CAN总线控制网络实时性分析

1、CAN总线控制网络实时性分析将通信网络引人控制系统，连接智能现场设备和自动化系统，实现了现场设 备控制的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层经管的联系。同时 由于网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络的 承载能力和通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得 信息在传输过程中不可避免地存在时延。目前国际上CAN总线的研究人员也提出了几种高层协议，但是这些协议都不兼备对网络灵活性和实时性的支 持。本文以CAN总线为研究对象，对于网络闭环控制系统的设计提出了两点 改善技术方案。一、CAN闭环网络控制系统随着控制系统趋于复杂化，对于一个独立的闭环控制系统，受控

2、对 象和控制器一般都会分布在网络的不同部分， 一个典型的CAN总线闭环网络 控制系统如图1所示图1典型的闭环网络控制系统（NCS相对于传统的闭环控制系统，在设计闭环网络控制系统（NCS时,需要考虑一个新的限制：通信网络的带宽限制，影响网络带宽的性能有四种 因素：1.采样速率，各设备按此速率向网络发送信息；2.需要同步操作的元件数；3信息的数据或报文长度；4.控制信息传输的协议对于NCS般要求满足两个主要指标：延时的限定和传输的保证,即信息必须在限定的时间内成功地被传输。 失败的传输或从传感器到执行元 器件大量的延时信息将影响系统性能或使之不稳定。下面我们将在对CAN总线控制网络的时域特性的分析

3、基础上，提出一些减少网络时延和提高网络带宽利用率的方法。二、CAN网络的时域分析CAN协议转为短报文而优化，并使用报文优先权仲裁介质访问方法。具有较高优先权的报文在仲裁时总能得到介质的访问权， 所以较高优先级报 文的传输延时总可以被保证。与其他网络相比，CAN的主要缺点在于较低的 数据速率。因为CAN网络为位同步总线。CAN的最大速率为1Mbps同样限 制了网络的最大长度。这里将用研究时域参数的方法描述CAN控制网络的延时情况。对于 图1的NCS控制系统的总时延为Tdelay，包括采样信号从传感器送出到控 制输出信号到达执行器的延迟时间。 具体可分为采样信号在发送缓冲中的延 时Tsampdel

4、ayl，采样信号的传输延时Tseddelayl，采样信号在控制器接收 缓冲中的延时Tsampdelay2,控制器的运算延时Tmcu控制输出信号在控制 器发送缓冲中的等待时间Tcondelayl，控制信号的传输延时Tseddelay2，控制信号在执行器的接收队列中的等待延时TCOndelay2。总的时间延时可以用一下等式清楚的表达：Tdelay二Tsampdelayl+Tseddelayl+Tsanpdelay2+Tmcu+TcOndelayl+TseddeIay2+TcondeIay2（1）=（Tsampdelayl+Tsampdelay2+Tcondelayl+Tcondelay2）+（Ts

5、eddelayl+Tseddelay2）+Tmcu（2）随着DSP等高速器件的应用，Tmcu相对于其他变量可以忽略，故上式可为Twalt+Tsend（3）。这里Twalt看作排队时间，Tsend看作发送时间。对于排队时间Tse nd将取决于网络协议，并且是控制网络确定性的 一个主要作用。具体取决于数据长度，引导位，填充和位时间。设Ndala为 数据字节长度，Nhead为引导位字节长度，Nstu什为填充为字节数， 比特位 长度为Tb_l（约为1us） ，则发送时间为Tsend=（ Ndata+Nhead+Nstuff） 8Tb.t（4）。分析表明：由于信息的发送时问（Tse nd）是由协议本身决

