產品廠商新聞方案技術培訓下載招聘品牌展會視頻媒體國防軍民融合

  •  
     

    25选7:CAN總線控制網絡實時性分析

    2006-04-18 控制工程

    25选7 www.peiyx.com

          控制回路通過實時網絡閉環而成的反饋控制系統稱為網絡控制系統。由于控制回路網絡中信息傳輸時延的存在,使得控制回路系統的實時性非常重要。在系統分析了CAN總線網絡控制系統的時域特性的基礎上,提出了一種基于CAN總線的網絡控制系統設計方案,采用多率采樣和動態時間窗設計概念,減少了閉環網絡控制系統的時延,提高了網絡帶寬利用率。   
          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+TsanpdeIay2+Tmcu+ TcOn•deIayl+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。  
          對于排隊時間Tsend將取決于網絡協議,并且是控制網絡確定性的一個主要作用。具體取決于數據長度,引導位,填充和位時間。設Ndala為數據字節長度,Nhead為引導位字節長度,Nstu什為填充為字節數,比特位長度為Tb_l(約為1us),則發送時間為Tsend=(Ndata+Nhead+Nstuff)8Tb.t(4)。  
          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?;岢魷趾芏嗟奈侍?,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。  
          當數字控制系統中各采樣器或保持器以不同的采樣周期進行工作時,就構成了多率采樣控制系統。根據多率采樣數字控制系統中各個采樣器或保持器是否同步和各采樣周期之間的關系,可以將多率采樣數字控制系統進一步分類。
          如果系統的各采樣器,保持器和各微機的計算都在同一的時鐘下同步進行,再根據各采樣周期之間的關系,同步系統可分為:輸入多率采樣控制系統、輸出多率采樣控制系統和廣義多率采樣控制系統。 
          如果系統的各采樣器,保持器和各微機的計算不在同一的時鐘下同步進行,再根據各采樣周期之間的關系,非同步系統可分為:輸入多率采樣控制系統、輸出多率采樣控制系統和廣義多率采樣控制系統。
          傳統的理論和工程實踐基本局限于同步多率采樣控制系統,對于非同步多率采樣數字控制系統的研究比較復雜,通常都是采用隨機的方法來進行分析,假定局限于同步多率采樣控制系統,對于非同步多率采樣數字控制系統的研究比較復雜,通常都是采用隨機的方法來進行分析,假定個采樣器和保持器的采樣時間是一隨機過程,然后利用隨機系統的方法來進行。 
        四、動態時間窗
          為了均衡網絡的負載提高網絡利用率,結合CAN自身的特點,在一個CAN網絡中,我們可以設定一個具有系統控制功能的節點,這里可以叫它為主節點(它區別于其他節點的是它的屬性優先級最高),其他的叫從節點。我們設計一個網絡系統,它包括:時間觸發系統和事件觸發系統。前者針對的是時間觸發信息而后者針對的是事件觸發信息。那么怎樣去區分這兩者呢?對于時間觸發信息認為它是相對于自然界是一個同步系統;而事件觸發信息定義它為相對于自然界是個異步系統。一般情況事件觸發通信的效率要比時間觸發效率高,但在考慮到最壞情況時,這種效率是無法估計的。由于事件觸發相對于自然界是異步的,所以,當所有事件同時發生時,對它是個最壞情況。為了解決這種問題,往往需要足夠多的資源(例如:通信帶寬)。而對于時間觸發通信,它往往相對于自然界是個同步過程,它可以在所要完成控制的環境下,提前決定時隙以控制最大輪回時間。它最重要的一個特點是我們可以根據網絡上不同的信息流傳輸情況進行狀態相關控制??梢遠圓煌男畔⒘魃柚貌煌淖刺?,以使減少在同一時間等待發送的信息,這種狀態相關控制會提高網絡的利用率。
          為了能使這兩種系統之間不耦合,我們引入了動態時間窗(DTW)的概念。在一個DTW中,又包含兩個子窗:異步窗(AW)和同步窗(SW)。異步窗用于收發事件觸發消息,同步窗用于收發時間觸發消息。由于事件觸發消息一般比較少且到來具有隨機性,而且一般要求及時相應,則在系統時間窗中,異步窗在前同步窗在后,且我們提出了最大異步窗的概念,爭取最大限度地及時響應事件觸發消息和防止系統網絡災難。如下為一個STW的結構。
     


