AN總線控制網(wǎng)絡(luò)實時性分析

1、CAN總線線控制網(wǎng)絡(luò)絡(luò)實時性分分析將通信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)引人控制制系統(tǒng)，連連接智能現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和和自動化系系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)設(shè)備控制的的分布化和和網(wǎng)絡(luò)化，同同時也加強強了現(xiàn)場控控制和上層層管理的聯(lián)聯(lián)系。同時時由于網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中的信息息源很多，信信息的傳送送要分時占占用網(wǎng)絡(luò)通通信線路，而而網(wǎng)絡(luò)的承承載能力和和通信帶寬寬有限，必必然造成信信息的沖撞撞、重傳等等現(xiàn)象的發(fā)發(fā)生，使得得信息在傳傳輸過程中中不可避免免地存在時時延。目前前國際上CCAN總線線的研究人人員也提出出了幾種高高層協(xié)議，但但是這些協(xié)協(xié)議都不兼兼?zhèn)鋵W(wǎng)絡(luò)絡(luò)靈活性和和實時性的的支持。本本文以CAAN總線為為研究對象象，對于網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控控制系統(tǒng)的的設(shè)計提

2、出出了兩點改改善方案。 一一、CANN閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)控制系統(tǒng)統(tǒng) 隨隨著控制系系統(tǒng)趨于復(fù)復(fù)雜化，對對于一個獨獨立的閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)，受控對對象和控制制器一般都都會分布在在網(wǎng)絡(luò)的不不同部分，一一個典型的的CAN總總線閉環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系系統(tǒng)如圖11所示。圖1 典型型的閉環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系系統(tǒng)（NCCS） 相相對于傳統(tǒng)統(tǒng)的閉環(huán)控控制系統(tǒng)，在在設(shè)計閉環(huán)環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制制系統(tǒng)（NNCS）時時，需要考考慮一個新新的限制：通信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的帶寬限限制，影響響網(wǎng)絡(luò)帶寬寬的性能有有四種因素素：采樣速率，各各設(shè)備按此此速率向網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信信息； 需要同步操操作的元件件數(shù)； 信息的數(shù)據(jù)據(jù)或報文長長度； 控制信息傳傳輸?shù)膮f(xié)議議。 對對于NCS

3、S，一般要要求滿足兩兩個主要指指標：延時時的限定和和傳輸?shù)谋１ＷC，即信信息必須在在限定的時時間內(nèi)成功功地被傳輸輸。失敗的的傳輸或從從傳感器到到執(zhí)行元器器件大量的的延時信息息將影響系系統(tǒng)性能或或使之不穩(wěn)穩(wěn)定。 下下面我們將將在對CAAN總線控控制網(wǎng)絡(luò)的的時域特性性的分析基基礎(chǔ)上，提提出一些減減少網(wǎng)絡(luò)時時延和提高高網(wǎng)絡(luò)帶寬寬利用率的的方法。 二二、CANN網(wǎng)絡(luò)的時時域分析 CCAN協(xié)議議轉(zhuǎn)為短報報文而優(yōu)化化，并使用用報文優(yōu)先先權(quán)仲裁介介質(zhì)訪問方方法。具有有較高優(yōu)先先權(quán)的報文文在仲裁時時總能得到到介質(zhì)的訪訪問權(quán)，所所以較高優(yōu)優(yōu)先級報文文的傳輸延延時總可以以被保證。與其他網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相比，CCAN的主主要缺

4、點在在于較低的的數(shù)據(jù)速率率。因為CCAN網(wǎng)絡(luò)絡(luò)為位同步步總線。CCAN的最最大速率為為1Mbpps，同樣樣限制了網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的最大大長度。 這這里將用研研究時域參參數(shù)的方法法描述CAAN控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的延時時情況。對對于圖1的的NCS，控控制系統(tǒng)的的總時延為為TdeIIay，包包括采樣信信號從傳感感器送出到到控制輸出出信號到達達執(zhí)行器的的延遲時間間。具體可可分為采樣樣信號在發(fā)發(fā)送緩沖中中的延時TTsamppdeIaayl，采采樣信號的的傳輸延時時Tsedddelaayl，采采樣信號在在控制器接接收緩沖中中的延時TTsamppdeIaay2，控控制器的運運算延時TTmcu，控控制輸出信信號在控制制器發(fā)送緩

