【研发日记】Matlab/Simulink软件优化(二)——通信负载柔性均衡算法

news2024/11/26 17:34:42

文章目录

前言

背景介绍

初始代码

优化代码

分析和应用

总结

前言

        见《【研发日记】Matlab/Simulink软件优化(一)——动态内存负荷压缩》

背景介绍

        在一个嵌入式软件开发项目中，需要设计一个ECU节点的CAN网路数据发送，需求是在500k的通信波特率上，动态发送10到40帧报文，发送一轮的时间最长不能超过50ms。示例如下：

初始代码

        一开始算法开发的思路非常简单，就是设置一个50ms的任务，用for循环把要发送的数据装入CAN发送Buffer。示例如下：

        以上模型生成的代码如下：


#include "untitled.h"
#include "untitled_private.h"

/* Block signals (default storage) */
B_untitled_T untitled_B;

/* Block states (default storage) */
DW_untitled_T untitled_DW;

/* Real-time model */
static RT_MODEL_untitled_T untitled_M_;
RT_MODEL_untitled_T *const untitled_M = &untitled_M_;

/* Model step function */
void untitled_step(void)
{
  int32_T i;
  int32_T rtb_Gain;
  int32_T s6_iter;
  char_T *sErr;
  void *inputMsgRef;

  /* Outputs for Enabled SubSystem: '<Root>/Subsystem' incorporates:
   *  EnablePort: '<S3>/Enable'
   */
  /* RelationalOperator: '<S1>/Compare' incorporates:
   *  Constant: '<S1>/Constant'
   *  UnitDelay: '<S2>/Output'
   */
  if (untitled_DW.Output_DSTATE == 0) {
    if (!untitled_DW.Subsystem_MODE) {
      /* Enable for Iterator SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
      /* Enable for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
      LibReset(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
      LibStart(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
      if (*sErr != 0) {
        rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
        rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
      }

      /* End of Enable for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      /* End of Enable for SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
      untitled_DW.Subsystem_MODE = true;
    }

    /* Outputs for Iterator SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' incorporates:
     *  ForIterator: '<S6>/For Iterator'
     */
    for (s6_iter = 0; s6_iter < 40; s6_iter++) {
      /* Gain: '<S6>/Gain' */
      rtb_Gain = s6_iter << 3;
      for (i = 0; i < 8; i++) {
        /* Selector: '<S6>/Selector' incorporates:
         *  Constant: '<Root>/Constant'
         */
        untitled_B.Selector[i] = untitled_ConstP.Constant_Value[i + rtb_Gain];
      }

      /* S-Function (scanpack): '<S6>/CAN Pack' */
      /* S-Function (scanpack): '<S6>/CAN Pack' */
      untitled_B.CANPack.ID = 10U;
      untitled_B.CANPack.Length = 8U;
      untitled_B.CANPack.Extended = 0U;
      untitled_B.CANPack.Remote = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[0] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[1] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[2] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[3] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[4] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[5] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[6] = 0;
      untitled_B.CANPack.Data[7] = 0;

      {
        (void) memcpy((untitled_B.CANPack.Data), &untitled_B.Selector[0],
                      8 * sizeof(uint8_T));
      }

      /* S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);

      /* S-Function (scanpack): '<S6>/CAN Pack' incorporates:
       *  S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit'
       */
      inputMsgRef = &untitled_B.CANPack;

      /* S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      LibOutputs_CANTransmit(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U],
        inputMsgRef, 1);
      if (*sErr != 0) {
        rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
        rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
      }
    }

    /* End of Outputs for SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
  } else {
    if (untitled_DW.Subsystem_MODE) {
      /* Disable for Iterator SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
      /* Disable for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
      LibReset(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
      if (*sErr != 0) {
        rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
        rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
      }

      /* End of Disable for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
      /* End of Disable for SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
      untitled_DW.Subsystem_MODE = false;
    }
  }

  /* End of RelationalOperator: '<S1>/Compare' */
  /* End of Outputs for SubSystem: '<Root>/Subsystem' */

  /* Switch: '<S5>/FixPt Switch' incorporates:
   *  Constant: '<S4>/FixPt Constant'
   *  Constant: '<S5>/Constant'
   *  Sum: '<S4>/FixPt Sum1'
   *  UnitDelay: '<S2>/Output'
   */
  if ((uint8_T)(untitled_DW.Output_DSTATE + 1U) > 49) {
    untitled_DW.Output_DSTATE = 0U;
  } else {
    untitled_DW.Output_DSTATE++;
  }

