平衡速度與優(yōu)先級：為多樣化的實時需求打造嵌入式網(wǎng)絡(luò)（1）——選擇正確的實時范圍

以往與實時通信相關(guān)的文章往往關(guān)注一些細節(jié)——如何從嵌入式系統(tǒng)（CAN、CANopen或?qū)崟r通信系統(tǒng)的某個特定方面實現(xiàn)“最佳”?？紤]這些具體細節(jié)如何應(yīng)用于更廣泛的應(yīng)用及其獨特性要求至關(guān)重要，而這可能會導(dǎo)致文章的讀者質(zhì)疑是否正確實現(xiàn)了這些功能而導(dǎo)致不確定性。對此，筆者認為如果您的系統(tǒng)所需的響應(yīng)速度在100ms范圍內(nèi)，那么您無需詳細檢查每一個增加一毫秒或更短延遲的原因。

舉個例子，在CAN通信中，沖突是通過優(yōu)先級來解決的。然而，在沒有沖突的情況下，即使是最低優(yōu)先級的幀也可以立即訪問網(wǎng)絡(luò)。因此，如果您的系統(tǒng)只有50%或更少的總線負載，并且采用了一些機制，沒有設(shè)備可以產(chǎn)生連續(xù)的高優(yōu)先級流量，那么關(guān)于優(yōu)化優(yōu)先級或按優(yōu)先級管理軟件處理程序的討論可能純粹是理論上的，沒有重大的實際應(yīng)用。

安全性越發(fā)重要。在計時行為的背景下，必須認識到，如果您的信號需要安全或保障措施或兩者兼而有之，則需要額外的元數(shù)據(jù)來保護原始信號數(shù)據(jù)。這可能包括冗余信息、計數(shù)器、時間戳和各種加密校驗。

因此，本系列文章將從“選擇正確的實時范圍”出發(fā)，審視應(yīng)用程序的要并了解我們正在運行的“大概范圍”，然后在第二部分的“實時通信系統(tǒng)的需求”中著眼于不同的應(yīng)用程序所需的不同時間范圍；在第三部分的“基于CAN總線的系統(tǒng)的時間動態(tài)”中，我們將我們的發(fā)現(xiàn)引用于CAN和CANopen，并出了有關(guān)配置通信以滿足之前發(fā)現(xiàn)的需求的建議，最后則是從理論到實踐，完成一次CANopen源代碼配置并展示該過程中通?？捎玫膬?yōu)化選項。

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，實時應(yīng)用占據(jù)著至關(guān)重要的地位。這些應(yīng)用程序的特點是要求在特定時間范圍內(nèi)處理輸入并產(chǎn)生輸出。它們提供的結(jié)果的準確性不僅取決于其邏輯正確性，還取決于其響應(yīng)的精確時間。當這些系統(tǒng)與物理世界交互時，風(fēng)險可能很高，通常涉及人類安全、產(chǎn)品質(zhì)量或高效的系統(tǒng)運行。因此，這些應(yīng)用程序的響應(yīng)能力成為其設(shè)計的基本方面。

然而，“在特定時間范圍內(nèi)”可能因應(yīng)用程序的不同而有很大不同。對于大型船舶的舵和推力控制，這可能是一秒或更長時間。對于食品加工工廠的高速分揀和包裝單元來說，可能只有幾毫秒。這兩個案例已經(jīng)很好地表明了對安全性的不同要求：船舶上的“慢速”命令需要比食品加工工廠那些進行排序的命令更可靠（或更安全）。

實現(xiàn)實時應(yīng)用程序的具體挑戰(zhàn)通常取決于所涉及的通信渠道。那輸入和輸出是否直接連接到主處理單元，或者是否需要嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)？

