5.
5-1 結論
本論文以 CAN 網路系統為探討的主題,透過 CAN 網路的分析實驗,了解其 傳輸特性與系統架構之間的關係,接著,沿用 CANopen 的 CAN 應用層設計概念,
規劃 CAN 應用層協定,以及網路時脈同步機制的設計。最後,於四輪全向平台 系統,實現所設計之應用協定與同步方法,並進行相關的驗證。在此,歸納出以 下結論:
1. 在 CAN 網路特性分析上,本論文以四項實驗參數:(1)網路傳輸速率、(2)資 料封包大小、(3)系統取樣時間,以及(4)傳輸資料量進行傳輸實驗,根據實驗 結果,歸納出影響網路資料遺失率的兩個主要因素:網路延遲與時脈漂移現 象。以系統取樣週期來說,可分為兩種情形:
(a) 取樣週期較大者,對於節點間的時脈同步性,具有較大容忍度,時脈漂 移現象不易被凸顯,因此,資料遺失率主要受到網路傳輸延遲所影響。
(b) 取樣週期較小者,相對於傳輸延遲,時脈漂移將造成節點間的時脈差異,
超過一個取樣週期以上,導致節點持續接收到非該取樣時間的資料,導 致極高的資料遺失情形。
此外,以
N
drift定義時脈漂移現象對於系統產生影響的時間點,N
drift越小者,表示時脈漂移現象影響越早發生。
2. 在 CAN 應用層協定的設計上,本論文以 CANopen 的概念為基礎,主要設計 的考量為資料傳遞機制、網路管理以及網路時脈同步三個部份。
(a) 在資料傳遞方面,除了建立點對點資料傳輸與參數設定的通訊方式,並 設計了廣播傳輸的傳輸方式,以同時傳輸多點資料,避免網路傳輸造成
節點動作的不一致。
(b) 在網路管理方面,設計了 Master/Slave 架構,將各個節點的運作經由 Master 加以管理,並利用遙控欄框的方式監控節點,由以上兩點便可將系統各 個環節透過網路整合。
(c) 在時脈同步方面,根據先前的網路分析實驗結果,透過原有的網路封包 搭配外部中斷的方式,達到強制同步的效果,並經由實驗加以驗證完成。
綜合以上三點,規劃適用於多點資料傳輸網路協定,以及網路時脈同步機制,
其中所設計之協定針對主要的傳輸架構,可用較精簡的方式實現於微控器 上,而同步機制則可將時脈漂移現象加以修正,使得網路資料遺失量大幅降 低。
3. 全向平台網路系統的實現上,透過 DSP F2812 和 8051 作為各個網路節點的 運算核心,完成移動平台控制架構,並將所設計之 CAN 應用層通訊協定實 現於平台系統的控制網路,透過網路將控制系統加以整合,並在完成的全向 平台網路系統下,驗證所設計之網路時脈同步機制,使得各軸速度響應的精 密度提昇 16.31%,並增加各軸同步性,使平台位置控制效能約提昇 22%。
5-2 未來發展
1. 本文的討論主要以網路架構的方式,對於網路系統的效能加以改善,未來朝 向控制器或補償器設計的方式,針對網路效能進行改善。
2. 目前架構主要以單一網路的探討為主,未來可朝向多種網路的整合發展,加 入無線網路的應用,探討多種網路效應對於系統之影響,並達到遠端平台監 控的目的,
參考文獻
[1]
J. D. Decotignie, “Ethernet-Based Real-Time and Industrial Communications,”Proceedings of the IEEE, Volume 93, Issue 6, pp.1102–1117, June 2005.
[2]
J. Y. Yu, S. M. Yu, and H. Q. Wang, “Survey on the Performance Analysis of Networked Control Systems,” 2004 IEEE International Conference on Systems,Man and Cybernetics, Volume 6, pp.5068–5073, 10-13 Oct. 2004.
[3]
D. S. Kim, “A Scheduling Method for Networked Control Systems in Fieldbus Environments,” Ph.D Dissertation, Seoul National University, Feburary 2003[4]
J. Nilson, B. Bermhardsson, and Wittermark, “Schtochastic Analysis ofControl of Real Time Systems with Random Time Delays,” Automatica, Volume 34, Issue 1, pp.57-64, B.1998.
