CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析

1、CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析將通信網(wǎng)絡(luò)引人控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制和上層經(jīng)管的聯(lián)系。同時(shí) 由于網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，信息的傳送要分時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)通信線路，而網(wǎng)絡(luò)的 承載能力和通信帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生，使得 信息在傳輸過(guò)程中不可避免地存在時(shí)延。目前國(guó)際上CAN總線的研究人員也提出了幾種高層協(xié)議，但是這些協(xié)議都不兼?zhèn)鋵?duì)網(wǎng)絡(luò)靈活性和實(shí)時(shí)性的支 持。本文以CAN總線為研究對(duì)象，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了兩點(diǎn) 改善技術(shù)方案。一、CAN閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)隨著控制系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，受控

2、對(duì) 象和控制器一般都會(huì)分布在網(wǎng)絡(luò)的不同部分， 一個(gè)典型的CAN總線閉環(huán)網(wǎng)絡(luò) 控制系統(tǒng)如圖1所示圖1典型的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS相對(duì)于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS時(shí),需要考慮一個(gè)新的限制：通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，影響網(wǎng)絡(luò)帶寬的性能有四種 因素：1.采樣速率，各設(shè)備按此速率向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息；2.需要同步操作的元件數(shù)；3信息的數(shù)據(jù)或報(bào)文長(zhǎng)度；4.控制信息傳輸?shù)膮f(xié)議對(duì)于NCS般要求滿足兩個(gè)主要指標(biāo)：延時(shí)的限定和傳輸?shù)谋ＷC,即信息必須在限定的時(shí)間內(nèi)成功地被傳輸。 失敗的傳輸或從傳感器到執(zhí)行元 器件大量的延時(shí)信息將影響系統(tǒng)性能或使之不穩(wěn)定。下面我們將在對(duì)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域特性的分析

3、基礎(chǔ)上，提出一些減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的方法。二、CAN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域分析CAN協(xié)議轉(zhuǎn)為短報(bào)文而優(yōu)化，并使用報(bào)文優(yōu)先權(quán)仲裁介質(zhì)訪問(wèn)方法。具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文在仲裁時(shí)總能得到介質(zhì)的訪問(wèn)權(quán)， 所以較高優(yōu)先級(jí)報(bào) 文的傳輸延時(shí)總可以被保證。與其他網(wǎng)絡(luò)相比，CAN的主要缺點(diǎn)在于較低的 數(shù)據(jù)速率。因?yàn)镃AN網(wǎng)絡(luò)為位同步總線。CAN的最大速率為1Mbps同樣限 制了網(wǎng)絡(luò)的最大長(zhǎng)度。這里將用研究時(shí)域參數(shù)的方法描述CAN控制網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況。對(duì)于 圖1的NCS控制系統(tǒng)的總時(shí)延為T(mén)delay，包括采樣信號(hào)從傳感器送出到控 制輸出信號(hào)到達(dá)執(zhí)行器的延遲時(shí)間。 具體可分為采樣信號(hào)在發(fā)送緩沖中的延 時(shí)Tsampdel

4、ayl，采樣信號(hào)的傳輸延時(shí)Tseddelayl，采樣信號(hào)在控制器接收 緩沖中的延時(shí)Tsampdelay2,控制器的運(yùn)算延時(shí)Tmcu控制輸出信號(hào)在控制 器發(fā)送緩沖中的等待時(shí)間Tcondelayl，控制信號(hào)的傳輸延時(shí)Tseddelay2，控制信號(hào)在執(zhí)行器的接收隊(duì)列中的等待延時(shí)TCOndelay2?？偟臅r(shí)間延時(shí)可以用一下等式清楚的表達(dá)：Tdelay二Tsampdelayl+Tseddelayl+Tsanpdelay2+Tmcu+TcOndelayl+TseddeIay2+TcondeIay2（1）=（Tsampdelayl+Tsampdelay2+Tcondelayl+Tcondelay2）+（Ts