6、定的。要 提高系统的实时性必须减少网络中信息的等待时间（TWait）。所以我们将 从减少网络的信息量和均衡网络负载两方面来提高系统的实时性。三、多率采样在对CAN总线闭环控制网络的时延进行分析后，要减少控制系统的时延应该首先尽量减少网络中的信息传递任务，其次，在网络带宽一定的前 提下，均衡网路负载以提高网络带宽的利用率。对于NCS由于节点分散化，不太可能也不太实际将所有的物理信号 采用单一的速率进行采样。通常，采样器和保持器的采样时间越短，系统得 到的性能就越好。但A/D,D/A转换器越快，其成本就越高。对于具有不同 频率的信号的系统， 既能达到较好的性能又能使系统成本较低的一种好的方 法就是

7、A/D，D/A转换器采用不同的速率。因此，多率采样是NCS自然的选 择。在分布式系统中采样一般是采用时间驱动的A/D，D/A转换器，尽管这 种采样方式很适合于许多单回路的控制系统，但是对于多率采样系统来说， 采用同步（时间触发）的采样方式常常会出现很多的问题，如网络带宽的限 制使系统对信号的要求更高，过多的冗余信号将使系统中的延时、空采样、 报文丢失变得更加严重，从而使系统的性能恶化。为了处理网络带宽的限制 以及消除冗余信号对系统性能的负面影响，常常采用同步（时间触发）和异 步（事件驱动）相结合的采样方式。当数字控制系统中各采样器或保持器以不同的采样周期进行工作 时，就构成了多率采样控制系统。

8、根据多率采样数字控制系统中各个采样器 或保持器是否同步和各采样周期之间的关系， 可以将多率采样数字控制系统 进一步分类如果系统的各采样器，保持器和各微机的计算都在同一的时钟下同步进行，再根据各米样周期之间的关系，同步系统可分为：输入多率米样控 制系统、输出多率采样控制系统和广义多率采样控制系统。如果系统的各采样器，保持器和各微机的计算不在同一的时钟下同 步进行，再根据各采样周期之间的关系，非同步系统可分为：输入多率采样 控制系统、输出多率采样控制系统和广义多率采样控制系统。传统的理论和工程实践基本局限于同步多率采样控制系统，对于非 同步多率采样数字控制系统的研究比较复杂，通常都是采用随机的方法

9、来进 行分析，假定局限于同步多率采样控制系统，对于非同步多率采样数字控制 系统的研究比较复杂，通常都是采用随机的方法来进行分析，假定个采样器 和保持器的采样时间是一随机过程，然后利用随机系统的方法来进行。-数字控制器_器持保被控对象i-一-*器样釆-图2数字控制系统四、动态时间窗为了均衡网络的负载提高网络利用率，结合CAN自身的特点，在一个CAN网络中，我们可以设定一个具有系统控制功能的节点，这里可以叫它 为主节点（它区别于其他节点的是它的属性优先级最高） ，其他的叫从节点。 我们设计一个网络系统，它包括：时间触发系统和事件触发系统。前者针对 的是时间触发信息而后者针对的是事件触发信息。 那么

10、怎样去区分这两者呢?对于时间触发信息认为它是相对于自然界是一个同步系统； 而事件触发信息 定义它为相对于自然界是个异步系统。 一般情况事件触发通信的效率要比时 间触发效率高，但在考虑到最坏情况时，这种效率是无法估计的。由于事件 触发相对于自然界是异步的，所以，当所有事件同时发生时，对它是个最坏 情况。为了解决这种问题，往往需要足够多的资源（例如：通信带宽）。而 对于时间触发通信，它往往相对于自然界是个同步过程，它可以在所要完成 控制的环境下，提前决定时隙以控制最大轮回时间。它最重要的一个特点是 我们可以根据网络上不同的信息流传输情况进行状态相关控制。可以对不同 的信息流设置不同的状态，以使减少

11、在同一时间等待发送的信息，这种状态 相关控制会提高网络的利用率。为了能使这两种系统之间不耦合，我们引入了动态时间窗（DTV）的 概念。在一个DTW中，又包含两个子窗：异步窗（Avy和同步窗（svy。异 步窗用于收发事件触发消息，同步窗用于收发时间触发消息。由于事件触发 消息一般比较少且到来具有随机性，而且一般要求及时相应，则在系统时间窗中，异步窗在前同步窗在后，且我们提出了最大异步窗的概念，争取最大限度地及时响应事件触发消息和防止系统网络灾难。如下为一个STW勺结构i1 .窗开始异步窗同步窗1图3单位时间冒这里，令窗开始的时间为Tm异步窗的时间为Ta,同步窗的时间为Ts,总的系统窗时间为Tc,