    單位時間冒
          這里,令窗開始的時間為Tm,異步窗的時間為Ta,同步窗的時間為Ts,總的系統窗時間為Tc,而其中的雙向箭頭為一個QOS指針機制,它的滑動可以界定異步窗和同步窗的時間。
          為什么要設定QOS指針呢?因為由于事件觸發信息相對于時間是個異步系統而且具有隨機性,整個網絡的事件觸發服務請求量是個動態變化的。當網絡中的事件信息比較少時,可以移動QOS指針,使異步窗縮短;相反,當網絡中的事件信息較多時,通過移動QOS指針使異步窗伸長,但卻有個極限值。這樣,就可以有效地利用網絡帶寬。
        系統時間窗Tc如何設定?Tc的改變對哪些參數有影響?
        令η為網絡的最大有效利用率,則η=1-(Tm/Tc)   (5)
          顯然,由(1)式知,Tc決定網絡的最大利用率。隨著Tc的增大網絡的最大利用率增大,那么為什么不盡量增大Tc呢?因為作為控制網絡,它要求實時性。若Tc比較大,同步系統和異步系統就會產生耦合,故Tc也不能太大。所以Tc的設定要根據具體的網絡而定.
          何為系統災難情況?由于系統由兩個子系統異步系統(Sa)和同步系統(Ss)組成。由于同步系統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。而對于異步系統,由于它相對于時間是異步系統,故當所有異步信號同步發生時,此時為異步系統的災難情況。當然,也是總的系統的災難情況。由于我們設定了最大異步窗,所以當災難發生時,網絡舊具有一定的傳輸能力。
          這樣在時域上平衡了網絡負載,隨著單網段節點數目的增加,充分提高了帶寬利用率,當然也就減少了控制信息的時延,下面將有實驗仿真結果。
        五、仿真分析
          這里我們認為在一個系統中它的異步信息量趨于正態分布,在我們的仿真中設定每幀的發送時間為單位時間1。幀開頭的時間為4單位時間,異步信息趨于正態分布n(40,16),隨著總線時間窗長度的變化總線利用率也發生變化,我們將得到動態時間窗和靜態時間窗(即異步窗和同步窗長度相等)的總線利用率。系統仿真結果如圖所示。從圖中可看出:


        1.首先在異步信息分布一定的前提下,總時間窗長度存在某一值能使總線利用率最大。反映在工程實際中也就是同步信息的數量有一個最佳的取值。
        2.其次動態時間窗比靜態時間窗有較好的總線利用率,而且隨著總線時間窗長度的增大而更明顯。
    系統仿真結果
        六、系統的實現
          基于CAN總線的系統實現:在該系統中,有一個主節點,它主要完成網絡信息的調度,它被賦予最高優先級。再次,對于其他收發事件信息的節點賦予次高優先級,最后,給那些收發時間信息的節點賦予最低優先級。
          主節點完成的功能:發送窗開始信息和QOS指針,這兩個信息都是廣播幀。當主節點發送窗開始信息時,所有節點都接收,這樣就達到整個網絡同步的效果。QOS信息不是每個系統窗都必須的,當事件信息在最大異步時間內能夠完成發送,則QOS不發送;相反,當異步窗達到最大異步時間窗時,主節點就會發送QOS指針,所有節點都收到該信息,所有異步節點停止發送信息,此時同步接點才開始可以發送信息。
          異步節點完成的功能:異步節點時刻在監聽總線,當窗開始信息到達時,由于異步節點的優先級都高于同步接點,此時,異步節點可以發送信息,在這些異步節點當中按照優先級的不同來調度異步信息。當QOS指針信息到達時,所有異步節點停止發送信息,只能接收。
          同步節點完成的功能:同步節點也時刻在監聽總線,當窗開始信息到達時,由于同步節點相對于異步節點比較低,所以雖然此時它們也發送信息,但只要有異步信息它們就會退出。當QOS指針信息到來時,由于異步節點停止發送信息,同步節點就可以發送信息。
        七、結束語
          本文在系統討論了基于CAN總線的閉環網絡控制系統的特點,分析了其時域延時情況。結合CAN總線的自身特點采用了多率采樣和動態時間窗的理念,設計了基于CAN的網絡控制系統。并在實驗室級調試下,證明該閉環網絡控制系統具有良好的實時性。


    分享到:
     
     
     
     
    熱門產品
     
    推薦廠商
     
    關于我們 | 聯系我們 | 廣告服務 | 版權隱私 | 積分換禮 | 友情鏈接 | 站點導航 | 違規舉報
     
    {ganrao}