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)控制和上層管理的聯(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)改善方案。    一、CAN閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)   

2、; 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，一般要求滿足兩個(gè)主要指標(biāo)：延時(shí)的限定和傳輸?shù)谋ＷC，即信息

3、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

4、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)deIay，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)TsampdeIayl，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)TsampdeIay2，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TcondeIayl，控制信號(hào)的傳輸延時(shí)TseddeIay2，控制信號(hào)在執(zhí)行器的接收隊(duì)列中的等待延時(shí)TCOndelay2。 &

5、#160;  總的時(shí)間延時(shí)可以用一下等式清楚的表達(dá)：    Tdelay=TsampdeIayl+TseddeIayl+TsanpdeIay2+Tmcu+TcOn·deIayl+TseddeIay2+TcondeIay2    （1）    =（TsampdeIayl+Tsampdelay2+TcondeIayl+Tcondelay2）+（TseddeIayl+Tseddelay2）+Tmcu    （2）    隨著DSP等

6、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Tsend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)

7、（Tsend）是由協(xié)議本身決定的。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

8、。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)

9、）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)。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)各采樣周期之間的關(guān)系，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)。    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)

10、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。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

11、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

12、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（DTW）的概念。在一個(gè)DTW中，又包含兩個(gè)子窗：異步窗（AW）和同步窗（SW）。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

13、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的結(jié)構(gòu)。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，而其中的雙向箭頭為一個(gè)QOS指針機(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指針呢？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指針，使異步窗縮短；相反，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的事件信息較多

14、時(shí)，通過(guò)移動(dòng)QOS指針使異步窗伸長(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？    令為網(wǎng)絡(luò)的最大有效利用率，    則=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)

15、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)然也就減少了控制信息的時(shí)延，下面將有實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。    五、仿

16、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

17、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。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信息不是每個(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QOS不發(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指針信息到達(dá)時(shí)，所有異步節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送信息，只能接收。