Использование ИТ на основе ПК Matlab для моделирования канала обмена can для систем управления Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Понятский В.М.1, Грубенко А.Д. 2, Кислинский И.В. 3, Федорищева В.Г. 4

1 АО Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова, г. Тула, начальник

бюро, Тульский государственный университет, к.т.н., доцент кафедры Проектирование автоматизированных комплексов, pwmru@rambler.ru

2 АО Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова, г. Тула, инженер

3 АО Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова, г. Тула, ведущий

инженер, Nick- 51 - Rus@yandex.ru

4 АО Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова, г. Тула, ведущий

инженер

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИТ НА ОСНОВЕ ПК MATLAB ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КАНАЛА ОБМЕНА CAN ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Системы управления, блок, канал обмена, прием, передача, шина данных. АННОТАЦИЯ

В настоящее время в сложных технических комплексах широко используется протокол сетевого обмена CAN (Control Area Network). При достаточно большом количестве сигналов возможна предельная загрузка шины данных. Это зачастую приводит к сбоям, а в некоторых случаях к потерям информации. Для анализа и предотвращения подобных ситуаций целесообразно использовать средства компьютерного моделирования.

Введение

В настоящее время в сложных технических комплексах широко используется протокол сетевого обмена CAN (Control Area Network). При достаточно большом количестве сигналов возможна предельная загрузка шины данных. Это зачастую приводит к сбоям, а в некоторых случаях к потерям информации. Для анализа и предотвращения подобных ситуаций целесообразно использовать средства компьютерного моделирования.

В программном комплексе Matlab имеется библиотека блоков SimEvents, которая позволяет моделировать обмен сигналов через шину данных по заданному протоколу обмена. Из библиотеки блоков SimEvents создаются функциональные узлы, которые имитируют работу передатчиков и приёмников сообщений, задаются атрибуты сигналов (идентификаторы, размер сообщения, содержимое сообщения), создаётся имитация шины обмена данных с такими параметрами, как скорость передачи данных и время обработки сообщения. На этапе моделирования выявляются ситуации, когда по разным причинам могут быть потеряны сигналы, с тем, чтобы дать рекомендации по устранению сбоев.

С использованием библиотеки SimEvents программного комплекса Matlab по заданному протоколу обмена разработана модель, соответствующая логике взаимодействия составных частей технической системы, имеющей порядка десяти блоков и сорока сигналов. Проведенное моделирование обмена сигналов по протоколу CAN позволило получить циклограмму работы канала, оценить количество пропущенных сообщений и загрузку канала при разных скоростях обмена, а также показало эффективность предложенного подхода.

Проведено моделирование протокола взаимодействия блоков реальной системы управления по каналу CAN с использованием ПО Matlab, пакетов Simulink и SimEvents.

Протокол информационного взаимодействия подсистем комплекса по каналу CAN использует стандартный формат кадра CAN, соответствующий спецификации CAN 2.0А (размер идентификатора 11 бит).

Обмен данными предназначен для организации и управления информационным взаимодействием между составными частями системы управления в рамках разработанного протокола. Время обработки кадра данных в канале CAN определяется по формуле:

t_ 44+8•N

_ V '

где N - количество байт в сообщении; V - ^орость передачи информации по каналу, бит/с.

Моделирование передачи сообщений строится следующим образом: с информационных блоков устройств поступают периодические синусоидальные сигналы (Time-based signal), с помощью блока передатчика преобразуются в события (Time-based Entity Generator) c идентификаторами, которые задаются в маске подсистемы, поступают на шину в соответствии с приоритетом. Прием события осуществляется в блоке приемника, где происходит обратное преобразование события в периодический сигнал (Event to Time Signal) в соответствии с идентификатором. Полученные сигналы для сравнения с исходными передаваемыми сигналами отображаются в блоке Scope. Подсистемы устройств, интерфейсного блока и шины обмена данных представлены на рис. 1 — 3.

Сй

Sine Wave

■♦CD

out

Cry-► □

in -

Scope

Рис.1 Модель подсистемы устройства

а)

»

! .1

П : Г

I-* N ' - О 1Л" -»-1

ецугл i

OJpJ iwicr

Л—Kgh

rmm *igrai

-•СО

б)

I I

; , : i - , ;

ьш

,oiiti ;

■>l>T;i i

* -

о

Oh

Jib] ID t^ С Ю 101» J^j 0 lii IN

^our л-К U (

£4tyii^eract

ТУ

Q>

RX

L t,

OLTT

1+1

GiLAircji

P Г7|-.0|т

t h

IN 'OuT2

IN t;

E-i.-SI*

.nil«

TnwSigiii

in

Яг "L

ngaisccpf

-+CD

1(U

f !tt( srtl

Рис. 2 Модель подсистемы интерфейсного блока приема и передачи сообщений: а - прием одного сообщения (блоки CAN Nodel - CAN Node4); б - прием двух сообщений (блок CAN Node)

а)

d>

та

<2>

1№

гх!