12、而其中的双向箭头为一个QOS旨针机制，它的滑 动可以界定异步窗和同步窗的时间。为什么要设定QOS旨针呢？因为由于事件触发信息相对于时间是个 异步系统而且具有随机性，整个网络的事件触发服务请求量是个动态变化 的。当网络中的事件信息比较少时，可以移动QOS旨针，使异步窗缩短；相 反，当网络中的事件信息较多时，通过移动QOS旨针使异步窗伸长，但却有 个极限值。这样，就可以有效地利用网络带宽。系统时间窗Tc如何设定？Tc的改变对哪些参数有影响？令n为网络的最大有效利用率，贝卩n=1(Tm/Tc)(5)显然，由（1）式知，Tc决定网络的最大利用率。随着Tc的增大网络的最大利用率增大，那么为什么不尽量增大

13、Tc呢？因为作为控制网络， 它要求实时性。若Tc比较大，同步系统和异步系统就会产生耦合，故Tc也 不能太大。所以Tc的设定要根据具体的网络而定。何为系统灾难情况？由于系统由两个子系统异步系统 （Sa） 和同步 系统 （Ss）组成。由于同步系统它的信息量是决定于传感器的采样率，故它 的信息量是恒定的。而对于异步系统，由于它相对于时间是异步系统，故当 所有异步信号同步发生时，此时为异步系统的灾难情况。当然，也是总的系 统的灾难情况。由于我们设定了最大异步窗，所以当灾难发生时，网络旧具 有一定的传输能力。这样在时域上平衡了网络负载，随着单网段节点数目的增加，充分 提高了带宽利用率，当然也就减少了控制

14、信息的时延，下面将有实验仿真结 果。五、仿真分析这里我们认为在一个系统中它的异步信息量趋于正态分布，在我们 的仿真中设定每帧的发送时间为单位时间1。帧开头的时间为4单位时间， 异步信息趋于正态分布n（40，16），随着总线时间窗长度的变化总线利用 率也发生变化，我们将得到动态时间窗和静态时间窗（即异步窗和同步窗长 度相等）的总线利用率。系统仿真结果如图4所示。从图中可看出：1.首先在异步信息分布一定的前提下，总时间窗长度存在某一值能 使总线利用率最大。反映在工程实际中也就是同步信息的数量有一个最佳的 取值。2.其次动态时间窗比静态时间窗有较好的总线利用率，而且随着总 线时间窗长度的增大而更明显

15、。图4系统仿真结果六、系统的实现 基于CAN总线的系统实现：在该系统中，有一个主节点，它主要完成网络信息的调度，它被赋予最高优先级。再次，对于其他收发事件信息的 节点赋予次高优先级，最后，给那些收发时间信息的节点赋予最低优先级。主节点完成的功能：发送窗开始信息和QOS指针，这两个信息都是 广播帧。当主节点发送窗开始信息时， 所有节点都接收， 这样就达到整个网 络同步的效果。QOS言息不是每个系统窗都必须的，当事件信息在最大异步 时间内能够完成发送，则Q0环发送；相反，当异步窗达到最大异步时间窗 时，主节点就会发送QOS指针，所有节点都收到该信息，所有异步节点停止 发送信息，此时同步接点才开始可以发送信息。异步节点完成的功能：异步节点时刻在监听总线，当窗开始信息到 达时，由于异步节点的优先级都高于同步接点，此时，异步节点可以发送信 息，在这些异步节点当中按照优先级的不同来调度异步信息。当QOS旨针信息到达时，所有异步节点停止发送信息，只能接