CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析

當(dāng)數(shù)字控制系統(tǒng)中各采樣器或保持器以不同的采樣周期進(jìn)行工作時(shí)，就構(gòu)成了多率采樣控制系統(tǒng)。根據(jù)多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)中各個(gè)采樣器或保持器是否同步和各采樣周期之間的關(guān)系，可以將多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)一步分類。

如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算都在同一的時(shí)鐘下同步進(jìn)行，再根據(jù)各采樣周期之間的關(guān)系，同步系統(tǒng)可分為：輸入多率采樣控制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。

如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算不在同一的時(shí)鐘下同步進(jìn)行，再根據(jù)各采樣周期之間的關(guān)系，非同步系統(tǒng)可分為：輸入多率采樣控制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的理論和工程實(shí)踐基本局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非同步多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法來(lái)進(jìn)行分析，假定局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非同步多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法來(lái)進(jìn)行分析，假定個(gè)采樣器和保持器的采樣時(shí)間是一隨機(jī)過(guò)程，然后利用隨機(jī)系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行。

四、動(dòng)態(tài)時(shí)間窗

為了均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載提高網(wǎng)絡(luò)利用率，結(jié)合CAN自身的特點(diǎn)，在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中，我們可以設(shè)定一個(gè)具有系統(tǒng)控制功能的節(jié)點(diǎn)，這里可以叫它為主節(jié)點(diǎn)（它區(qū)別于其他節(jié)點(diǎn)的是它的屬性優(yōu)先級(jí)最高），其他的叫從節(jié)點(diǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包括：時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)和事件觸發(fā)系統(tǒng)。前者針對(duì)的是時(shí)間觸發(fā)信息而后者針對(duì)的是事件觸發(fā)信息。那么怎樣去區(qū)分這兩者呢?對(duì)于時(shí)間觸發(fā)信息認(rèn)為它是相對(duì)于自然界是一個(gè)同步系統(tǒng)；而事件觸發(fā)信息定義它為相對(duì)于自然界是個(gè)異步系統(tǒng)。一般情況事件觸發(fā)通信的效率要比時(shí)間觸發(fā)效率高，但在考慮到最壞情況時(shí)，這種效率是無(wú)法估計(jì)的。由于事件觸發(fā)相對(duì)于自然界是異步的，所以，當(dāng)所有事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，對(duì)它是個(gè)最壞情況。為了解決這種問(wèn)題，往往需要足夠多的資源（例如：通信帶寬）。而對(duì)于時(shí)間觸發(fā)通信，它往往相對(duì)于自然界是個(gè)同步過(guò)程，它可以在所要完成控制的環(huán)境下，提前決定時(shí)隙以控制最大輪回時(shí)間。它最重要的一個(gè)特點(diǎn)是我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上不同的信息流傳輸情況進(jìn)行狀態(tài)相關(guān)控制?？梢詫?duì)不同的信息流設(shè)置不同的狀態(tài)，以使減少在同一時(shí)間等待發(fā)送的信息，這種狀態(tài)相關(guān)控制會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

為了能使這兩種系統(tǒng)之間不耦合，我們引入了動(dòng)態(tài)時(shí)間窗（DTW）的概念。在一個(gè)DTW中，又包含兩個(gè)子窗：異步窗（AW）和同步窗（SW）。異步窗用于收發(fā)事件觸發(fā)消息，同步窗用于收發(fā)時(shí)間觸發(fā)消息。由于事件觸發(fā)消息一般比較少且到來(lái)具有隨機(jī)性，而且一般要求及時(shí)相應(yīng)，則在系統(tǒng)時(shí)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(zhēng)取最大限度地及時(shí)響應(yīng)事件觸發(fā)消息和防止系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難。如下為一個(gè)STW的結(jié)構(gòu)。

單位時(shí)間冒

這里，令窗開(kāi)始的時(shí)間為T(mén)m，異步窗的時(shí)間為T(mén)a，同步窗的時(shí)間為T(mén)s，總的系統(tǒng)窗時(shí)間為T(mén)c，而其中的雙向箭頭為一個(gè)QOS指針機(jī)制，它的滑動(dòng)可以界定異步窗和同步窗的時(shí)間。

為什么要設(shè)定QOS指針呢？因?yàn)橛捎谑录|發(fā)信息相對(duì)于時(shí)間是個(gè)異步系統(tǒng)而且具有隨機(jī)性，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)服務(wù)請(qǐng)求量是個(gè)動(dòng)態(tài)變化的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的事件信息比較少時(shí)，可以移動(dòng)QOS指針，使異步窗縮短；相反，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的事件信息較多時(shí)，通過(guò)移動(dòng)QOS指針使異步窗伸長(zhǎng)，但卻有個(gè)極限值。這樣，就可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

系統(tǒng)時(shí)間窗Tc如何設(shè)定？Tc的改變對(duì)哪些參數(shù)有影響？
令η為網(wǎng)絡(luò)的最大有效利用率，
則η=1－（Tm/Tc） （5）
顯然，由（1）式知，Tc決定網(wǎng)絡(luò)的最大利用率。隨著Tc的增大網(wǎng)絡(luò)的最大利用率增大，那么為什么不盡量增大Tc呢？因?yàn)樽鳛?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/控制網(wǎng)絡(luò)">控制網(wǎng)絡(luò)，它要求實(shí)時(shí)性。若Tc比較大，同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生耦合，故Tc也不能太大。所以Tc的設(shè)定要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)而定。

何為系統(tǒng)災(zāi)難情況？由于系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)異步系統(tǒng)（Sa）和同步系統(tǒng)（Ss）組成。由于同步系統(tǒng)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(duì)于異步系統(tǒng)，由于它相對(duì)于時(shí)間是異步系統(tǒng)，故當(dāng)所有異步信號(hào)同步發(fā)生時(shí)，此時(shí)為異步系統(tǒng)的災(zāi)難情況。當(dāng)然，也是總的系統(tǒng)的災(zāi)難情況。由于我們?cè)O(shè)定了最大異步窗，所以當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)舊具有一定的傳輸能力。

這樣在時(shí)域上平衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，隨著單網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，充分提高了帶寬利用率，當(dāng)然也就減少了控制信息的時(shí)延，下面將有實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。