5、eddelayl+Tseddelay2）+Tmcu（2）隨著DSP等高速器件的應(yīng)用，Tmcu相對(duì)于其他變量可以忽略，故上式可為T(mén)walt+Tsend（3）。這里Twalt看作排隊(duì)時(shí)間，Tsend看作發(fā)送時(shí)間。對(duì)于排隊(duì)時(shí)間Tse nd將取決于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且是控制網(wǎng)絡(luò)確定性的 一個(gè)主要作用。具體取決于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，引導(dǎo)位，填充和位時(shí)間。設(shè)Ndala為 數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，Nhead為引導(dǎo)位字節(jié)長(zhǎng)度，Nstu什為填充為字節(jié)數(shù)， 比特位 長(zhǎng)度為T(mén)b_l（約為1us） ，則發(fā)送時(shí)間為T(mén)send=（ Ndata+Nhead+Nstuff） 8Tb.t（4）。分析表明：由于信息的發(fā)送時(shí)問(wèn)（Tse nd）是由協(xié)議本身決

6、定的。要 提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性必須減少網(wǎng)絡(luò)中信息的等待時(shí)間（TWait）。所以我們將 從減少網(wǎng)絡(luò)的信息量和均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載兩方面來(lái)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。三、多率采樣在對(duì)CAN總線閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延進(jìn)行分析后，要減少控制系統(tǒng)的時(shí)延應(yīng)該首先盡量減少網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞任務(wù)，其次，在網(wǎng)絡(luò)帶寬一定的前 提下，均衡網(wǎng)路負(fù)載以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。對(duì)于NCS由于節(jié)點(diǎn)分散化，不太可能也不太實(shí)際將所有的物理信號(hào) 采用單一的速率進(jìn)行采樣。通常，采樣器和保持器的采樣時(shí)間越短，系統(tǒng)得 到的性能就越好。但A/D,D/A轉(zhuǎn)換器越快，其成本就越高。對(duì)于具有不同 頻率的信號(hào)的系統(tǒng)， 既能達(dá)到較好的性能又能使系統(tǒng)成本較低的一種好的方 法就是

7、A/D，D/A轉(zhuǎn)換器采用不同的速率。因此，多率采樣是NCS自然的選 擇。在分布式系統(tǒng)中采樣一般是采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，盡管這 種采樣方式很適合于許多單回路的控制系統(tǒng)，但是對(duì)于多率采樣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 采用同步（時(shí)間觸發(fā)）的采樣方式常常會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)帶寬的限 制使系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求更高，過(guò)多的冗余信號(hào)將使系統(tǒng)中的延時(shí)、空采樣、 報(bào)文丟失變得更加嚴(yán)重，從而使系統(tǒng)的性能惡化。為了處理網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制 以及消除冗余信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，常常采用同步（時(shí)間觸發(fā)）和異 步（事件驅(qū)動(dòng)）相結(jié)合的采樣方式。當(dāng)數(shù)字控制系統(tǒng)中各采樣器或保持器以不同的采樣周期進(jìn)行工作 時(shí)，就構(gòu)成了多率采樣控制系統(tǒng)。

8、根據(jù)多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)中各個(gè)采樣器 或保持器是否同步和各采樣周期之間的關(guān)系， 可以將多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng) 進(jìn)一步分類如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算都在同一的時(shí)鐘下同步進(jìn)行，再根據(jù)各米樣周期之間的關(guān)系，同步系統(tǒng)可分為：輸入多率米樣控 制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算不在同一的時(shí)鐘下同 步進(jìn)行，再根據(jù)各采樣周期之間的關(guān)系，非同步系統(tǒng)可分為：輸入多率采樣 控制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的理論和工程實(shí)踐基本局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非 同步多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法

9、來(lái)進(jìn) 行分析，假定局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非同步多率采樣數(shù)字控制 系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法來(lái)進(jìn)行分析，假定個(gè)采樣器 和保持器的采樣時(shí)間是一隨機(jī)過(guò)程，然后利用隨機(jī)系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行。-數(shù)字控制器_器持保被控對(duì)象i-一-*器樣釆-圖2數(shù)字控制系統(tǒng)四、動(dòng)態(tài)時(shí)間窗為了均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載提高網(wǎng)絡(luò)利用率，結(jié)合CAN自身的特點(diǎn)，在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中，我們可以設(shè)定一個(gè)具有系統(tǒng)控制功能的節(jié)點(diǎn)，這里可以叫它 為主節(jié)點(diǎn)（它區(qū)別于其他節(jié)點(diǎn)的是它的屬性優(yōu)先級(jí)最高） ，其他的叫從節(jié)點(diǎn)。 我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包括：時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)和事件觸發(fā)系統(tǒng)。前者針對(duì) 的是時(shí)間觸發(fā)信息而后者針對(duì)的是事件觸發(fā)信息。 那么