隨著應(yīng)用程序變得越來越復(fù)雜并且地理分布越來越廣，直接連接到每個輸入和輸出是不切實際的。相反，許多實時系統(tǒng)依賴于遠程連接。傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備可能遠離中央處理單元，因此它們之間需要某種形式的通信。通常，這也意味著數(shù)據(jù)必須在所需的時間范圍內(nèi)傳輸兩次：從傳感器到處理單元的輸入，然后是處理單元到執(zhí)行器的輸出。所有這些都帶來了額外的挑戰(zhàn)和考慮因素：通信渠道會帶來延遲，或潛在的數(shù)據(jù)損壞或丟失。實時系統(tǒng)的設(shè)計者現(xiàn)在必須考慮這些因素，確保所使用的通信方法仍然能夠滿足系統(tǒng)的實時要求。此外，這些系統(tǒng)現(xiàn)在必須能夠處理多個（通常是同時發(fā)生的）數(shù)據(jù)流，并根據(jù)這些流的緊急性和重要性來管理這些數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級。

實時應(yīng)用的復(fù)雜性和要求日益提高，加上處理單元和輸入/輸出設(shè)備之間的距離越來越大，使得實時系統(tǒng)的設(shè)計成為一項多方面且具有挑戰(zhàn)性的工作。這樣的發(fā)展需要對通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓撲和錯誤處理機制有更深入的了解。只有解決所有這些因素，我們才能確保實時系統(tǒng)繼續(xù)滿足對其提出的嚴格要求。

在深入設(shè)計過程之前，第一個也是最關(guān)鍵的問題是確定特定應(yīng)用所需的時間范圍。一旦系統(tǒng)完成設(shè)計和開發(fā)，縮短時間框架幾乎是不可能的，因為許多設(shè)計決策都是基于初始時間框架考慮的。在為系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力確定了所需的時間范圍后，建議您花一些額外的時間來徹底檢查它，因為以后對既定的時間框架進行更改可能會付出高昂的代價。

如果您的應(yīng)用程序要求將“整個輸入到輸出”納入計算中，那么您需要將多個時間相加：輸入傳感器收集輸入并準備傳輸?shù)奶幚頃r間、傳輸延遲、在主處理器中的處理時間（接收輸入、處理它們并準備傳輸?shù)捷敵觯⒃谳敵錾辖邮諗?shù)據(jù)并實際應(yīng)用它的處理延遲。

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響應(yīng)超過1秒的應(yīng)用

對于在單秒或多秒的時間范圍內(nèi)運行的應(yīng)用程序，系統(tǒng)通常不需要特殊的預(yù)防措施。這是因為這些應(yīng)用程序的延遲容忍度明顯大于通信協(xié)議引入的典型延遲。有趣的是，即使控制代碼在較慢的非實時操作系統(tǒng)上執(zhí)行，也可以實現(xiàn)實時操作。如果操作系統(tǒng)承擔(dān)過多的并發(fā)操作，可能會出現(xiàn)挑戰(zhàn)，但這些情況通常是例外而不是常態(tài)。

太陽能電池板的太陽跟蹤：具有跟蹤功能的太陽能電池板可根據(jù)太陽的位置進行調(diào)整。在此應(yīng)用中，數(shù)秒到數(shù)分鐘的延遲是典型的，即使偶爾有控制延遲，也能確保最佳的能量捕獲。

HVAC系統(tǒng)：供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)通常包含傳感器來調(diào)節(jié)溫度和空氣質(zhì)量。雖然即時調(diào)整體驗感更好，但幾秒鐘的延遲通常在可接受的范圍內(nèi)。

采礦設(shè)備：在采礦作業(yè)中，輸送機和大型挖掘機等大型機械需要數(shù)秒的時間來啟動或停止。考慮到規(guī)模，系統(tǒng)響應(yīng)延遲1秒是可以接受的，特別是對于非關(guān)鍵調(diào)整。然而，緊急關(guān)閉等安全關(guān)鍵功能將有更嚴格的要求。

海事應(yīng)用：鑒于大型海船的運動動態(tài)相對較慢，數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航的一秒延遲是可以接受的。

海底作業(yè)：在深海系統(tǒng)中，可靠性是首要任務(wù)。在管理海底操作（從管道控制到設(shè)備調(diào)整）時，命令可能需要幾秒鐘才能到達目的地并導(dǎo)致所需的操作。

