CAN總線控制網絡實時性分析

將通信網絡引人控制系統，連接智能現場設備和自動化系統，實現了現場設備控制的分布化和網絡化，同時也加強了現場控制和上層管理的聯系。同時由于網絡中的信息源很多，信息的傳送要分時占用網絡通信線路，而網絡的承載能力和通信帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現象的發生，使得信息在傳輸過程中不可避免地存在時延。目前國際上CAN總線的研究人員也提出了幾種高層協議，但是這些協議都不兼備對網絡靈活性和實時性的支持。本文以CAN總線為研究對象，對于網絡閉環控制系統的設計提出了兩點改善方案。

一、CAN閉環網絡控制系統

隨著控制系統趨于復雜化，對于一個獨立的閉環控制系統，受控對象和控制器一般都會分布在網絡的不同部分. 相對于傳統的閉環控制系統，在設計閉環網絡控制系統（NCS）時，需要考慮一個新的限制：通信網絡的帶寬限制，影響網絡帶寬的性能有四種因素：
1.采樣速率，各設備按此速率向網絡發送信息；
2.需要同步操作的元件數；
3.信息的數據或報文長度；
4.控制信息傳輸的協議。

對于NCS，一般要求滿足兩個主要指標：延時的限定和傳輸的保證，即信息必須在限定的時間內成功地被傳輸。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總線控制網絡的時域特性的分析基礎上，提出一些減少網絡時延和提高網絡帶寬利用率的方法。

二、CAN網絡的時域分析

CAN協議轉為短報文而優化，并使用報文優先權仲裁介質訪問方法。具有較高優先權的報文在仲裁時總能得到介質的訪問權，所以較高優先級報文的傳輸延時總可以被保證。與其他網絡相比，CAN的主要缺點在于較低的數據速率。因為CAN網絡為位同步總線。CAN的最大速率為1Mbps，同樣限制了網絡的最大長度。

這里將用研究時域參數的方法描述CAN控制網絡的延時情況。對于圖1的NCS，控制系統的總時延為TdeIay，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間。具體可分為采樣信號在發送緩沖中的延時TsampdeIayl，采樣信號的傳輸延時Tseddelayl，采樣信號在控制器接收緩沖中的延時TsampdeIay2，控制器的運算延時Tmcu，控制輸出信號在控制器發送緩沖中的等待時間TcondeIayl，控制信號的傳輸延時TseddeIay2，控制信號在執行器的接收隊列中的等待延時TCOndelay2。

總的時間延時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看作排隊時間，Tsend看作發送時間。

分析表明：由于信息的發送時問（Tsend）是由協議本身決定的。要提高系統的實時性必須減少網絡中信息的等待時間（TWait）。所以我們將從減少網絡的信息量和均衡網絡負載兩方面來提高系統的實時性。

三、多率采樣

在對CAN總線閉環控制網絡的時延進行分析后，要減少控制系統的時延應該首先盡量減少網絡中的信息傳遞任務，其次，在網絡帶寬一定的前提下，均衡網路負載以提高網絡帶寬的利用率。

對于NCS，由于節點分散化，不太可能也不太實際將所有的物理信號采用單一的速率進行采樣。通常，采樣器和保持器的采樣時間越短，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間驅動的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說，采用同步（時間觸發）的采樣方式常常會出現很多的問題，如網絡帶寬的限制使系統對信號的要求更高，過多的冗余信號將使系統中的延時、空采樣、報文丟失變得更加嚴重，從而使系統的性能惡化。為了處理網絡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（時間觸發）和異步（事件驅動）相結合的采樣方式。