5、緩沖中的等等待時間TTconddeIayyl，控制制信號的傳傳輸延時TTsedddeIayy2，控制制信號在執(zhí)執(zhí)行器的接接收隊列中中的等待延延時TCOOndellay2。 總總的時間延延時可以用用一下等式式清楚的表表達： TTdelaay=TssampddeIayyl+TsseddeeIayll+TsaanpdeeIay22+Tmccu+TccOnddeIayyl+TsseddeeIay22+TcoondeIIay2 （11） =（TTsamppdeIaayl+TTsamppdelaay2+TTconddeIayyl+Tccondeelay22）+（TTsedddeIayyl+Tsseddee

6、lay22）+Tmmcu （22） 隨隨著DSPP等高速器器件的應(yīng)用用，Tmccu相對于于其他變量量可以忽略略，故上式式可為TTwaltt+Tseend（33）。 這這里Twaalt看作作排隊時間間，Tseend看作作發(fā)送時間間。 對對于排隊時時間Tseend將取取決于網(wǎng)絡(luò)絡(luò)協(xié)議，并并且是控制制網(wǎng)絡(luò)確定定性的一個個主要作用用。具體取取決于數(shù)據(jù)據(jù)長度，引引導(dǎo)位，填填充和位時時間。設(shè)NNdalaa為數(shù)據(jù)字字節(jié)長度，NNheadd為引導(dǎo)位位字節(jié)長度度，Nsttu什為填填充為字節(jié)節(jié)數(shù)，比特特位長度為為Tb_ll（約為11us），則則發(fā)送時間間為Tseend=（NNdataa+Nheead+NNstuf

7、ff）8TTb.t（44）。 分分析表明：由于信息息的發(fā)送時時問（Tssend）是是由協(xié)議本本身決定的的。要提高高系統(tǒng)的實實時性必須須減少網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中信息的的等待時間間（TWaait）。所以我們們將從減少少網(wǎng)絡(luò)的信信息量和均均衡網(wǎng)絡(luò)負負載兩方面面來提高系系統(tǒng)的實時時性。 三三、多率采采樣 在在對CANN總線閉環(huán)環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的時延進進行分析后后，要減少少控制系統(tǒng)統(tǒng)的時延應(yīng)應(yīng)該首先盡盡量減少網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的信信息傳遞任任務(wù)，其次次，在網(wǎng)絡(luò)絡(luò)帶寬一定定的前提下下，均衡網(wǎng)網(wǎng)路負載以以提高網(wǎng)絡(luò)絡(luò)帶寬的利利用率。 對對于NCSS，由于節(jié)節(jié)點分散化化，不太可可能也不太太實際將所所有的物理理信號采用用單一的速速率進行采

8、采樣。通常常，采樣器器和保持器器的采樣時時間越短，系系統(tǒng)得到的的性能就越越好。但AA/D，DD/A轉(zhuǎn)換換器越快，其其成本就越越高。對于于具有不同同頻率的信信號的系統(tǒng)統(tǒng)，既能達達到較好的的性能又能能使系統(tǒng)成成本較低的的一種好的的方法就是是A/D，DD/A轉(zhuǎn)換換器采用不不同的速率率。因此，多多率采樣是是NCS自自然的選擇擇。在分分布式系統(tǒng)統(tǒng)中采樣一一般是采用用時間驅(qū)動動的A/DD，D/AA轉(zhuǎn)換器，盡盡管這種采采樣方式很很適合于許許多單回路路的控制系系統(tǒng)，但是是對于多率率采樣系統(tǒng)統(tǒng)來說，采采用同步（時時間觸發(fā)）的的采樣方式式常常會出出現(xiàn)很多的的問題，如如網(wǎng)絡(luò)帶寬寬的限制使使系統(tǒng)對信信號的要求求更高，