[5]
P. Marti, G. Fohler, K. Ramamritham, and J. M. Fuertes, “Jitter Compensation for Real-Time Control Systems,” 22nd IEEE Real-Time Sysfems Symposium, London, UK, December, 2001[6]
廖建龍, “以 CAN Bus 為基礎的分散式即時伺服馬達控制器之設計與實做,”國立交通大學,碩士論文,中華民國 89 年
[7]
W. Zhang, M. S. Branicky, and S. M. Philips, “Stability of Networked Control Systems,” IEEE Control Systems Magazine, Volume 21, Issue 1, pp.84-99, February 2001.[8]
W. Zhang, “Stability Analysis of Networked Control Systems,” PhD Thesis, Case Westem Reserve University, 2001.[9]
F. L. Lian,” Analysis, Design, Modeling, and Control of Networked Control Systems.” Ph.D thesis, University of Michigan, May 2001.[10]
F. L. Lian, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury, “Network Design Consideration for Distributed Control Systems,” IEEE Transaction on Control SystemTechnology, Volume 10, Issue 2, pp.297-307. March 2002
[11]
S. H. Hong, “Scheduling Algorithm of Data Sampling Times in the Integrated Communication and Control Systems,” IEEE Transaction on Control SystemTechnology, Volume 3, Issue 2, pp.225-231, Jun 1995.
[12]
X. D. Ren, S. B. Li, Z. Wang, M. Z. Yuan, and Y. X. Sun, “A QoS Management Scheme for Paralleled Networked Control Systems with CAN Bus,” The 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Volume 1, pp.842-847, 2-6 Nov. 2003.[13]
F. L. Lian, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury, “Performance Evaluation of Control Networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet,” IEEE ControlSystems Magazine, Volume 21, Issue 1, pp.66–83, Feb. 2001.
[14]
J. A. Fonseca and L. M. Almeida, “Using a Planning Scheduler in the CAN Network,” Emerging Technologies and Factory Automation, Volume 2, pp.815-821, Oct. 1999.
[15] CANopen Application Layer and Communication Profile, CiA DS301, Version
4.02, Feb. 13, 2002.[16]
Open Device Net Vendors Association, http://www.odva.org/default.aspx[17]
H. Ekiz, A. Kutlu, and E. T. Powner, “Design and Implementation of a CAN/CAN bridge,” Second International Symposium on Parallel Architectures,Algorithms, and Networks, pp.507–513, 12-14 June 1996.
[18]
F. Moraes, A. Amory, N. Calazans, E. Bezerra, and J. Petrini, “Using the CANProtocol and Reconfigurable Computing Technology for Web-Based Smart House Automation,” 14th Symposium on Integrated Circuits and Systems
Design, pp.38–43, 10-15 Sept. 2001.
[19]
F. G. Pin and S. M. Killough, “A New Family of Omnidirectional and Holonomic Wheeled Platforms for Mobile Robots,” IEEE Transactions onRobotics and Automation, Volume 10, No. 4, pp.480-489, 1994.
[20]
H. Asama, M. Sato, L. Bogoni, H. Kaetsu, A. Matsumoto, and I. Endo,“Development of an Omni-Directional Mobile Robot with 3 DOF Decoupling Drive Mechanism,” Proceedings of the 1995 IEEE International Conference
on Robotics and Automation, Aichi, Japan, pp.1925-1930, 1995.
[21]
K. Watanabe, “Control of an Omnidirectional Mobile Robot,” Proceedings ofthe 1998 IEEE Second International Conference on Knowledge-Based Intelligent Electronic Systems, Adelaide, Australia, pp.51-60, 1998.
[22]
M. Ashmore and N. Barnes, “Omni-Drive Robot Motion on Curved Paths:The Fastest Path Between Two Points is not A Straight-Line,” Australian JointConference on Artificial Intelligence, Australia, pp.225-236, 2002.
[23]
“CAN Specification Version 2.0”, BOSCH, 1991.[24]
W. Lawrenz, CAN System Engineering: From Theory to Practical Applications, New York: Spring-Verlag, 1997.[25]
莊孝麟, “全向性移動平台之精密運動控制設計,” 國立交通大學,碩士論文,中華民國 95 年
[26]
鄭景文, “動態網路控制系統之時間延遲分析,” 國立交通大學,碩士論文,中華民國 95 年