CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性分析

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統的時(shí)域特性的基礎上，提出了一種基于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )控制系統設計方案，采用多率采樣和動(dòng)態(tài)時(shí)間窗設計概念，減少了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò )控制系統的時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò )帶寬利用率。

將通信網(wǎng)絡(luò )引人控制系統，連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統，實(shí)現了現場(chǎng)設備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò )化，同時(shí)也加強了現場(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(xiàn)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。目前國際上CAN總線(xiàn)的研究人員也提出了幾種高層協(xié)議，但是這些協(xié)議都不兼備對網(wǎng)絡(luò )靈活性和實(shí)時(shí)性的支持。本文以CAN總線(xiàn)為研究對象，對于網(wǎng)絡(luò )閉環(huán)控制系統的設計提出了兩點(diǎn)改善方案。

一、CAN閉環(huán)網(wǎng)絡(luò )控制系統

隨著(zhù)控制系統趨于復雜化，對于一個(gè)獨立的閉環(huán)控制系統，受控對象和控制器一般都會(huì )分布在網(wǎng)絡(luò )的不同部分. 相對于傳統的閉環(huán)控制系統，在設計閉環(huán)網(wǎng)絡(luò )控制系統（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；
3.信息的數據或報文長(cháng)度；
4.控制信息傳輸的協(xié)議。

對于NCS，一般要求滿(mǎn)足兩個(gè)主要指標：延時(shí)的限定和傳輸的保證，即信息必須在限定的時(shí)間內成功地被傳輸。失敗的傳輸或從傳感器到執行元器件大量的延時(shí)信息將影響系統性能或使之不穩定。

下面我們將在對CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的時(shí)域特性的分析基礎上，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)議轉為短報文而優(yōu)化，并使用報文優(yōu)先權仲裁介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法。具有較高優(yōu)先權的報文在仲裁時(shí)總能得到介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)權，所以較高優(yōu)先級報文的傳輸延時(shí)總可以被保證。與其他網(wǎng)絡(luò )相比，CAN的主要缺點(diǎn)在于較低的數據速率。因為CAN網(wǎng)絡(luò )為位同步總線(xiàn)。CAN的最大速率為1Mbps，同樣限制了網(wǎng)絡(luò )的最大長(cháng)度。

這里將用研究時(shí)域參數的方法描述CAN控制網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)情況。對于圖1的NCS，控制系統的總時(shí)延為T(mén)deIay，包括采樣信號從傳感器送出到控制輸出信號到達執行器的延遲時(shí)間。具體可分為采樣信號在發(fā)送緩沖中的延時(shí)TsampdeIayl，采樣信號的傳輸延時(shí)Tseddelayl，采樣信號在控制器接收緩沖中的延時(shí)TsampdeIay2，控制器的運算延時(shí)Tmcu，控制輸出信號在控制器發(fā)送緩沖中的等待時(shí)間TcondeIayl，控制信號的傳輸延時(shí)TseddeIay2，控制信號在執行器的接收隊列中的等待延時(shí)TCOndelay2。

總的時(shí)間延時(shí)可以用一下等式清楚的表達：
Tdelay=TsampdeIayl+TseddeIayl++TseddeIay2+TcondeIay2 （1）
=（TsampdeIayl+Tsampdelay2+TcondeIayl+Tcondelay2）+（TseddeIayl+Tseddelay2）+Tmcu （2）
隨著(zhù)DSP等高速器件的應用，Tmcu相對于其他變量可以忽略，故上式可為≈Twalt+Tsend（3）。
這里Twalt看作排隊時(shí)間，Tsend看作發(fā)送時(shí)間。

對于排隊時(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。具體取決于數據長(cháng)度，引導位，填充和位時(shí)間。設Ndala為數據字節長(cháng)度，Nhead為引導位字節長(cháng)度，Nstu什為填充為字節數，比特位長(cháng)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)（Tsend）是由協(xié)議本身決定的。要提高系統的實(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 )負載兩方面來(lái)提高系統的實(shí)時(shí)性。

三、多率采樣

在對CAN總線(xiàn)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延進(jìn)行分析后，要減少控制系統的時(shí)延應該首先盡量減少網(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)路負載以提高網(wǎng)絡(luò )帶寬的利用率。

對于NCS，由于節點(diǎn)分散化，不太可能也不太實(shí)際將所有的物理信號采用單一的速率進(jìn)行采樣。通常，采樣器和保持器的采樣時(shí)間越短，系統得到的性能就越好。但A/D，D/A轉換器越快，其成本就越高。對于具有不同頻率的信號的系統，既能達到較好的性能又能使系統成本較低的一種好的方法就是A/D，D/A轉換器采用不同的速率。因此，多率采樣是NCS自然的選擇"。在分布式系統中采樣一般是采用時(shí)間驅動(dòng)的A/D，D/A轉換器，盡管這種采樣方式很適合于許多單回路的控制系統，但是對于多率采樣系統來(lái)說(shuō)，采用同步（時(shí)間觸發(fā)）的采樣方式常常會(huì )出現很多的問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò )帶寬的限制使系統對信號的要求更高，過(guò)多的冗余信號將使系統中的延時(shí)、空采樣、報文丟失變得更加嚴重，從而使系統的性能惡化。為了處理網(wǎng)絡(luò )帶寬的限制以及消除冗余信號對系統性能的負面影響，常常采用同步（時(shí)間觸發(fā)）和異步（事件驅動(dòng)）相結合的采樣方式。