基于CAN總線的網絡控制系統的仿真研究

張曉倩，宋曉茹，曹建建

(1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710032)

基于CAN總線的網絡控制系統的仿真研究

張曉倩1，宋曉茹1，曹建建2

(1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710032)

為了研究控制網絡對網絡控制系統的影響，利用TrueTime工具箱中的TrueTime Network模塊和干擾節點模擬網絡環境，利用TrueTime Send模塊、TrueTime Receive模塊與TrueTime Kernel模塊搭建出完整的網絡控制系統的仿真模型。分別仿真研究基于以太網和基于CAN總線的網絡控制系統的性能，以及基于CAN總線在網絡傳輸速率不同的情況下網絡控制系統的性能。基于CAN總線的網路控制系統在負載較大和網絡傳輸速率較高的情況下，系統輸出曲線超調量小，調節時間短。仿真結果表明：CAN總線在網絡控制系統中具有更好的穩定性。

網絡控制系統；以太網；CAN總線；TrueTime工具箱；傳輸速率

0 引 言

網絡控制系統[1]是指在控制器和被控對象之間加入通信網絡，使傳感器到控制器的信息傳輸和控制器到執行器的信息傳輸通過通信網絡來實現[2-6]。安裝在網絡上的設備，像傳感器、控制器和執行器都是帶網絡接口的，這些設備是實時控制網絡中的獨立節點，各個節點之間通過網絡傳輸信息，使得不同地點的用戶實現網絡資源共享且能夠相互協調工作。

王俊杰等[7]在網絡傳輸數據速率一定的情況下，研究了不同的丟包率對網絡控制系統性能的影響。張雪林[8]詳細分析了調度算法對基于CAN總線的網絡控制系統性能的影響。鄧文展等[9]在同時存在時延和數據包丟失的情況下，分析了網絡控制系統的穩定性問題。但并沒有針對基于CAN總線的網絡控制系統以及CAN總線在不同的數據包傳輸速率的情況下進行分析。

文中考慮了控制網絡和傳輸速率，在具有一定干擾的情況下，仿真分析了在不同控制網絡和不同傳輸速率情況下網絡控制系統的穩定性。

1 TrueTime仿真工具箱

為了仿真研究網絡控制系統，仿真工具箱必須能夠反映控制系統和網絡傳輸系統。考慮到這兩方面的特性，瑞典Lund工學院的Martin Ohlin、Dan Henriksson 和Anton Cervin等開發出TrueTime[10-13]工具箱。TrueTime工具箱是一種比較理想的仿真工具，目前已發展到TrueTime 2.0版本。TrueTime 2.0工具箱包含的模塊有TrueTime Kernel、TrueTime Network、TrueTime Wireless Nerwork，與TrueTime 1.5版本含有的模塊相同，新增加了TrueTime Send、TrueTime Receive這兩個模塊。

文中利用網絡模塊(TrueTime Network)模擬數據包傳輸速率、數據包大小和丟包率等網絡參數，用于分析各類參數對網絡控制系統的性能影響，具體的網絡模塊如圖1所示。

圖1 TrueTime Network模塊

TrueTime Network模塊用于網絡控制系統中各個節點之間的通信，也可用于仿真不同局域網中數據包的傳輸過程。其中，Network type用于設置控制網絡類型，Number of node用于設置模塊的編號，Data rate用于設置數據包傳輸速率，Minimum frame size用于設置最短的幀長，Loss probability用于設置網絡中數據包的丟失率，Initial seed用于設置開始取值位置。

TrueTime Send模塊和TrueTime Receive模塊是TrueTime 2.0工具箱增加的兩個模塊，這兩個模塊都是只有一路的輸入接口和輸出接口，用于搭建單個輸入接口和單個輸出接口的獨立節點。TrueTime Send模塊和TrueTime Receive模塊可以與內核模塊混合使用搭建出完整的網絡控制系統的仿真模型，需要采用MATLAB或C++編寫程序；也可以不使用內核模塊搭建完整的網絡控制系統模塊，不需要編寫程序。

