设计与动态数据交换技术应用研究 第12页
可视化组态的啤酒生产工艺流程监控系统设计与动态数据交换技术应用研究 第12页
附录1：英文技术资料中文译稿
工业自动化中的时间-触发控制网络
DonalHeffernan,GabrielLeen.AssemblyAutomation.Bedford:2002.Vol.Pg60-67
摘要：CAN(控制局域网)总线标准是ISO11898，现在普遍用于工业自动化环境.CAN被用定义应用层用于传感器/执行元件执行分布控制应用.例如Honeywell的SDS,ODVA的DeviceNet(AB)和CANopen是众所周知的设备层网络基于CAN总线协议.CAN总线的一个新的时间-触发协议,涉及到TTCAN,显示实时框架网络传输能被正式校验。本文见绍新的TTCAN协议和建议TTCAN可能提供一种新的解决方案在工业自动化应用。TTCAN潜在的代替一些传统的气动、液动和一些机械安全系统可靠的电气网络。突出的42V技术从汽车业将促进TTCAN技术并提供一些独一无二的工业自动化解决方案。
关键词：实时；控制-网络；现场总线；
0、概述
现在许多系统和现场总线控制网络协议正在设计，以满足实时的要求。CAN总线网络（ISO标准，1993年;ISO标准，1994年）已经由ISO（国际标准组织）标准化，并提供一个普遍控制网络解决方案为许多工业自动化需求，那里的控制中的应用是分布在一个设备系统或跨越的工作单元。当应用变成分布时，工程师必须提供一种手段，提供分布式通信功能。这种手段提供了一个正式的应用层。几个应用层的协议已经为ＣＡＮ总线制定。一些更好的解决方案是：CANKingdom(KVASER,1996)，DeviceNet（IEC标准，
CAN总线已经成功应用超过一亿节点可在2000年，预计到2003年是3.157亿节点。虽然CAN协议的开发，主要是为汽车市场，一个巨大的比例，这些节点被吸收工业自动化市场吸收，ＣＡＮ能找到各种应用，例如：装配生产线控制器，机器人装配控制器，存取机构，气候/环境控制器等。
虽然CAN网络在一个实时的意义上讲可以是可确定性，但它是很难保证在正式的方式下的其绝对的时间行为，，因此有需要一个基于新兴的时间触发的架构的改进的调度方案，。为严格的实时性要求，如汽车的线控的应用，CAN的一个新的ISO规范（ISO标准，2001年）目前正在被定义着，它是在一项议定书的基础上定义的，它是基于静定的时间触发的模式上定义的，时间触发的模式提供了内在的确定性的行为。
新的TTCAN协议是正在开发的高可靠性的应用，如发动机管理，并期望在供安全性至关重要的汽车应用，如制动，引导解决方案，如网络，电子系统将取代传统的机械装配和液动控制系统。TUCAN是安全性至关重要，在一实时传感，某种意义上说，这就是说，它是不足够的一个讯息是收到与正确的信息价值，但也必须在准确的时间档内。传统的CAN总线网络在传送的讯息如果发生错误，然后该信息可能会再次转发。这个重发在TTCA中是不可能的。如果信息是未收到在预期的时段，然后控制提出申请。因此，TTCAN是极准确的时间域系统。TTCNA将被应用到最实时控制等方面的应用事件驱动的讯息释放范式可能无法提供足够的时间完整的-这就是为什么的时间触发模式是选择了汽车的控制由线的申请。不过，草案ttcan规格不支持容错的运作在一个空间冗余意识，因此它不会竞争，立即在最苛刻的汽车安全性至关重要的应用，如汽车制动系统和转向系统。
解决方案在汽车应用中如不包括容错功能，像ttp/C和byteflight。在近年来，在工业自动化的世界，安全的现场总线控制网络系统已越来越有兴趣发展。举例来说，IEC61508（国际展览中心，1997年）的安全标准是与安全有关的系统为电机/电子/可编程设备。一些CAN是基于控制网络正在发展提供安全现场总线解决方案。一个可用的SafetyBUSp(PigginandYoung,2001)工程解决方案，提供三重不同的冗余。CANopenandDeviceNet式的安全现场总线解决方案将可在短期内被利用。同时这也有一个机会研究的一体化的ttcan暂时的完整性特征的潜力，应用到这种新出现的安全现场总线的解决方案中。为这个新的环境控制汽车电机和驱动器提供必要的局部性的功率驱动正从目前的12伏设备提高至42伏的设备。现在有一个真正的机会，为制造商提供采用新的触发技术的工业自动化设备，随着42伏的技术，并应用它来控制不同的情况，这是目前全省的气动和液压控制器。简而言之，如果汽车业能证明这些新兴的解决方案可以提供所需的水平，可靠性安全性至关重要的应用程序，然后时间是工业自动化设备的正确的考虑的机会。图1显示的是有可能取代一些传统的控制系统技术。
