，此时存在很大的时间窗浪费。

（2）采用传统装箱算法生成的调度表，由于装箱算法是一个NDP（非确定性多项式）问题，即多项式时间内无法精确求解，因此生成的调度表并非是最优的，会引起多处时间窗的分配存在时间单元浪费的问题，此时总线为空闲态而无法用于其他信息传输。针对这一状况，目前已有采用遗传算法进行优化，但是遗传算法存在某些弊端。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种CAN总线主从应答模式协议的网络调度算法，旨在提高网络总线的利用率，减少响应等待时延，实现消息的合理调度。

本发明解决其技术问题所提出方案是：

本发明在TTCAN所提及的构建调度表的步骤中，针对消息采用传统的装箱算法生成调度表的过程中，提出一种“间隔式装箱算法”代替传统的装箱算法构造主从应答模式协议的网络调度表。此算法实现的依据是：请求消息MQ_i在发送后，由于应答具有一定的截止时间Di（一般等于其周期T_i），只要在D_i之前从节点返回应答消息即可。因此，在构造调度表时，请求消息MQ_i和应答消息MR_i可分开处理。实现的原理是：考虑到MQ_i发送后，由于从节点需要解包等处理某些任务而不能及时返回应答信息，因此并不立刻安排MRi的发送，而是在生成调度表时，分配MQ_i位置的相邻下一列时间窗分配给其余的消息，然后紧接着再安排MR_i的发送，这样可以充分利用总线，避免造成总线不必要的等待浪费。

本发明的技术方案，包括如下步骤：

步骤一：网络中所有节点广播竞争主节点，标识符最低（优先级最低）的节点将成为网络主节点；

步骤二：网络主节点广播统计信息，所有节点返回本节点的请求和应答消息；

步骤三：网络主节点根据统计的所有消息，采用“间隔式装箱算法”构造调度表；

步骤四：网络主节点采用遗传算法优化已构造的调度表；

步骤五：网络主节点将优化后的调度表信息发送至网络中的每个节点后，再广播参考消息开始网络消息调度；

步骤六：网络主节点在开始调度一段时间后，再次重复步骤二至步骤五，根据网络中节点运行情况及时更新调度表。

本发明技术方案步骤二中统计的消息包括网络节点的请求信息和对应应答节点的应答信息，包括的消息属性有：消息的传输时间长度、消息的周期、消息的编号。步骤三中，构造调度表时，需要满足的约束条件：请求和相应的应答消息必须间隔放置。

间隔式装箱算法构造调度表的过程如下：

（1）主节点根据收集的所有消息，计算调度表的周期、基本周期、调度表行数；