10、怎樣去區(qū)分這兩者呢?對(duì)于時(shí)間觸發(fā)信息認(rèn)為它是相對(duì)于自然界是一個(gè)同步系統(tǒng)； 而事件觸發(fā)信息 定義它為相對(duì)于自然界是個(gè)異步系統(tǒng)。 一般情況事件觸發(fā)通信的效率要比時(shí) 間觸發(fā)效率高，但在考慮到最壞情況時(shí)，這種效率是無(wú)法估計(jì)的。由于事件 觸發(fā)相對(duì)于自然界是異步的，所以，當(dāng)所有事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，對(duì)它是個(gè)最壞 情況。為了解決這種問(wèn)題，往往需要足夠多的資源（例如：通信帶寬）。而 對(duì)于時(shí)間觸發(fā)通信，它往往相對(duì)于自然界是個(gè)同步過(guò)程，它可以在所要完成 控制的環(huán)境下，提前決定時(shí)隙以控制最大輪回時(shí)間。它最重要的一個(gè)特點(diǎn)是 我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上不同的信息流傳輸情況進(jìn)行狀態(tài)相關(guān)控制?？梢詫?duì)不同 的信息流設(shè)置不同的狀態(tài)，以使減少

11、在同一時(shí)間等待發(fā)送的信息，這種狀態(tài) 相關(guān)控制會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。為了能使這兩種系統(tǒng)之間不耦合，我們引入了動(dòng)態(tài)時(shí)間窗（DTV）的 概念。在一個(gè)DTW中，又包含兩個(gè)子窗：異步窗（Avy和同步窗（svy。異 步窗用于收發(fā)事件觸發(fā)消息，同步窗用于收發(fā)時(shí)間觸發(fā)消息。由于事件觸發(fā) 消息一般比較少且到來(lái)具有隨機(jī)性，而且一般要求及時(shí)相應(yīng)，則在系統(tǒng)時(shí)間窗中，異步窗在前同步窗在后，且我們提出了最大異步窗的概念，爭(zhēng)取最大限度地及時(shí)響應(yīng)事件觸發(fā)消息和防止系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難。如下為一個(gè)STW勺結(jié)構(gòu)i1 .窗開(kāi)始異步窗同步窗1圖3單位時(shí)間冒這里，令窗開(kāi)始的時(shí)間為T(mén)m異步窗的時(shí)間為T(mén)a,同步窗的時(shí)間為T(mén)s,總的系統(tǒng)窗時(shí)間為T(mén)c,

12、而其中的雙向箭頭為一個(gè)QOS旨針機(jī)制，它的滑 動(dòng)可以界定異步窗和同步窗的時(shí)間。為什么要設(shè)定QOS旨針呢？因?yàn)橛捎谑录|發(fā)信息相對(duì)于時(shí)間是個(gè) 異步系統(tǒng)而且具有隨機(jī)性，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)服務(wù)請(qǐng)求量是個(gè)動(dòng)態(tài)變化 的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的事件信息比較少時(shí)，可以移動(dòng)QOS旨針，使異步窗縮短；相 反，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的事件信息較多時(shí)，通過(guò)移動(dòng)QOS旨針使異步窗伸長(zhǎng)，但卻有 個(gè)極限值。這樣，就可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。系統(tǒng)時(shí)間窗Tc如何設(shè)定？Tc的改變對(duì)哪些參數(shù)有影響？令n為網(wǎng)絡(luò)的最大有效利用率，貝卩n=1(Tm/Tc)(5)顯然，由（1）式知，Tc決定網(wǎng)絡(luò)的最大利用率。隨著Tc的增大網(wǎng)絡(luò)的最大利用率增大，那么為什么不盡量增大

