تحقیق ارتباطات تحريک‌پذير زماني در پروتکل شبکه CAN (Time Triggered CAN)

شبکه‌هاي صنعتي يکي از مباحث بسيار مهم در اتوماسيون مي‌باشد. شبکه‌ي CAN به عنوان يکي از شبکه‌هاي صنعتي ، رشد بسيار روز افزوني را تجربه کرده است. در اين ميان ، عدم قطعيت زمان ارسال پيام‌ها در اين پروتکل شبکه ، باعث مي‌شود که کاربرد اين شبکه در کاربرد‌هاي حياتي با اشکال مواجه شود. يکي از راه‌حل‌‌هاي برطرف کردن اين مشکل ، استفاده از تکنيک تحريک زماني است که در ايت مقاله مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

کليد واژه‌ها : شبکه صنعتي ، تحريک زماني ، CAN  ارتباطات تحريک‌پذير زماني در پروتکل شبکه‌ي CAN 

1) مقدمه 

در محيط‌هاي صنعتي ، کارخانجات ، خطوط توليد و امثالهم ، اتصال ميکروکنترلر‌ها ،‌ سنسورها (Sensor) و محرک‌ها (Actuator) با چندين نوع سيستم ارتباطي متفاوت به يکديگر ، نوعي هنر معماري در الکترونيک و کامپيوتر است. امروزه ارتباطات از نوع تحريک‌پذير زماني به‌طور گسترده‌اي در پروتکل ارتباطات برپايه شبکه با پروتکل  CAN (Controller Area Network) استفاده مي‌شود. مکانيسم داوري (Arbitrating) در اين پروتکل اطمينان مي‌دهد که تمام پيام‌ها بر اساس اولويت شناسه (Identifier) منتقل مي‌شوند و پيامي با بالاترين اولويت به هيچ عنوان دچار آشفتگي نخواهد شد. در آينده ، بسياري از زيرشبکه‌هاي (SubNet) مورد استفاده در کاربرد‌هاي حياتي ، به‌عنوان مثال در بخش‌هايي مثل سيستم‌هاي کنترل الکترونيکي خودرو  (X-By-Wire) ، به سيستم ارتباطي جامعي نياز دارند که داراي قطعيت ارسال و دريافت در هنگام سرويس‌دهي باشد. به‌ عبارتي ، در ماکزيمم استفاده از باس که به ‌عنوان محيط انتقال اين نوع شبکه به‌کار مي‌رود ، بايد اين تضمين وجود داشته باشد که پيام‌هايي که به ايمني (Safety) سيستم وابسته هستند ، به موقع و به درستي منتقل مي‌شوند. علاوه بر اين بايد اين امکان وجود داشته باشد که بتوان لحظه‌ي ارسال و زماني را که پيام ارسال خواهد شد را با دقت بالايي تخمين زد.

در سيستم با پروتکل CAN استاندارد ، تکنيک بدست آوردن باس توسط گره‌هاي شبکه بسيار ساده و البته کارآمد است. همان‌گونه که در قبل توضيح داده‌شده است ، الگوريتم مورد استفاده براي بدست آوردن تسلط بر محيط انتقال ، از نوع داوري بر اساس بيت‌هاي شناسه است. اين تکنيک تضمين مي‌کند که گره‌اي که اولويت بالايي دارد ، حتي در حالتي‌‌که گره‌هاي با اولويت پايين‌تر نيز قصد ارسال دارند ، هيچ‌گاه براي بدست آوردن باس منتظر نمي‌ماند. و با وجود اين رقابت بر سر باس ، پيام ارسالي نيز مختل نشده و منتقل مي‌شود. در همين جا نکته‌ي مشخص و قابل توجهي وجود دارد. اگر يک گره‌ي با اولويت پايين بخواهد پيامي را ارسال کند بايد منتظر پايان ارسال گره‌ي با اولويت بالاتر باشد و سپس کنترل باس را در اختيار گيرد. اين موضوع يعني تاخير ارسال براي گره‌ي با اولويت پايين‌تر ، ضمن اين که مدت زمان اين تاخير نيز قابل پيش‌بيني و محاسبه نخواهد بود و کاملا به ترافيک ارسال گره‌هاي با اولويت بالاتر وابسته است. به عبارت ساده‌تر : 

گره يا پيام با اولويت بالاتر ، تاخير کمتري را براي تصاحب محيط انتقال در هنگام ارسال پيش‌رو خواهد داشت.

گره يا پيام با اولويت پايين‌تر ، تاخير بيشتري را براي بدست‌گرفتن محيط انتقال در هنگام ارسال ، تجربه خواهد کرد.

يک راه حل برطرف کردن نياز‌هاي ذکرشده در بالا ، استفاده از شبکه‌ي استاندارد CAN با اضافه‌کردن تکنيک تحريک زماني (Time Trigger) به آن مي‌باشد. استفاده از تکنيک تحريک زماني در CAN ، طبق توضيحاتي که داده خواهد شد ، باعث اجتناب از اين تاخير مي‌شود و باعث استفاده‌ي مفيدتر و کارآمدتر از پهناي باند شبکه ، به کمک ايجاد قطعيت در زمان‌هاي انتظار و ارسال ، مي‌شود. به عبارت ديگر ، مزاياي اين شبکه با استفاده از تکنيک تحريک زماني عبارت خواهد بود از : 

کاهش تاخير‌هاي غير قابل پيش‌بيني در حين ارسال

تضمين ارتباط قطعي و تاخير‌هاي قابل پيش‌بيني

استفاده‌ي مفيد‌تر و کارآمد از پهناي باند شبکه

با توجه به مکانيسم‌هاي پيش‌بيني شده در TTCAN ، اين پروتکل زمان‌بندي پيام‌هايي با تحريک زماني (TT) را به خوبي پيام‌هايي با تحريک رويداد (Event Trigger) را که قبلا در اين پروتکل قرار داشت ، مديريت مي‌کند. اين تکنيک اجازه مي‌دهد که سيستم‌هايي که داراي عملگرهاي بلادرنگ هستند نيز بتوانند از اين شبکه استفاده کنند. همچنين اين تکنيک انعطاف بيشتري را براي شبکه‌هايي که قبلا از CAN استفاده مي‌کردند ، ايجاد مي‌کند. اين پروتکل براي استفاده در سيستم‌هايي که ترافيک ديتا بصورت مرتب و متناوب در شبکه رخ مي‌دهد ، بسيار مناسب و کارآمد مي‌باشد.

در اين تکنيک ، ارتباطات بر پايه‌ي يک زمان محلي بنا شده است. زمان محلي توسط پيام‌هاي متناوب يک گره که به‌عنوان گره‌ي مدير زمان (Time Master) تعيين شده است ، هماهنگ و تنظيم مي‌شود.