CN111817937B - 一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，通过一个给定的FlexRay总线网络，建立总线静态段时隙长度表达式和带宽利用率模型，得出影响总线静态段带宽利用率的因素为静态时隙长度与静态时隙数目，两者乘积越小则带宽利用率越大。故采用消息封装方法来将总线静态段的信号封装成消息帧，以此确定最优的静态时隙长度；采用消息调度方法来确定消息帧的发送时刻，通过时隙编号复用，减少静态时隙的使用数目，从而使静态时隙长度与数目的乘积最优。本发明方法不仅可以提高FlexRay总线静态段的带宽利用率和可扩展性，且方法在执行时间上效率更高。

Description

一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法。

背景技术

FlexRay总线相比CAN、LIN总线具有更高的传输速率和容错性，当网络中节点和信号数量不断增加时，可满足更高的通信传输需求。且FlexRay总线的通信协议决定了信号在静态段传输时具有较高的确定性和可靠性，因此网络中静态段设计是实现FlexRay总线通信功能和技术优势的关键。

FlexRay总线网络中的信号以消息帧的形式传输，故需确定静态段的参数设置方式，以便完成静态段消息帧的设计。现有研究成果在设计静态段时主要以提高静态段带宽利用率为目标，方法上以建立消息封装整数线性规划模型为主，求解最优静态时隙长度，对带宽利用率的提高有限，且信号数量多时算法求解难度极大。为进一步提高静态段带宽利用率和可扩展性，需考虑消息封装和调度相结合的方法，且采用效率更高的算法，降低求解难度，缩短方法执行时间。

发明内容

本发明的目的是为了实现上述目的，提供一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，以提高FlexRay总线静态段的带宽利用率和可扩展性，节约方法的执行时间，本发明所用的技术方案为：

一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，给定一个已知节点数n、总线通信周期T_C、信号信息的FlexRay总线网络；节点n_i上的信号定义为S_i,k(b_i,k,p_i,k,d_i,k)，其中b_i,k为信号的数据位长度，p_i,k为信号的发送周期，d_i,k为信号的截止期；将节点n_i上的信号封装成消息M_i,j(B_i,j,P_i,j,D_i,j)，B_i,j为消息上的负载段数据位长度，P_i,j为消息的发送周期，D_i,j为消息的截止期；用T_SS和N_SS分别表示该FlexRay总线网络的静态时隙长度和静态时隙数目；所述T_SS和N_SS两者乘积越小则带宽利用率越大，采用消息封装方法来将总线静态段的信号封装成消息帧，以此确定最优的静态时隙长度；采用消息调度方法来确定消息帧的发送时刻，通过时隙编号复用，减少静态时隙的使用数目，从而使静态时隙长度与数目的乘积最优，以提高FlexRay总线静态段的带宽利用率和可扩展性，节约方法的执行时间。

一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，包括以下步骤：

S1.建立静态时隙长度T_SS计算公式：

确定FlexRay总线静态段传输起始序列TSS、帧起始序列FSS、字节起始序列BSS、帧结束序列FES、通信空闲分隔符CID和动作点偏移量APO的数值，以及FlexRay总线宏节拍MT和带宽C的数值，并用M_max表示整个FlexRay总线网络静态段中最长的消息，其负载段数据长度为B_max，则可计算静态时隙长度T_SS为：

式中：B_max、L_BSS、L_TSS、L_FSS、L_FES和L_CID以位为单位，T_APO的单位为宏节拍，gdBit为传输一位所需的时间，即存在gdBit＝1/C，C为FlexRay的带宽；

S2.建立静态段带宽利用率计算公式：

以一个超周期T_SP为基础建立FlexRay网络静态段带宽利用率模型，超周期取值为所有消息发送周期的最小公倍数LCM，其时间长度表示为T_SP＝LCM(P_i,j)，同时FlexRay通信周期长度取值为所有消息发送周期的最大公约数GCD，即T_C＝GCD(P_i,j)；则一个超周期下的FlexRay总线静态段带宽利用率为：

S3.消息封装前的网络约定：

对FlexRay总线网络作出约定：FlexRay网络通信过程中，不出现消息发送失败或数据传输错误的故障；FlexRay网络中所有信号的数据位长度、发送周期和截止时间都是已知的，并且规定信号的截止时间与发送周期相等，即d_i,k＝p_i,k；FlexRay网络中只有同一节点的信号才能被封装为一帧消息，每个信号只能唯一地封装到一个消息中；故每个静态段消息的发送周期P_i,j即为该消息内信号发送周期的最小值：

S4.根据信号发送周期确定各节点信号集合及静态时隙长度上下限范围：

将节点n_i上的信号根据发送周期p分成若干个集合

每个集合可视为一个整体，集合的数据长度为组内信号数据位长度之和

按长度值将各集合从大到小排列；定义静态时隙长度的上限为：网络中每个节点的所有信号各封装为一个消息时，信号数据位长度之和最大的消息帧长度，数据位长度之和最大值表示为

