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. 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，一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TdeIay，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TsampdeIayl，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TsampdeIay2，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TcondeIayl，控制信号的传输延时TseddeIay2，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=TsampdeIayl+TseddeIayl++TseddeIay2+TcondeIay2 （1）
=（TsampdeIayl+Tsampdelay2+TcondeIayl+Tcondelay2）+（TseddeIayl+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。

分析表明：由于信息的发送时问（Tsend）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）相结合的采样方式。