9、過過多的冗余余信號將使使系統(tǒng)中的的延時、空空采樣、報報文丟失變變得更加嚴嚴重，從而而使系統(tǒng)的的性能惡化化。為了處處理網(wǎng)絡(luò)帶帶寬的限制制以及消除除冗余信號號對系統(tǒng)性性能的負面面影響，常常常采用同同步（時間間觸發(fā)）和和異步（事事件驅(qū)動）相相結(jié)合的采采樣方式。 當(dāng)當(dāng)數(shù)字控制制系統(tǒng)中各各采樣器或或保持器以以不同的采采樣周期進進行工作時時，就構(gòu)成成了多率采采樣控制系系統(tǒng)。根據(jù)據(jù)多率采樣樣數(shù)字控制制系統(tǒng)中各各個采樣器器或保持器器是否同步步和各采樣樣周期之間間的關(guān)系，可可以將多率率采樣數(shù)字字控制系統(tǒng)統(tǒng)進一步分分類。 如如果系統(tǒng)的的各采樣器器，保持器器和各微機機的計算都都在同一的的時鐘下同同步進行，再再根據(jù)各

10、采采樣周期之之間的關(guān)系系，同步系系統(tǒng)可分為為：輸入多多率采樣控控制系統(tǒng)、輸出多率率采樣控制制系統(tǒng)和廣廣義多率采采樣控制系系統(tǒng)。 如如果系統(tǒng)的的各采樣器器，保持器器和各微機機的計算不不在同一的的時鐘下同同步進行，再再根據(jù)各采采樣周期之之間的關(guān)系系，非同步步系統(tǒng)可分分為：輸入入多率采樣樣控制系統(tǒng)統(tǒng)、輸出多多率采樣控控制系統(tǒng)和和廣義多率率采樣控制制系統(tǒng)。 傳傳統(tǒng)的理論論和工程實實踐基本局局限于同步步多率采樣樣控制系統(tǒng)統(tǒng)，對于非非同步多率率采樣數(shù)字字控制系統(tǒng)統(tǒng)的研究比比較復(fù)雜，通通常都是采采用隨機的的方法來進進行分析，假假定局限于于同步多率率采樣控制制系統(tǒng)，對對于非同步步多率采樣樣數(shù)字控制制系統(tǒng)的研研

11、究比較復(fù)復(fù)雜，通常常都是采用用隨機的方方法來進行行分析，假假定個采樣樣器和保持持器的采樣樣時間是一一隨機過程程，然后利利用隨機系系統(tǒng)的方法法來進行。圖2 數(shù)字字控制系統(tǒng)統(tǒng)四、動態(tài)時時間窗 為為了均衡網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的負載載提高網(wǎng)絡(luò)絡(luò)利用率，結(jié)結(jié)合CANN自身的特特點，在一一個CANN網(wǎng)絡(luò)中，我我們可以設(shè)設(shè)定一個具具有系統(tǒng)控控制功能的的節(jié)點，這這里可以叫叫它為主節(jié)節(jié)點（它區(qū)區(qū)別于其他他節(jié)點的是是它的屬性性優(yōu)先級最最高），其其他的叫從從節(jié)點。我我們設(shè)計一一個網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)，它包包括：時間間觸發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)和事件觸觸發(fā)系統(tǒng)。前者針對對的是時間間觸發(fā)信息息而后者針針對的是事事件觸發(fā)信信息。那么么怎樣去區(qū)區(qū)分這兩者者呢?對