定义静态时隙长度的下限为：网络中数据位最长的信号集合封装编码之后的消息帧长度，该信号集合数据位长度之和表示为

则静态时隙长度的取值范围表示为：

S5.采用FFD算法的消息封装方法：

在T_SS的上下限范围之内，将FlexRay总线网络中各节点的信号集合通过首次适应降序算法FFD进行消息封装，计算和比较不同长度静态时隙下的静态段带宽利用率SSBU，得到最优的静态时隙长度

和静态段最大带宽利用率SSBU^best。

S6.消息调度前的网络约定及采用FID复用的消息调度方法：

采用静态时隙编号FID复用的方式调度已经封装好的FlexRay总线消息帧，为每个消息确定发送时刻和FID，得到最少的FID使用数量，从而确定最少的静态时隙数目；为了实现FID复用，对网络内的消息作出约定：不同消息使用相同的FID时，对处在FlexRay网络的不同发送周期，且在任一发送周期中，消息发送互不受影响；消息发送的基周期BP不受限制，即消息共用FID发送时的初始周期可设置为FlexRay网络的非首轮通信循环。

步骤S5中所述通过首次适应降序算法FFD进行消息封装，具体过程为：

1)根据各节点信号周期和长度，将周期相同的信号分成若干个集合，计算各集合的数据长度，并按长度值由大到小排列；

2)根据步骤S4中所述方法确定静态时隙长度T_SS的上下限，如式(1.4)所示；

3)设T_SS的当前值为

并且初始化

4)在每个节点n_i中，使用FFD算法对信号进行封装，迭代运算时每次对

增加两个字节的时间长度，即

5)根据获得的消息封装结果，计算当前封装方式下的静态段带宽利用率SSBU^cur；

6)重复步骤(4)和(5)，对比得到带宽利用率的最大值SSBU^best，同时得到最优的静态时隙长度

步骤S6中所述的FID复用方法，具体内容包括：

由FlexRay网络超周期长度T_SP和通信周期长度T_C可得到FlexRay网络在一个超周期下的通信循环CC的次数为：

则CC的取值范围为

且根据FlexRay协议可知N_CC≤64；静态段消息调度是在每个CC中为网络内消息分配合适的FID，并确定各消息的基周期和发送时刻；对于FlexRay网络中封装好的消息帧，按发送周期由小到大排列；所述FID复用方法在FID的分配时遵循以下四个规则：

1)消息M_i,j的发送周期P_i,j与FlexRay网络的通信周期长度T_C相等时，即P_i,j＝T_C，应单独为B_i,j分配唯一的FID，不采用时隙复用；

2)发送周期P_i,j＞T_C时，优先将发送周期P_i,j相同的消息M_i,j分配同一个FID，但各消息的基周期不同；其次P_i,j呈倍数关系的消息M_i,j也可分配同一个FID，但各消息的基周期不同；

3)发送周期P_i,j＞T_C时，若两个消息的发送周期P_i,j具有除去1以外的同一个公约数，则两个消息可分配相同的FID，但各消息的基周期不同；若多个消息的发送周期P_i,j具有除去1以外的同一个公约数，则这几个消息可分配相同的FID，但各消息的基周期不同；

4)同一个FID下，各消息的发送周期倒数之和应小于等于1，即：

当

时，该FID在所有发送周期都处于使用状态；

根据上述FID分配方法，若符合规则1)情况的消息数量为N_A，符合规则2)情况的消息数量为N_B,符合规则3)情况的消息数量为N_C,其余不能使用FID复用的消息数量为N_D，可得到FlexRay网络静态段所需的FID个数最少为：

由通信协议可得，FlexRay总线静态段所需时隙个数最少为：

N_SS＝N_FID (3.3)

本发明的有益效果在于：

1)本发明的方法可以将FlexRay总线静态段传输的信号封装成消息帧，并分配好静态时隙编号，确定了每条消息帧在各个通信周期中的发送时刻；

2)本发明的方法可以得到FlexRay总线静态段的最优静态时隙长度和最少静态时隙数量，从而通过相关参数配置提高了总线静态段的带宽利用率和可扩展性；

3)本发明的方法在执行时间方面具有优势，算法求解效率高。

附图说明

图1为本发明一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法方法流程图；

图2为本发明一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法中采用FFD算法的消息封装步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：参见图1-2。

