CAN总线控制网络实时性分析

1、1 / 12CAN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管理的联系。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

2、制系统，受控对 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。2 / 12受控对象图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。3 / 12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

3、我们将在对CAN总线控制网络的时域特性的分析基础上，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

4、采样信号在发送缓冲中的延 时Tsampdelayl，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。4 / 12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+Tsampdela

5、y2+Tcondelayl+Tcondelay2）+（Tseddelayl+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） 。

6、分析表明：由于信息的发送时问（Tse nd）是由协议本身决定的。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5 / 12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