<D-

та

та

INI

I Hi fi

IN3> ) 4

IKU out

IMS

С

Ny-rt* cfMprlri «лйот

J

rv

* # —f ll> щ ф

Uy-ns* iF гзМ

Л*

ллС

ел LhfcjX'i

Pii-liters

OUT 1

OUT*

qijts

^ipkCSK

Ц i

N JTt» (f ffriift

>—<D

——о

<D

J-(ю) Ki

б)

'k G-lock Parameters Single Serverl E

Single serve*

Serve one entity lor 4 piriod gf time 4ml ttien #»empt to output the entity through the OLFT port. !f the OLfT pan is tfgtked tfien the entity Stays in this block until the port Iwwiiiis unblgcVed. viw «n specify the service time, iwtindi ir flie duration of service, via 4 parameter, attnbute, of signal-

Wtien the Mock permits preemption, 411 entity in the server can itepart earty vis tfre P port- Preemption «curs wily if attributes oFthe currejut entity aw) the entity Attempting no erinve satisfy specified cntena.

Wtieii the Mock does not permit preemption, the IN jwt is unavailable whenever this blot* stores an enwyr

SlngtaSwvtr j Fr«am|)№fl ] Tlmw* Statistics _

VI Numtef of entities departed, »d y. Number of entities in blocv. 'n

□ Numtef of entities preempted, »p Si Pending enitty present in hSock, pi

V Average wait, w

3 IKfogfen,

y. Numlwr of entities timed-out, »to

J

fiK

yelp

APP1*

Рис. 3 Модель подсистемы шины CAN: а - Simulink-модель шины CAN с блоками вывода статистики; б -

вкладка Statistics окна параметров блока сервера

С помощью блока осциллографа Signal Scope, подключаемого к блокам Simulink-модели, можно выводить статистику прохождения сообщений между устройствами. На рис. 3a приведена Simulink-модель шины CAN с блоками вывода статистики:

- количество сообщений, поступающих в блок (number of arrived entities);

- количество сообщений, уходящих из блока (number of departed entities);

- количество сообщений в блоке (number of entities in block);

- загрузка блока (utilization);

- среднее время ожидания сообщений (average wait).

В соответствии с протоколом передача сообщений между устройствами происходит циклически. Графики переданных сигналов от одного блока другому с ID 102(101) приведены на рис. 4 - 5.

ГН ПСУ-К

5

-5 2 О

™ ПСУ-Н

---

■ ■

1 1 Ef'l §1 ■ 8 10

Рис.4 Переданные сигналы с идентификаторами 102 и 101

На выходе приемника сообщений (рис.7) можно увидеть, что полученные сигналы и исходящие сигналы (рис. 6) совпадают.

Рис. 5 Полученные сигналы

На рис.6 - 7 приведены спектры передаваемого и принимаемого сигнала с идентификатором 101.

Уменьшение число пропаданий сообщений при асинхронной и неуправляемой передаче данных по шине от блоков СУО можно обеспечить путем минимизации комплексного критерия:

mm Ф= min

где ki — весовой коэффициент; вх i — исходный сигнал;

s„

— принятый сигнал.

5|Ж1ги m АлЛугвГ вц»&Д fH ПСУ■ К

Fifc Ioeli itw Jimuljlipn H()p

[§)9 1 E3C3S ^.ЙУ^йй

(ö ¡¡> • Ä

s t.i

J.i

1

J V.

nt 4

■г о г

Frequorсу 1Ш)

■14» V

51Ш* hhefiec -

Э Ful Iri^ij- (ЦЛ

FB-iV (HlX v ftilt» -

1DW

т vrndqw qritani

0-nrHpi*). g

у.ччкш, qecUffül«' V

!.EilBsV ]

ТТг*С4«44П|

иль " ___ ViJdl 4

amm 1

Wcrcntt t») 1 V

Scafc -Utir V

Otkü№ 0

•f M0i -Jl VflM

[ j MuMI «KZ

□ Uri-МЧ Irntr

И twQ-i44d ipectnjm

Prady

Mw-iis San«i ij-tü Ruit-tnn kj t- 10 ooo

Рис.6 Спектр переданного сигнала с идентификатором 101

J*

File Teak

Spectrum AiWlyiir 4ыяйД ГН ПСУ-К

^kw ^iniulAl on Help

y> щ-v ^вшвцаяивд

@ It I "J- A

1

J V

finely

-г » г +

f-'i->"■'• > «Hit

1В» PQM ff -

SAMffciilt |HJ) Ifheried -

.3 FulfrWutllCj |Hn

4BIVI.|1ZI. v V

Kit

Й-.егяр [W]: 9

Wnjgw Ак&лДО*

ritkavi l

(He «1Mb V

^егвцех 1

Re Гегели twd

leak Lii«*r -

(?ГЦф( (Нз) 4

V N№41 Irtt*

Г.1«.hot (race

! WnJ-c dvace

3 IVi-l^riWHtfuffl

¡S mH; Sine* НаК-ЯЦ Hi T-1SIK»

Рис.7 Спектр полученного сигнала с идентификатором 101

На рис. 8 представлен график загрузки канала - процентная зависимость количества сообщений, одновременно попадающих на шину в данный момент времени. В процессе моделирования было установлено, что загрузку канала соответствует стандарту ISO 11898 для протокола CAN2.0A.

Рис.8 График загрузки канала CAN при скорости 500 Кбит/с

Таким образом, рассмотрены возможности ИТ на основе ПК Matlab по моделированию протокола обмена между блоками системы управления. Разработанная модель протокола взаимодействия блоков устройств реальной системы управления по каналу CAN позволила оценить как загрузку канала, так и задержки и потери сообщений.