一个实际应用的汽车FlexRay总线网络，网络中包含4个通信节点，其节点信号如表1所示。

表1 FlexRay总线网络信号

根据本专利方法来设计该FlexRay总线网络静态段消息帧和通信参数，按照图1所示的FlexRay总线静态段消息封装和调度方法处理该网络中的信号，其流程包括：

1)建立静态时隙长度计算公式；

2)建立静态段带宽利用率计算公式；

3)消息封装前的网络约定；

4)根据信号发送周期确定各节点信号集合；

5)确定静态时隙长度上下限范围；

6)采用FFD算法的消息封装方法；

7)消息调度前的网络约定；

8)采用FID复用的消息调度方法。

上述流程中采用FFD算法进行消息封装的过程如图2所示，具体步骤包括：

1)根据各节点信号周期和长度，将周期相同的信号分成若干个集合，计算各集合的数据长度，并按长度值由大到小排列；

2)确定静态时隙长度的上下限范围；

3)设置静态时隙长度的初始值，取值为静态时隙长度的下限值；

4)在每个节点中，使用FFD算法对信号进行封装，迭代运算时每次对静态时隙长度增加两个字节(一个字)的时间长度；

5)获得消息封装结果，计算当前封装方式下的静态段带宽利用率；

6)重复步骤(4)和(5)，对比得到带宽利用率的最大值，同时得到最优的静态时隙长度。

根据上述步骤，先对表格中的信号按不同节点整理，将发送周期相同的信号分成若干个集合，并对集合数据位长度进行计算，得到表2。

表２ FlexRay总线网络信号集合

由表2可知，各节点信号集合中的数据长度最大值为56，各节点数据总长度最大值为206位，设静态时隙长度计算时的相关参数如表3所示，则可分别得到FlexRay总线网络静态段时隙长度的上下限：

将各节点信号集合按长度由大到小排列，初始化静态时隙长度

采用图2算法对信号进行封装，在20≤T_SS≤38范围内寻找使SSBU最大的消息封装方式，封装结果如表4所示。由消息封装结果可知，消息封装后的FlexRay网络静态时隙长度为

此时超周期T_SP＝8ms，FlexRay通信周期T_C＝1ms，未进行FID复用时的静态段带宽利用率最大值SSBU^best＝15.04％。

表3 FlexRay网络参数

表４封装后的FlexRay总线网络消息帧

对封装后的消息进行FID的分配，使每个静态时隙能够做到利用最大化，并在一个超周期下的通信循环中确定各消息的基周期和发送时刻，FID分配结果如表5所示。由表4可知，调度优化后的FlexRay网络FID只需5个，即静态时隙数量也为5，此时静态段带宽利用率最大值SSBU^best＝21.05％。

表5调度后的FlexRay总线网络FID分配

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，其特征在于，给定一个已知节点数n、总线通信周期T_C、信号信息的FlexRay总线网络；节点n_i上的信号定义为S_i,k(b_i,k,p_i,k,d_i,k)，其中b_i,k为信号的数据位长度，p_i,k为信号的发送周期，d_i,k为信号的截止期；将节点n_i上的信号封装成消息M_i,j(B_i,j,P_i,j,D_i,j)，B_i,j为消息上的负载段数据位长度，P_i,j为消息的发送周期，D_i,j为消息的截止期；用T_SS和N_SS分别表示该FlexRay总线网络的静态时隙长度和静态时隙数目；所述T_SS和N_SS两者乘积越小则带宽利用率越大，采用消息封装方法来将总线静态段的信号封装成消息帧，以此确定最优的静态时隙长度；采用消息调度方法来确定消息帧的发送时刻，通过时隙编号复用，减少静态时隙的使用数目，从而使静态时隙长度与数目的乘积最优，以提高FlexRay总线静态段的带宽利用率和可扩展性，节约方法的执行时间。

2.根据权利要求1中所述的一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立静态时隙长度T_SS计算公式：

确定FlexRay总线静态段传输起始序列TSS、帧起始序列FSS、字节起始序列BSS、帧结束序列FES、通信空闲分隔符CID和动作点偏移量APO的数值，以及FlexRay总线宏节拍MT和带宽C的数值，并用M_max表示整个FlexRay总线网络静态段中最长的消息，其负载段数据长度为B_max，则可计算静态时隙长度T_SS为：

式中：B_max、L_BSS、L_TSS、L_FSS、L_FES和L_CID以位为单位，T_APO的单位为宏节拍，gdBit为传输一位所需的时间，即存在gdBit＝1/C，C为FlexRay的带宽；

S2.建立静态段带宽利用率计算公式：

以一个超周期T_SP为基础建立FlexRay网络静态段带宽利用率模型，超周期取值为所有消息发送周期的最小公倍数LCM，其时间长度表示为T_SP＝LCM(P_i,j)，同时FlexRay通信周期长度取值为所有消息发送周期的最大公约数GCD，即T_C＝GCD(P_i,j)；则一个超周期下的FlexRay总线静态段带宽利用率为：