图1
1、CAN网络中的信息调度
一般来说，在分布式控制网络有两个经典的讯息调度模型存在，对物业提供的服务网络它可以有一个基本的影响，这些是：
+引发的讯息发布+引发的讯息释放
2、CAN调度研究
在新的时间触发TTCAN系统的时间中，如信息交换和I/O服务实际上是周期性的。在突发事件系统的内部系统交易绝对没有既定的时间如期进行。各种研究的努力，试图转让定期的行为基本上是事件驱动的网络寻找一个框架，以便实时时间的设计。不过，大部分可以实现基本上是事件触发。在1990年的研究工作中为优化调度等网络建议的各种处理方法。Tindell的研究侧重于固定优先级调度（tindell等人，1994年）。Shin（1991）支持的最后期限最早的调度。一些研究者（zuberi和Shin，1997年）赞成的混合交通调度（MTS），就是最早的最后期限模型是用于高速信息，并限期单调（DM）的调度是用于低速讯息。Cena和Valenzano建议优先提升（PP）与分布式优先级队列（DPI计划（cena和valenzano，1997年）。Hong为混合控制和通信交通提出了一种调度算法（香港，1995年）。很多工作已经被做，为事件驱动CAN网络建立了在一帧范围内的响应时间。Tindell(1995)和Navet(1998)目前的分析在发生事件错误的工作，和rudiger（1998）提出了价值函数的定义。Bohannon和Heffernan(1998)提出了在应用层的水平上调处讯息的反应时间的一个软件设计方法。
3、时间触发的调度方式
在CAN控制的网络中的信息与传统调度的方法形成了对比，它是本质上的事件驱动，时间触发的网络是基于循序渐进的时间上发起的信息传输。这样的时间触发的解决方案提供确定性实时的行为，那里的所有节点都同步在全球范围内的时间意识的基础上，基于一个TDMA（时分多址接入）模型。这里没有讯息的碰撞，就像每个信息在整体调度表里都有自己的时段。所有的信息调度是运行时间为暂时静态时间表之前执行的。整体系统讯息附表是能够组合的系统（composability是基于这样一个前提，如果是在本质上正确的子系统组成相结合，那么由此产生的系统也将是正确的，并不会作废性能以前建立的一个子系统层次）。图2显示的概念，是所有的网络节点都有一个共同的意识，关于时间和每个节点都知道的网络的时间表。
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图2
TTCAN解决方案是CAN协议改造的时间触发计划。然而，时间触发的模型为这些在过去十年中这些网络中出现的一些根本性的实时的研究工作，而导致开发的时间触发架构（TTA）的发展。TTA是由于欧盟资助的BRITE-EURAM项目的X-By-Wire（合同编号brprct95-0032），这是运行的同时用ESPRITOMI（开放微处理器系统倡议）计划23396TTA，触发时间架构。这项研究工作的主要贡献者Daimler-Benz, Ford, BritishAerospace, AlcatelAustria, TEMIC,GENIAS,维也纳技术大学和纽约大学。时间触发模式，其背景是汽车电子，允许创新的底盘控制功能，如电子制动管理（EMB）结合防抱死制动系统的功能（ABS），弯道制动控制（CBC），动态制动控制（DBC），自动稳定控制系统（ACS）的，和发动机拖曳力控制（MSR）。以下为各种商业解决方案现的这项研究工作，现在已经合并为：例如：时间触发协议（TTP/CProtocol, 1999;ByteflightSpec., 1999; FlexRay,2001）。虽然CAN控制网络是目前最流行的汽车网络，是世界范围的，这是被排除在安全性至关重要的应用之外的，就是那些有时间触发的要求的，因为它本质上是一个事件驱动网络。不过，TTCAN基于上一个新的会话层来支持的时间触发调度的，允许CAN竞争在规定的时间触发控制的网络市场。新的标准“ttcan的ISO11898-4会话层”预计将在今年批准。
4、TTCAN
介绍一些新的TTCAN议定的涉及的看法：
（1）、现有的扩展的CAN标准
CAN是二层的网络构成，由国际标准化组织的两个最低层，OSI参考模型，即物理层和数据链路层。图
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图3