12、于于時間觸發(fā)發(fā)信息認為為它是相對對于自然界界是一個同同步系統(tǒng)；而事件觸觸發(fā)信息定定義它為相相對于自然然界是個異異步系統(tǒng)。一般情況況事件觸發(fā)發(fā)通信的效效率要比時時間觸發(fā)效效率高，但但在考慮到到最壞情況況時，這種種效率是無無法估計的的。由于事事件觸發(fā)相相對于自然然界是異步步的，所以以，當(dāng)所有有事件同時時發(fā)生時，對對它是個最最壞情況。為了解決決這種問題題，往往需需要足夠多多的資源（例例如：通信信帶寬）。而對于時時間觸發(fā)通通信，它往往往相對于于自然界是是個同步過過程，它可可以在所要要完成控制制的環(huán)境下下，提前決決定時隙以以控制最大大輪回時間間。它最重重要的一個個特點是我我們可以根根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上上不同的信信

13、息流傳輸輸情況進行行狀態(tài)相關(guān)關(guān)控制。可可以對不同同的信息流流設(shè)置不同同的狀態(tài)，以以使減少在在同一時間間等待發(fā)送送的信息，這這種狀態(tài)相相關(guān)控制會會提高網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的利用率率。 為為了能使這這兩種系統(tǒng)統(tǒng)之間不耦耦合，我們們引入了動動態(tài)時間窗窗（DTWW）的概念念。在一個個DTW中中，又包含含兩個子窗窗：異步窗窗（AW）和和同步窗（SSW）。異異步窗用于于收發(fā)事件件觸發(fā)消息息，同步窗窗用于收發(fā)發(fā)時間觸發(fā)發(fā)消息。由由于事件觸觸發(fā)消息一一般比較少少且到來具具有隨機性性，而且一一般要求及及時相應(yīng)，則則在系統(tǒng)時時間窗中，異異步窗在前前同步窗在在后，且我我們提出了了最大異步步窗的概念念，爭取最最大限度地地及時響應(yīng)應(yīng)

14、事件觸發(fā)發(fā)消息和防防止系統(tǒng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難。如下為一一個STWW的結(jié)構(gòu)。圖3 單位位時間冒 這這里，令窗窗開始的時時間為Tmm，異步窗窗的時間為為Ta，同同步窗的時時間為Tss，總的系系統(tǒng)窗時間間為Tc，而而其中的雙雙向箭頭為為一個QOOS指針機機制，它的的滑動可以以界定異步步窗和同步步窗的時間間。 為為什么要設(shè)設(shè)定QOSS指針呢？因為由于于事件觸發(fā)發(fā)信息相對對于時間是是個異步系系統(tǒng)而且具具有隨機性性，整個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的事件件觸發(fā)服務(wù)務(wù)請求量是是個動態(tài)變變化的。當(dāng)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的的事件信息息比較少時時，可以移移動QOSS指針，使使異步窗縮縮短；相反反，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中的事件件信息較多多時，通過過移動QOOS指針使使異

15、步窗伸伸長，但卻卻有個極限限值。這樣樣，就可以以有效地利利用網(wǎng)絡(luò)帶帶寬。 系系統(tǒng)時間窗窗Tc如何何設(shè)定？TTc的改變變對哪些參參數(shù)有影響響？ 令令為網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的最大有有效利用率率， 則則=1（Tm/Tc） （55） 顯顯然，由（11）式知，TTc決定網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的最大大利用率。隨著Tcc的增大網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的最大大利用率增增大，那么么為什么不不盡量增大大Tc呢？因為作為為控制網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，它要求求實時性。若Tc比比較大，同同步系統(tǒng)和和異步系統(tǒng)統(tǒng)就會產(chǎn)生生耦合，故故Tc也不不能太大。所以Tcc的設(shè)定要要根據(jù)具體體的網(wǎng)絡(luò)而而定。 何何為系統(tǒng)災(zāi)災(zāi)難情況？由于系統(tǒng)統(tǒng)由兩個子子系統(tǒng)異步步系統(tǒng)（SSa）和同同步系統(tǒng)（SSs）組成