  /* End of Switch: '<S5>/FixPt Switch' */
}

/* Model initialize function */
void untitled_initialize(void)
{
  {
    int32_T bitParams[4];
    char_T *sErr;

    /* Start for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
    sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    CreateHostLibrary("slhostlibcantransmit.dll",
                      &untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    if (*sErr == 0) {
      bitParams[0U] = 1;
      bitParams[1U] = 4;
      bitParams[2U] = 3;
      bitParams[3U] = 1;
      LibCreate_CANTransmit(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U], "vector",
                            "slvectorxlwrapper.dll", "Virtual", 0, 1, 1, 1,
                            "canslconverter", "vectorxlplugin", 500000.0,
                            &bitParams[0U], 0, 0, 0, 1.0, 0);
    }

    if (*sErr == 0) {
      LibStart(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    }

    if (*sErr != 0) {
      rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
      rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
    }

    /* End of Start for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
    /* End of SystemInitialize for SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
    /* End of SystemInitialize for SubSystem: '<Root>/Subsystem' */
  }
}

/* Model terminate function */
void untitled_terminate(void)
{
  char_T *sErr;

  /* Terminate for Enabled SubSystem: '<Root>/Subsystem' */
  /* Terminate for Iterator SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
  /* Terminate for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
  sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
  LibTerminate(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
  if (*sErr != 0) {
    rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
    rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
  }

  LibDestroy(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U], 0);
  DestroyHostLibrary(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);

  /* End of Terminate for S-Function (svntcantransmit): '<S6>/CAN Transmit' */
  /* End of Terminate for SubSystem: '<S3>/For Iterator Subsystem' */
  /* End of Terminate for SubSystem: '<Root>/Subsystem' */
}

        按照上述示例生成的代码，调试时监测到CAN网络上的瞬时负载率，在0%和100%之间来回跳变。0%和100%各自占用一段时间，两者的比例随着发送报文数量的多少变化。当报文数为最大的40帧时，100%瞬时负载率会持续10ms左右，如下图所示：

        分析上述网络通信的特点，100%瞬时负载率持续的10ms时间段里，肯定会有其他ECU节点也发出报文，这时候CAN网络就会自动根据ID的优先级分配谁先发，谁等待后发，即出现冲突抢占现象。在CAN网络中如果冲突抢占是偶发的，那就不会有太大影响，但是如果冲突抢占是持续的，那就不是我们希望看到的了。

优化代码

        根据对上述问题的分析，我们发现每个50ms周期里边都还有至少40ms是没有利用的，那么只要把前面拥挤的报文分散开到后面一部分，就能解决前面的问题了。然后如果还有剩余的时间没有利用，那么我们就柔性地缩短50ms的周期时长，提高数据发送的频率。这样既能解决前面的问题，又能把总线资源充分利用起来，用于提高我们网络通信的性能。示例如下：

        以上模型生成的代码如下：

#include "untitled.h"
#include "untitled_private.h"

/* Named constants for Chart: '<S1>/Chart' */
#define untitled_IN_a                  ((uint8_T)1U)
#define untitled_IN_a1                 ((uint8_T)2U)

/* Block signals (default storage) */
B_untitled_T untitled_B;

/* Block states (default storage) */
DW_untitled_T untitled_DW;

/* Real-time model */
static RT_MODEL_untitled_T untitled_M_;
RT_MODEL_untitled_T *const untitled_M = &untitled_M_;

/* Model step function */
void untitled_step(void)
{
  real_T rtb_Gain;
  int32_T i;
  char_T *sErr;
  void *inputMsgRef;

  /* Chart: '<S1>/Chart' incorporates:
   *  Constant: '<Root>/Constant3'
   */
  if (untitled_DW.is_active_c3_untitled == 0U) {
    untitled_DW.is_active_c3_untitled = 1U;
    untitled_DW.is_c3_untitled = untitled_IN_a;
    untitled_B.FrameIndex = 0.0;
  } else if (untitled_DW.is_c3_untitled == untitled_IN_a) {
    untitled_DW.is_c3_untitled = untitled_IN_a1;
    untitled_B.FrameIndex++;
  } else {
    /* case IN_a1: */
    if (untitled_B.FrameIndex >= 39.0) {
      untitled_DW.is_c3_untitled = untitled_IN_a;
      untitled_B.FrameIndex = 0.0;
    }
  }