13、Tc呢？因?yàn)樽鳛榭刂凭W(wǎng)絡(luò)， 它要求實(shí)時(shí)性。若Tc比較大，同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生耦合，故Tc也 不能太大。所以Tc的設(shè)定要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)而定。何為系統(tǒng)災(zāi)難情況？由于系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)異步系統(tǒng) （Sa） 和同步 系統(tǒng) （Ss）組成。由于同步系統(tǒng)它的信息量是決定于傳感器的采樣率，故它 的信息量是恒定的。而對(duì)于異步系統(tǒng)，由于它相對(duì)于時(shí)間是異步系統(tǒng)，故當(dāng) 所有異步信號(hào)同步發(fā)生時(shí)，此時(shí)為異步系統(tǒng)的災(zāi)難情況。當(dāng)然，也是總的系 統(tǒng)的災(zāi)難情況。由于我們?cè)O(shè)定了最大異步窗，所以當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)舊具 有一定的傳輸能力。這樣在時(shí)域上平衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，隨著單網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，充分 提高了帶寬利用率，當(dāng)然也就減少了控制

14、信息的時(shí)延，下面將有實(shí)驗(yàn)仿真結(jié) 果。五、仿真分析這里我們認(rèn)為在一個(gè)系統(tǒng)中它的異步信息量趨于正態(tài)分布，在我們 的仿真中設(shè)定每幀的發(fā)送時(shí)間為單位時(shí)間1。幀開(kāi)頭的時(shí)間為4單位時(shí)間， 異步信息趨于正態(tài)分布n（40，16），隨著總線時(shí)間窗長(zhǎng)度的變化總線利用 率也發(fā)生變化，我們將得到動(dòng)態(tài)時(shí)間窗和靜態(tài)時(shí)間窗（即異步窗和同步窗長(zhǎng) 度相等）的總線利用率。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可看出：1.首先在異步信息分布一定的前提下，總時(shí)間窗長(zhǎng)度存在某一值能 使總線利用率最大。反映在工程實(shí)際中也就是同步信息的數(shù)量有一個(gè)最佳的 取值。2.其次動(dòng)態(tài)時(shí)間窗比靜態(tài)時(shí)間窗有較好的總線利用率，而且隨著總 線時(shí)間窗長(zhǎng)度的增大而更明顯

15、。圖4系統(tǒng)仿真結(jié)果六、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 基于CAN總線的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：在該系統(tǒng)中，有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，它主要完成網(wǎng)絡(luò)信息的調(diào)度，它被賦予最高優(yōu)先級(jí)。再次，對(duì)于其他收發(fā)事件信息的 節(jié)點(diǎn)賦予次高優(yōu)先級(jí)，最后，給那些收發(fā)時(shí)間信息的節(jié)點(diǎn)賦予最低優(yōu)先級(jí)。主節(jié)點(diǎn)完成的功能：發(fā)送窗開(kāi)始信息和QOS指針，這兩個(gè)信息都是 廣播幀。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送窗開(kāi)始信息時(shí)， 所有節(jié)點(diǎn)都接收， 這樣就達(dá)到整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)同步的效果。QOS言息不是每個(gè)系統(tǒng)窗都必須的，當(dāng)事件信息在最大異步 時(shí)間內(nèi)能夠完成發(fā)送，則Q0環(huán)發(fā)送；相反，當(dāng)異步窗達(dá)到最大異步時(shí)間窗 時(shí)，主節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)送QOS指針，所有節(jié)點(diǎn)都收到該信息，所有異步節(jié)點(diǎn)停止 發(fā)送信息，此時(shí)同步接點(diǎn)才開(kāi)始可以發(fā)送信息。異步節(jié)點(diǎn)完成的功能：異步節(jié)點(diǎn)時(shí)刻在監(jiān)聽(tīng)總線，當(dāng)窗開(kāi)始信息到 達(dá)時(shí)，由于異步節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)都高于同步接點(diǎn)，此時(shí)，異步節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送信 息，在這些異步節(jié)點(diǎn)當(dāng)中按照優(yōu)先級(jí)的不同來(lái)調(diào)度異步信息。當(dāng)QOS旨針信息到達(dá)時(shí)，所有異步節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送信息，只能接