2 以太網和CAN總線

在以太網中，節點通信采用CSMA/CD協議。該協議的特點是系統中的節點在發送消息之前必須先監聽網絡的狀態，若網絡忙，一直等到網絡空閑才可發送信息，否則可以立即發送信息。若網絡空閑，當有多個節點同時發送信息，就會發生沖突，導致發送中斷。這種情況處理的辦法是在發送信息之前，若該節點偵聽到網絡中有很多信息發生沖突，該節點就要等待一個隨機時間長度，再重傳。

以太網的缺點是傳輸在網絡中的數據包受到隨機時延的影響，尤其是當網絡處于高負載下且沖突嚴重時，此時網絡的數據吞吐量在下降，進而產生了網絡誘導時延，且時延是隨機、無上界的。若以太網用于網絡控制系統中，只適合網絡處于輕負載時的情況，當網絡負載太大時，產生的時延隨機且無界，不適合應用于網絡控制系統。

CAN總線協議是從最初為汽車工業開發的標準中發展而來的，CAN總線支持總線型的拓撲結構，雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質。CAN總線協議使用的是載波幀聽多路存取/消息優先仲裁(CSMA/AMP)協議[14]，該協議是面向消息的，且每個消息根據規定的優先級在網絡中進行傳輸，這樣就可以仲裁很多節點同時訪問網絡決定哪個節點獲得網絡的訪問權。CAN總線協議采用的多主競爭方式結構的特點是，網絡中每個節點可以不分主從在任意時間發送信息到其他節點，也就是當網絡空閑時，每個節點對網絡都有訪問權。若當多個節點同時向網絡發送消息而發生沖突，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的標識符，優先級高的節點可不受影響地繼續發送信息[15]，而優先級低的節點主動停止發送數據，直到網絡空閑再傳輸。因此，不會出現節點沖突，避免了網絡擁塞的發生。

CAN總線優點：傳輸信號采用短幀結構，受干擾概率低，若節點嚴重錯誤，具有自動關閉輸出的功能，使其他節點不受影響，具有高可靠性。

3 干擾仿真實例

3.1 仿真模型

利用TrueTime工具箱來搭建網絡控制系統仿真模型，如圖2所示。由一個二階被控對象與傳感器相連，傳感器通過網絡發送采樣指令，并將采樣值傳送給控制器，控制器進行控制算法的計算，把控制信號通過網絡傳送給執行器，最終實現對被控對象進行實時控制。

圖2 網絡控制系統仿真模型

3.2 仿真結果分析

(1)改變網絡控制系統仿真模型中的控制網絡類型，分析基于以太網的仿真結果和基于CAN總線的仿真結果。

設網絡帶寬占用率為30%，通信模式設為以太網，網絡控制系統仿真結果如圖3所示。

設網絡帶寬占用率為30%，通信模式設為CAN總線，網絡控制系統仿真結果如圖4所示。

圖3 網絡控制系統仿真結果(1)

圖4 網絡控制系統仿真結果(2)

從圖3、4可以看出，當網絡帶寬占用率為50%，基于以太網的網絡控制系統輸出曲線呈發散狀態，系統已經不穩定；基于CAN總線的網絡控制系統的輸出曲線呈收斂狀態，且能夠很好地跟隨輸入。說明CAN總線能夠保證重負載下網絡控制系統的穩定性。

(2)改變CAN總線網絡的傳輸速率，分析不同傳輸速率下的仿真結果。

設網絡帶寬占用率為30%，通信模式設為CAN總線，丟包率為15%，傳輸速率為80 kbit/s，網絡控制系統仿真結果如圖5所示。

設網絡帶寬占用率為30%，通信模式設為CAN，丟包率為15%，傳輸速率為100 kbit/s，網絡控制系統仿真結果如圖6所示。

從圖5和圖6中可以看出，當網絡控制系統中控制網絡采用CAN總線，在網絡帶寬占用率、丟包率相同的情況下，傳輸速率低的輸出曲線呈現失真，系統不穩定；傳輸速率高的輸出曲線超調量小，調節時間短，快速地跟隨輸入信號。說明基于CAN總線的網絡控制系統在數據傳輸速度較高的情況下，系統的實時性好、控制效果好。

圖5 網絡控制系統仿真結果(3)