  /* End of Chart: '<S1>/Chart' */

  /* Gain: '<S1>/Gain' */
  rtb_Gain = 8.0 * untitled_B.FrameIndex;
  for (i = 0; i < 8; i++) {
    /* Selector: '<S1>/Selector' incorporates:
     *  Constant: '<Root>/Constant2'
     */
    untitled_B.Selector[i] = untitled_ConstP.Constant2_Value[i + (int32_T)
      rtb_Gain];
  }

  /* S-Function (scanpack): '<S1>/CAN Pack' */
  /* S-Function (scanpack): '<S1>/CAN Pack' */
  untitled_B.CANPack.ID = 10U;
  untitled_B.CANPack.Length = 8U;
  untitled_B.CANPack.Extended = 0U;
  untitled_B.CANPack.Remote = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[0] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[1] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[2] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[3] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[4] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[5] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[6] = 0;
  untitled_B.CANPack.Data[7] = 0;

  {
    (void) memcpy((untitled_B.CANPack.Data), &untitled_B.Selector[0],
                  8 * sizeof(uint8_T));
  }

  /* S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
  sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);

  /* S-Function (scanpack): '<S1>/CAN Pack' incorporates:
   *  S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit'
   */
  inputMsgRef = &untitled_B.CANPack;

  /* S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
  LibOutputs_CANTransmit(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U], inputMsgRef,
    1);
  if (*sErr != 0) {
    rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
    rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
  }
}

/* Model initialize function */
void untitled_initialize(void)
{
  {
    int32_T bitParams[4];
    char_T *sErr;

    /* Start for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
    sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    CreateHostLibrary("slhostlibcantransmit.dll",
                      &untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    if (*sErr == 0) {
      bitParams[0U] = 1;
      bitParams[1U] = 4;
      bitParams[2U] = 3;
      bitParams[3U] = 1;
      LibCreate_CANTransmit(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U], "vector",
                            "slvectorxlwrapper.dll", "Virtual", 0, 1, 1, 1,
                            "canslconverter", "vectorxlplugin", 500000.0,
                            &bitParams[0U], 0, 0, 0, 1.0, 0);
    }

    if (*sErr == 0) {
      LibStart(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    }

    if (*sErr != 0) {
      rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
      rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
    }

    /* End of Start for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */

    /* Enable for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
    sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    LibReset(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    LibStart(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
    if (*sErr != 0) {
      rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
      rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
    }

    /* End of Enable for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
  }
}

/* Model terminate function */
void untitled_terminate(void)
{
  char_T *sErr;

  /* Terminate for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
  sErr = GetErrorBuffer(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
  LibTerminate(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);
  if (*sErr != 0) {
    rtmSetErrorStatus(untitled_M, sErr);
    rtmSetStopRequested(untitled_M, 1);
  }

  LibDestroy(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U], 0);
  DestroyHostLibrary(&untitled_DW.CANTransmit_CANTransmit[0U]);

  /* End of Terminate for S-Function (svntcantransmit): '<S1>/CAN Transmit' */
}

        按照上述示例生成的代码，调试时监测到CAN网络上的瞬时负载率非常均匀地保持在25%左右。并且不管报文数量的如何变化，软件都能自动地柔性处理，既不会负载率过高，也不会总线资源浪费，同时又能将报文频率性能发挥到最大。如下图所示：

        分析上述网络通信的特点，已实现了项目中的需求，同时也利用通信负载柔性均衡算法把性能发挥到了最优。

分析和应用

        通信负载均衡，在不同的软件开发项目中重要性是不一样的。一种是实时性要求高的的应用（例如底盘控制），每一帧消息都要在准确的时间发送出去，不允许冲突抢占导致的延误。另一种是网络通信资源非常小的总线（例如低速CAN），单位时间内能发送的报文数量本来就比较少，所以更要仔细计算充分利用，要不然很容易因为负载不均衡导致报文阻塞。

        使用通信负载柔性均衡算法时，需要注意如下几点：

        1、不同波特率，理想负载率下，单位时间对应的报文数量需要仔细的计算，才能设定出最优的算法。例如：500k波特率，在25%理想负载率下，1ms对应的报文数量就是1帧。同理如果1M波特率，那么1ms对应的报文数量就是2帧。