TTCAN的解决方案，并不只提供了可靠的信息调度的解决办法，还使它更有效地利用现有的网络带宽。此次CAN实现的触发事件，有相对较低的网络使用率的因素。对于非关键应用的网络总线使用率的因素，很少超过50%，而对于硬的实时系统使用率的因素是低得多的，约为20-30%。对于硬实时系统这种低使用率的因素是必要的，以便能够间接产生，当传输出现错误和转播成为必要。这种情况下对带宽使用率的因素树立了一个悲观的上界。目前大部分的CAN是基于调度的方法近似的讯息释放期的最低释放间隔讯息。然而，在TTCAN的释放期是已知的推理和一个不是悲观的估计。TTCAN允许高很多的网络带宽的使用率超过90%，作为讯息在发生错误时不会再传染的，而不是该系统将读取正确的讯息，在这个讯息的下次可用的时段中。一个高度确定性和强劲的配置才能实现，即使在存在错误。在所提供的误差分布的范围内可以采取的步骤，以确保讯息符合各自的最终期限。TTCAN基本上认识到检测和遏制的两个单独的水平误差。首先是清楚界定指明，象CAN的规格ISO11898-1的指定，在物理和数据链路层执行。二是在目前新的会晤层，其重点是触发时间调度错误。目前，错误的管理功能在会话层的设计是为了提供无声故障的功能，以避免象“胡说什么白痴”（严重的行为，可以节点）的可能性干扰网络。
（2）、TTCAN的矩阵周期
时间触发附表由一个固定的时段序列或时间窗组成。在每个时间窗中，一个讯息可能会交换了整个网络。完整的交易序列称为矩阵周期，当网络是在正常运作时会重复循环。矩阵周期本身由基本周期，以每个参考讯息开始和与发生在未来的参考讯息结束组成。图4说明了矩阵周期构成的四个基本周期的一个例子。
当网络节点有充分的传送容量的媒介的时间此窗口时分配时间窗。TDMA插槽的序列，其中每个节点传送的讯息框架，形成了一个基本周期，或TDMA的一轮。所有基本的周期在时域中是同样大小，虽然在价值域可能发生差异，如内容和/或长度的帧发送。当一个基本周期完成后，下一步的基本周期，与同一时间访问模式，但可能是不同框架序列，这只是是开始。基本周期的数（0-63最高）决定的长度群集周期或矩阵的周期。当一个矩阵的周期完成后，传输模式就开始一次又一次的与重复的矩阵周期。
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图4
撰写矩阵周期的时间窗，可能会有三分之一种不同类型。专访时间窗是分配给一个单一的特定的信息。一仲裁时间窗是分配给一个以上的讯息，及BUS冲突可以用CAN的母语非破坏性比特方式的仲裁制度来解决。两个或两个以上的仲裁窗口可能合并或附加。这为转让仲裁讯息有了较大的时间间隔。在他们的时间间隔中，免费的时间窗没有讯息预定期间。这些时间窗是预留作日后扩展网络。
5、时间的全球性意识
同步调度的一个先决条件的要求在分布式网络应用是全球性的时基的定义，这是所有调度行动中涉及的。在TTCAN中的每个节点，参与该计划的转让信息持有的全球时间的翻版，以计数器的形式，其中增量是它的特点，周期性，每个网络时间单元一次（NIU）。为建立和保持绝对的参考和速度的时间内网络集成，一个参考消息以高频率得到传播。这将创建一个间隔时间，以基准本地鉴于时间和作出任何必要的调整，在整体见以维持一个指定的程度同步的质量。在TTCAN中有两个级别的时间同步的可能：第1级和2级。第1级的实施，支持同步功能，这是要实现的时间触发调度的信息。第2级是对第一级的加强。在第2级中提供了高精度全球的时间基地，涉及到了物理秒。
参考讯息的出现，是通过所产生的网络时代主节点发起一个预定的序列信息交易。该网络节点，是当前时间掌握者，传递参考讯息。这个节点是一套可能的时间的主人，并使用其本地时钟的成员之一，当一个基本周期的开始，以确定绝对的时间点。其他的所有的节点（时间接收节点）参考他们的信息交易的附表，用来参考讯息的发生。如果一个参考的讯息是杂乱的，并企图传输，这是立即转发。在实际参考的讯息中，第2级的时间掌握传递额外的信息，以支持第2级的分布式全球的时间特点。时间接收节点便可以使用此绝对参照在全球的时间设定自己的本地时钟。通过定义时间掌握，时间是相等于该网络的意识，全球时间，或共同的时间的见解。在一个TTCAN网络中的通信，构建了周围的参考信息的框架，这些可以被认为是作为一种参考信息作为导火线“的烟花”协议。以确保参考信息的出现，并这样通信。议定书允许任何节点内部的一套节点（最高为8）在网络上能够被的时间掌握。
单位时间（ntus）取值可能有一些不同取决与TTCAN的实施标准。在标准1上NTU是等于网络比特率以名比特时间的持续。在标准2上物理时间秒的一小部分。因为NTU是一小部分物理时间秒可以简单的跨越不同的网络协议创造同步的大型分布式应用。举例来说，这可以允许TTCAN衔接到其他网络，如蓝牙，TTP/A,TTP/C,或者一个GPS系统。
