第二章 實驗平台與模擬環境
2.4 Truetime 模擬環境
Truetime 是基於 Matlab/Simulink 環境開發而成的模擬程式，能夠用來設計 擁有 real-time kernel、網路傳輸、動態受控體等要素的網路控制系統。Truetime 由六個 Simulink 區塊建構而成，並且定義了一系列的 Matlab 函數可供使用者運 用。其中包括了創建任務(task)、中斷處置、流程監視、與計時等設定模擬環境 的函數，以及在程式執行時能改變參數、網路資訊傳輸、數位類比轉換等即使處 理訊息的函數。
2.4.1 Truetime Kernel 區塊
在 Truetime 中最主要的 Simulink 區塊為 Truetime Kernel 區塊。它能夠模擬 CPU 中 real-time kernel 的工作行為。Truetime Kernel 區塊執行使用者定義的任 務或是中斷處理，而這些任務或中斷可能是週期性的，也有可能是即時觸發的。
例如以時間驅動的週期性網路通訊，或者使用者臨時改變的 I/O 輸入。這些任務 的程式以 Matlab 的 m-file 寫成，程式碼會被進一步分解為片段的程式，如圖 2-7 的方式執行。所有的程式被執行後會等待一段時間，這段時間為模擬執行的時間，
一直到等待結束，才會繼續進入下一段程式。
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圖 2-7 Truetime Kernel 以分割片段方式執行使用者定義程式碼
2.4.2 Truetime 無線網路區塊
Truetime 中的無線網路區塊能夠模擬區域網路中的介質存取和封包傳輸的 行為。當網路中有節點想要傳送資料時，觸發信號會被送到 Truetime 無線網路 區塊，模擬封包傳送，結束後再傳送觸發信號到對應的 Truetime Kernal 區塊，如 圖 2-8 所示。
圖 2-8 Truetime 模擬封包傳輸示意圖
傳輸結束後，被發送的訊息會被排入接收端的佇列裡，等待執行。在 Truetime 傳輸模型中，考慮到了無線電訊號衰減的問題，因此可以設定節點的位置，在模 擬中呈現距離遠近所造成的影響。初版的 Truetime 實作兩個無線網路協議:
802.11b/g (WLAN) 和 802.15.4 (ZigBee)
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在無線電訊號的模擬中考量到下面的因素:
• 全向性的天線
• 接收和發送不能同時進行
• 訊號衰減模型為1
𝑑𝑎，其中 d 代表距離(m)、a 代表環境因子
• 來自其他節點的干擾
無線網路的參數透過下圖 2-9 的對話欄設定.
圖 2-9 Truetime 無線網路區塊對話框
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2.4.3 802.15.4 (ZigBee)
Zigbee 的傳輸設備中包含了感測器和處理器，多個裝置之間能夠形成一個簡 單的網路系統。其網路協議設計為低速、低功耗的用途。Zigbee 的介質存取層是 基於 802.11b/g 的 CSMA/CA，在 Truetime 中以下面的演算法實現。
1. Initialize:
NB=0
BE=macMinBE
2. Delay for a random number of backoff periods in the interval [0, 2BE − 1]
3. Is the medium idle?
if yes: send else: goto 4
4. Update the backoff counters:
NB=NB+1
BE=min(BE+1, aMaxBE) 5. Is NB>macMaxCSMABackoffs?
if yes: drop the packet else: goto 2
NB Backoff 次數 BE Backoff 階數
macMinBE CSMA/CA 演算法中 BE 的最小值。預設為 3。
在封包傳送的模擬中，若傳送封包的訊號強度大於接收端所能收到最低能量 的門檻值，則封包傳送成功，與此同時，Truetime 會考慮目前的背景雜訊計算出 訊號雜訊比(SNR)用來求取區塊錯誤率(BLER)。將 BLER 與封包大小納入考量，
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可以得知封包裡位元的錯誤率，假如錯誤率低於某個臨界值，則封包的內容能夠 被完整地重建。
假使想傳送一筆訊息到接收端節點，而目前有其他的節點在接收端節點的範 圍內傳輸資料，且這些訊息的訊號強度(SNR)皆低於我們傳送的訊息，則除了我 們送出的封包外這些訊息都視為碰撞。值得注意的是，發送端的節點並不知道它 送出封包因為碰撞而遺失了，因此在介質存取層使用 ACK(acknowledge)機制是 必須的。而且從發送端的觀點來看，無論訊息是以遭受碰撞的方式遺失或是以其 他任何形式的遺失，都沒有差別。因此只要在一定的時間內(ACK timeout)沒有收 到 ACK，則訊息會重新傳送，一直到重新傳送的次數達到上限(Retry limit )。
2.4.4 網路控制系統模擬環境介面
圖 2-10 Truetime 模擬網路控制系統介面
圖 2-10 為在 Truetime 環境下開發的網路控制系統模擬介面，regulator node 透 過 Truetime wireless network 將 網 路 訊 息 傳 送 給 sensor/actuator node ，
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sensor/actuator node 接 收 到 資 料 後 將 命 令 透 過 控 制 器 送 入 受 控 體 ， 同 時 sensor/actuator node 抓取受控體的響應再經由 Truetime wireless network 傳回給 regulator node。其中受控體轉移函數如式子(2.1)所示，PI 控制器的 Kp = 4.9074，
Ki = 28.9857，取樣週期 50ms。 TMS320F2812 DSP 裡，其中 Kp = 0.0002， Ki = 0.0000001，馬達轉移函數如式 子(2.2)，取樣時間為 50ms。