        2、计算好最优的理论算法之后，还要更具自己处理器的性能，设定一个合适的控制粒度。例如：自己的软件最快可以1ms运算一圈，那么就可以1ms控制一次发送1帧或者2帧。如果自己的软件最快只能5ms运算一圈，那么同理就5ms控制一次发送5帧或者10帧。这里的控制粒度越小，负载均衡的效果也越好，但是并非所有的平台都能达到理论极限，只要在自己平台的基础上发挥到最优即可。

        3、对于有网络管理机制的应用场景，需求方可能不希望我们的50ms周期发生变化。例如，网络上的主ECU节点利用同步信号，控制着各个从ECU节点分别占用这50ms中的一小段。当我们自己节点的报文发送完之后，需要等着下一个50ms的到来，或者下一个同步信号的到来。这时候就要把FrameIndex的循环Limit固定成50ms，然后在Transmit模块上加一个使能条件FrameIndex < FrameNum。这样也能达到我们通信负载柔性均衡的目的，同时也满足主ECU节点的网络管理。

总结

        以上就是本人在嵌入式软件开发中处理通信负载率不均衡问题时，一些个人理解和分析的总结，首先介绍了它的背景情况，然后展示它的初始设计和优化设计，最后分析了通信负载均衡算法的注意事项和应用场景。

        后续还会分享另外几个最近总结的软件优化知识点，欢迎评论区留言、点赞、收藏和关注，这些鼓励和支持都将成文本人持续分享的动力。

        另外，上述例程使用的Demo工程，可以到笔者的主页查找和下载。

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目录 前言一、什么是地平面识别&#xff1f;二、使用步骤三、示例代码四、效果五、总结 前言 在增强现实&#xff08;AR&#xff09;应用程序的开发中&#xff0c;地平面识别是一项关键技术&#xff0c;它允许虚拟对象与现实世界的地面进行互动。Vuforia 是一个功能强大的 AR …
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SpringBoot引入WebSocket依赖报ServerContainer no avaliable

SpringBoot引入WebSocket依赖报ServerContainer no avaliable

1、WebSocketConfig 文件报错 Configuration EnableWebSocket public class WebSocketConfig {Beanpublic ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {return new ServerEndpointExporter();}2、报错内容 Exception encountered during context initialization - canc…
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UFS协议—新手快速入门（二）【5-6】

UFS协议—新手快速入门（二）【5-6】

目录 五、UFS协议栈 六、UFS技术演进与详解 1、UFS应用层 设备管理器 任务管理器 2、UFS传输层 3、UFS互联层 UFS协议—新手快速入门&#xff08;一&#xff09;【1-4】 五、UFS协议栈 UFS&#xff08;Universal Flash Storage&#xff09;协议是针对固态存储设备&…
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德国西门子论未来质量管理 - 如何与明天相遇？

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未来制造业的质量 -- 如何用软件方案满足质量要求 作者&#xff1a;Bill Butcher 翻译&编辑&#xff1a;数字化营销工兵 【前言】在Frost&Sullivan最近发表的一份白皮书中&#xff0c;他们讨论了制造业的质量投资。质量是制造过程的关键要素&#xff0c;但似乎比其他…
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Ubuntu部署开源网关Apache APISIX

Ubuntu部署开源网关Apache APISIX

说明 系统&#xff1a;Ubuntu 24.04 LTSDocker版本&#xff1a;v26.1.3Docker Compose版本&#xff1a;v2.26.1 下载和配置 Ubuntu需要安装Docker和Docker Compose 下载apisix-docker仓库 git clone https://github.com/apache/apisix-docker.git修改docker-compose 配置e…
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嵌入式学习记录6.6（拷贝构造/友元函数/常成员函数）

嵌入式学习记录6.6（拷贝构造/友元函数/常成员函数）

一.拷贝构造函数和拷贝赋值函数 1.1拷贝构造函数功能,格式 拷贝构造函数是一种特殊的构造函数&#xff0c;用来将一个类对象给另一个类对象初始化使用的。 1> 用一个类对象给另一个类对象初始化时&#xff0c;会自动调用拷贝构造函数。 2> 当一个类对作为函数的实参&…
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