6、CAN和TTCAN的混合网络节点
该TTCAN规格将允许在一个单一CAN网络混合时间触发和传统的网络节点。这样的执行，然而该系统设计师需要仔细考虑，。非TTCAN节点作为TTCAN节点的网络的一个观测都必须不破坏的基本的时间触发结构。该非TTCAN节点可能，例如，具体的预定讯息已被观察到后触发释放的讯息。这些事务可能发生在一个仲裁窗口或在一个自由的时间窗。该不定期的讯息转让必须在预定的转让信息恢复之前完成。一些应用技术可能使用这种技术如果成本重新设计硬件在TTCAN的基础上是过度，或者如果一个软件的实施是不可能的，因为有限的系统资源。然而，这样一个网络可能是第一步在提升一个完整的体系，以实现TTCAN的优势。
7、TTCAN核查工作
（1）、利默里克大学的正式的验证
利默里克大学的研究人员，通过国际标准化组织的工作组是直接参与在TTCAN的规格。一个研究项目是集中于正式核实TTCAN协议规范的任务，用形式逻辑和模型的前后关系的来强调时间域。通过使用正式的逻辑设计验证工具，仿真和核查工作正在取得。用模型的话来说，这类工具有兴建摘要模型系统和模拟动态行为-然后指定和验证的安全和范围，生动活泼性的能力。对任何系统来说这是非常有用的，可以模拟作为一个收集的不确定性时序进程与有限的控制结构和真正的价值的钟表，与对方通沟通过渠道和/或共享变量。验证过程能够检查不变的和达到能力的性能，通过系统-实现的探索状态空间变量，基于象征性的国家所代表的制约因素的能够达到的能力分析。核查过程中，包括测试自动操作和充实该系统的描述与调试信息，然后检查达到能力属性（以确保一些负面的事不可能的事情）和检查生动活泼的物业范围（以确保一些积极的事将一直发生）。该TTCAN议定结构允许象这样的核查工作得以进行。一旦本议定书的核查工作是完成TTCAN用户的应用可以信任TTCAN议定书的设计，然后依赖于简单的信息调度，在分布式应用环境中以实现安全的分布控制的讯息。
（2）、需要一个“测试”标准
由于TTCAN会话层规格现在是以草案的形式存在着，目前正被BoschGmbH，NEC，Atmel或其他可能的公司用来解释硅的执行情况。自从要求杰出的细节要公开的解释任何这种复杂的议定书，所以在个别的公司致力于硅的实现之间，行业迫切的需要一个“试验”的标准。这是预计将在短期内商定。
8、新出现的补充TTCAN的42伏的解决方案
在汽车业的这两个概念，TTCAN和悬而未决的切换至42伏系统，没有直接的联系。不过，依靠实时网络能够连接相对高功率马达和驱动器的方式为工业自动化解决方案提供了一些很好的机会。由于电力的电压值的平方成正比应用与42伏的系统意味着指数增加在控制环境电力可以供应给各装置的致动器。由于汽车产业是非常敏感花费组件的产品和运作，与庞大的研究经费—在未来几年内一个可以期望看到的新技术，高压驱动器装置将投放到市场，在工业自动化设计的领域提供了新的机会，在汽车的研究成果之上—象CAN以同样方式应用到工业自动化领域。
经济者联合会（EIU）估计，在2003年在车中将会首次出现的42伏系统（经济学家智能单元，2000年），而奥迪，可望在三年内装备42伏系统在新A8的车辆中。图5显示，预计全球生产的42伏配备车辆的产品数量（Standard&Poors，2000年）。这些新的42伏系统将有一个36伏电池（装12伏电池的车辆有一个名义上的用发动机运行的14.4伏的电压）。
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图5
9、进一步的工作
在今年即2001年，希望TTCAN的规格将被工业认可通过国际标准化组织和一个测试标准，期待今年年底的硅元素可用性的测试。现在新的TTCAN研究被提议用来发展基于网络的冗余的容错TTCAN网络。
10、总结
新兴的TTCAN控制网络，正被研制用在汽车工业的线控的应用中。汽车工程师所预计了时间触发网络可靠性的期望值，应鼓励工业自动化的设计师要为实时网络考虑新的应用领域，它可取代许多传统解决方案的基础上的机械系统，就是在此之前不能信任的关心的实时网络控制。42伏的技术的出现为工业自动化的设计师补充等于CAN解决，并提供了进一步的机会。
TTCAN解决方案将提供完整所需的control-bywire解决方案，但任有机会进一步的研究在工业自动化中安全的现场总线的要求的容错操作中探讨空间冗余功能
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