圖6 網絡控制系統仿真結果(4)

4 結束語

網絡控制系統是涉及網絡技術、通信技術、控制技術等多領域的復雜系統，如果不研究控制策略對網絡控制系統的影響，不同的控制網絡及控制網絡的傳輸特性對網絡控制系統的影響是不一樣的。文中從控制網絡技術的角度出發，改變網絡控制系統仿真模型的控制網絡類型及網絡傳輸數據的速率，通過仿真結果驗證了CAN總線在負載較大和傳輸速率較高時都能夠保證網絡控制系統的穩定性。

[1] Walsh G C,Ye H,Bushnell L.Stability analysis of networked control system[C]//Proc of control conference.San Diego,CA,USA:IEEE Press,1999:2876-2880.

[2] WalshG C,Ye Hong.Scheduling of networked control systems[J].IEEE Control Systems Magazine,2001,21(1):57-65.

[3] Zhang Wei,Branicky M S,Philips S M.Stability of networked control systems[J].IEEE Control System Maganize,2001,21(1):84-99.

[4] 鄧士普,王樹青.基于網絡的控制系統研究綜述[J].化工自動化及儀表,2003,30(6):1-5.

[5] 朱其新,胡壽松.網絡控制系統的分析與建模[J].信息與控制,2003,32(1):5-8.

[6] Cervin A,Eker J,Bernhardsson B,et al.Feedback-feed forward scheduling of control tasks[J].Real-time Systems,2002,23(1):25-53.

[7] 王俊杰,孫君曼.基于TrueTime的網絡化控制系統仿真平臺的構建[J].鄭州輕工業學院學報:自然科學版,2011,26(1):79-82.

[8] 張雪林.基于CAN總線的網絡控制系統研究[D].南寧:廣西大學,2007.

[9] 鄧文展,宋立忠,尹 洋.網絡控制系統的模型建立及穩定研究[J].計算機仿真,2009,26(8):108-111.

[10] 王軼卿,趙英凱.TrueTime在實時控制系統仿真中的應用[J].機械與電子,2005(3):72-73.

[11] 何堅強,張煥春,經亞枝.基于Matlab環境的網絡控制系統仿真平臺[J].計算機工程與應用,2005,41(2):142-145.

[12] 何堅強.基于控制網絡的測控系統仿真實驗平臺[J].實驗技術與管理,2005,22(3):69-72.

[13] 何堅強,張煥春.基于網絡的實時控制系統仿真[J].工業控制計算機,2004,17(1):28-29.

[14] 徐 超,李正平,汪長勤.基于CSMA/CD的CAN總線訪問的建模與仿真的研究[J].儀器儀表學報,2008,29(4):866-869.

[15] Nolte T,Hansson H,Norstrom C.Probabilistic worst-case response-time analysis for the controller area network[C]//Proc of real-time and embedded technology and applications symposium.[s.l.]:IEEE,2003:200-207.

Research on Simulation of Network Control System Based on CAN Bus

ZHANG Xiao-qian1，SONG Xiao-ru1，CAO Jian-jian2

(1.School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China;2.Industrial Center，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China)

In order to study the influence of the control network on the networked control system,network environment is simulated by using the TrueTime Network module and the interference node in TrueTime toolbox.The simulation model of the complete networked control system is built by using the module of TrueTime Send,TrueTime Receive and TrueTime Kernel.Simulation study on the performance of the networked control system respectively based on Ethernet and CAN bus and of the networked control system with different network transmission rate of CAN bus is conducted.The output curve of the system have small overshoot and short adjusting time when the networked control system based on CAN bus in the case of heavy load and high transmission rate.The simulation shows that CAN bus has better stability in the networked control system.

network control system;Ethernet;CAN bus;TrueTime toolbox;transmission rate

2015-10-15

2016-01-20

時間：2016-06-22

陜西省自然科學基礎研究計劃(2014JM2-6093)

張曉倩(1983-)，女，助教，研究方向為網絡控制系統；宋曉茹，副教授，研究方向為多傳感器信息融合。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160621.1701.020.html

TP273

A

1673-629X(2016)07-0192-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.07.041