S3.消息封装前的网络约定：

对FlexRay总线网络作出约定：FlexRay网络通信过程中，不出现消息发送失败或数据传输错误的故障；FlexRay网络中所有信号的数据位长度、发送周期和截止时间都是已知的，并且规定信号的截止时间与发送周期相等，即d_i,k＝p_i,k；FlexRay网络中只有同一节点的信号才能被封装为一帧消息，每个信号只能唯一地封装到一个消息中；故每个静态段消息的发送周期P_i,j即为该消息内信号发送周期的最小值：

S4.根据信号发送周期确定各节点信号集合及静态时隙长度上下限范围：

将节点n_i上的信号根据发送周期p分成若干个集合{S_i,k}_pi,k＝p，每个集合可视为一个整体，集合的数据长度为组内信号数据位长度之和

按长度值将各集合从大到小排列；定义静态时隙长度的上限为：网络中每个节点的所有信号各封装为一个消息时，信号数据位长度之和最大的消息帧长度，数据位长度之和最大值表示为

定义静态时隙长度的下限为：网络中数据位最长的信号集合封装编码之后的消息帧长度，该信号集合数据位长度之和表示为

则静态时隙长度的取值范围表示为：

S5.采用FFD算法的消息封装方法：

在T_SS的上下限范围之内，将FlexRay总线网络中各节点的信号集合通过首次适应降序算法FFD进行消息封装，计算和比较不同长度静态时隙下的静态段带宽利用率SSBU，得到最优的静态时隙长度

和静态段最大带宽利用率SSBU^best；

S6.消息调度前的网络约定及采用FID复用的消息调度方法：

采用静态时隙编号FID复用的方式调度已经封装好的FlexRay总线消息帧，为每个消息确定发送时刻和FID，得到最少的FID使用数量，从而确定最少的静态时隙数目；为了实现FID复用，对网络内的消息作出约定：不同消息使用相同的FID时，对处在FlexRay网络的不同发送周期，且在任一发送周期中，消息发送互不受影响；消息发送的基周期BP不受限制，即消息共用FID发送时的初始周期可设置为FlexRay网络的非首轮通信循环。

3.根据权利要求2中所述的一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，其特征在于，步骤S5中所述通过首次适应降序算法FFD进行消息封装，具体过程为：

1)根据各节点信号周期和长度，将周期相同的信号分成若干个集合，计算各集合的数据长度，并按长度值由大到小排列；

2)根据步骤S4中所述方法确定静态时隙长度T_SS的上下限，如式(1.4)所示；

3)设T_SS的当前值为

并且初始化

4)在每个节点n_i中，使用FFD算法对信号进行封装，迭代运算时每次对

增加两个字节的时间长度，即

5)根据获得的消息封装结果，计算当前封装方式下的静态段带宽利用率SSBU^cur；

6)重复步骤(4)和(5)，对比得到带宽利用率的最大值SSBU^best，同时得到最优的静态时隙长度

4.根据权利要求2中所述的一种FlexRay总线静态段消息封装和调度方法，其特征在于，步骤S6中所述的FID复用方法，具体内容包括：

由FlexRay网络超周期长度T_SP和通信周期长度T_C可得到FlexRay网络在一个超周期下的通信循环CC的次数为：

则CC的取值范围为CC₀,CC₁,...,

且根据FlexRay协议可知N_CC≤64；静态段消息调度是在每个CC中为网络内消息分配合适的FID，并确定各消息的基周期和发送时刻；对于FlexRay网络中封装好的消息帧，按发送周期由小到大排列；所述FID复用方法在FID的分配时遵循以下四个规则：

1)消息M_i,j的发送周期P_i,j与FlexRay网络的通信周期长度T_C相等时，即P_i,j＝T_C，应单独为B_i,j分配唯一的FID，不采用时隙复用；

2)发送周期P_i,j＞T_C时，优先将发送周期P_i,j相同的消息M_i,j分配同一个FID，但各消息的基周期不同；其次P_i,j呈倍数关系的消息M_i,j也可分配同一个FID，但各消息的基周期不同；

3)发送周期P_i,j＞T_C时，若两个消息的发送周期P_i,j具有除去1以外的同一个公约数，则两个消息可分配相同的FID，但各消息的基周期不同；若多个消息的发送周期P_i,j具有除去1以外的同一个公约数，则这几个消息可分配相同的FID，但各消息的基周期不同；

4)同一个FID下，各消息的发送周期倒数之和应小于等于1，即：

当

时，该FID在所有发送周期都处于使用状态；

根据上述FID分配方法，若符合规则1)情况的消息数量为N_A，符合规则2)情况的消息数量为N_B,符合规则3)情况的消息数量为N_C,其余不能使用FID复用的消息数量为N_D，可得到FlexRay网络静态段所需的FID个数最少为：

由通信协议可得，FlexRay总线静态段所需时隙个数最少为：

N_SS＝N_FID (3.3)。

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