16、成。由于同同步系統(tǒng)它它的信息量量是決定于于傳感器的的采樣率，故故它的信息息量是恒定定的。而對對于異步系系統(tǒng)，由于于它相對于于時間是異異步系統(tǒng)，故故當(dāng)所有異異步信號同同步發(fā)生時時，此時為為異步系統(tǒng)統(tǒng)的災(zāi)難情情況。當(dāng)然然，也是總總的系統(tǒng)的的災(zāi)難情況況。由于我我們設(shè)定了了最大異步步窗，所以以當(dāng)災(zāi)難發(fā)發(fā)生時，網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)舊具有有一定的傳傳輸能力。 這這樣在時域域上平衡了了網(wǎng)絡(luò)負載載，隨著單單網(wǎng)段節(jié)點點數(shù)目的增增加，充分分提高了帶帶寬利用率率，當(dāng)然也也就減少了了控制信息息的時延，下下面將有實實驗仿真結(jié)結(jié)果。 五五、仿真分分析 這這里我們認認為在一個個系統(tǒng)中它它的異步信信息量趨于于正態(tài)分布布，在我們們的仿真中中

17、設(shè)定每幀幀的發(fā)送時時間為單位位時間1。幀開頭的的時間為44單位時間間，異步信信息趨于正正態(tài)分布nn（40，116），隨隨著總線時時間窗長度度的變化總總線利用率率也發(fā)生變變化，我們們將得到動動態(tài)時間窗窗和靜態(tài)時時間窗（即即異步窗和和同步窗長長度相等）的的總線利用用率。系統(tǒng)統(tǒng)仿真結(jié)果果如圖4所所示。從圖圖中可看出出： 11首先在在異步信息息分布一定定的前提下下，總時間間窗長度存存在某一值值能使總線線利用率最最大。反映映在工程實實際中也就就是同步信信息的數(shù)量量有一個最最佳的取值值。 22其次動動態(tài)時間窗窗比靜態(tài)時時間窗有較較好的總線線利用率，而而且隨著總總線時間窗窗長度的增增大而更明明顯。圖4 系統(tǒng)

18、統(tǒng)仿真結(jié)果果 六六、系統(tǒng)的的實現(xiàn) 基基于CANN總線的系系統(tǒng)實現(xiàn)：在該系統(tǒng)統(tǒng)中，有一一個主節(jié)點點，它主要要完成網(wǎng)絡(luò)絡(luò)信息的調(diào)調(diào)度，它被被賦予最高高優(yōu)先級。再次，對對于其他收收發(fā)事件信信息的節(jié)點點賦予次高高優(yōu)先級，最最后，給那那些收發(fā)時時間信息的的節(jié)點賦予予最低優(yōu)先先級。 主主節(jié)點完成成的功能：發(fā)送窗開開始信息和和QOS指指針，這兩兩個信息都都是廣播幀幀。當(dāng)主節(jié)節(jié)點發(fā)送窗窗開始信息息時，所有有節(jié)點都接接收，這樣樣就達到整整個網(wǎng)絡(luò)同同步的效果果。QOSS信息不是是每個系統(tǒng)統(tǒng)窗都必須須的，當(dāng)事事件信息在在最大異步步時間內(nèi)能能夠完成發(fā)發(fā)送，則QQOS不發(fā)發(fā)送；相反反，當(dāng)異步步窗達到最最大異步時時間窗時，主主節(jié)點就會會發(fā)送QOOS指針，所所有節(jié)點都都收到該信信息，所有有異步節(jié)點點停止發(fā)送送信息，此此時同步接接點才開始始可以發(fā)送送信息。 異異步節(jié)點完完成的功能能：異步節(jié)節(jié)點時刻在在監(jiān)聽總線線，當(dāng)窗開開始信息到到達時，由由于異步節(jié)節(jié)點的優(yōu)先先級都高于于同步接點點，此時，異異步節(jié)點可可以發(fā)送信信息，在這這些異步節(jié)節(jié)點當(dāng)中按按照優(yōu)先級級的不同來來調(diào)度異步步信息。當(dāng)當(dāng)QOS指指針信息到到達時，所所有異步節(jié)節(jié)點停止發(fā)發(fā)送信息，只只能接收。