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響應(yīng)時間超過100ms的應(yīng)用

在許多場景中，尤其是那些以人機交互為中心的場景，100 毫秒左右的響應(yīng)時間至關(guān)重要。這個范圍取決于人類感知和反應(yīng)的基本極限。當系統(tǒng)在此時間范圍內(nèi)做出響應(yīng)時，用戶感覺交互幾乎是即時的，從而增強了無縫控制和實時反饋的感覺。為了實現(xiàn)這個響應(yīng)時間，您通常不需要對通信渠道采取任何特殊措施，即使在相對較慢的通信速度（例如 100kbps）下也可以達到此目的。

車輛儀表和控制裝置：在各種人工控制的車輛中，例如汽車、叉車、起重機和農(nóng)用車輛，大量的顯示器和控制裝置（從觸摸屏到刻度盤）都依賴于快速反饋。這可確保駕駛員保持知情并處于控制狀態(tài)之中。通過開關(guān)或操縱桿發(fā)送控制，或從傳感器接收實時反饋，所有這些都需要在這個時間范圍內(nèi)發(fā)生。

工業(yè)機器接口：制造工廠的操作員通過控制面板與復(fù)雜的機械進行交互?？焖俜答佒陵P(guān)重要，確保用戶的命令幾乎立即轉(zhuǎn)化為機器動作，從而提高操作安全性和效率。如果激活命令需要較長時間，則應(yīng)提供一些即時視覺反饋，以向操作員發(fā)出信號，表明所選功能現(xiàn)在即將執(zhí)行。

醫(yī)療設(shè)備：當醫(yī)療保健專業(yè)人員調(diào)整設(shè)置或輸入命令時，患者監(jiān)視器和特定診斷工具等設(shè)備需要及時反饋。這種迅速的響應(yīng)既確保了患者的安全，又確保了醫(yī)療保健專業(yè)人員的信心。

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響應(yīng)時間超過10ms的應(yīng)用

對于要求響應(yīng)時間約為 10 毫秒的應(yīng)用，精度至關(guān)重要。這些時間明顯超出了人類感知的界限，導(dǎo)致系統(tǒng)甚至在人類能夠記錄事件之前就經(jīng)常做出響應(yīng)或調(diào)整。因此，基礎(chǔ)系統(tǒng)必須以無與倫比的效率和一致性運行。實現(xiàn)這些嚴格的時序需要詳細的規(guī)劃、速度和優(yōu)先級之間的平衡，但也可能深入到處理數(shù)據(jù)的軟件層，包括驅(qū)動程序和固件。通過精確的優(yōu)化，這些系統(tǒng)表現(xiàn)出快速反應(yīng)的能力，增強安全性，保留功能并確保最佳性能。

駕駛員輔助系統(tǒng)：牽引力控制、車道保持輔助和防抱死制動等高級駕駛員輔助系統(tǒng)對于提供快速響應(yīng)至關(guān)重要。在任何延遲都可能導(dǎo)致潛在事故的情況下，這些系統(tǒng)通常感知車輛動力學(xué)的瞬時變化并做出反應(yīng)。

工業(yè)機器人：在最先進的制造裝置中，機械臂及其相關(guān)機械的任務(wù)是進行即時調(diào)整。這種及時性確保了一絲不茍的精確性，保障了生產(chǎn)過程的準確性，并減少了錯誤。

緊急關(guān)閉系統(tǒng)：在各種控制設(shè)置中，緊急關(guān)閉系統(tǒng)的快速啟動至關(guān)重要。無論是應(yīng)對機械故障、危險泄漏還是任何不可預(yù)測的情況，這些系統(tǒng)的快速激活都可以防止重大損害、經(jīng)濟損失，更重要的是，保護人類生命。

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響應(yīng)時間為毫秒級的應(yīng)用

對于要求響應(yīng)時間為毫秒級的應(yīng)用程序，多個通信網(wǎng)絡(luò)的功能已達到極限。請記住，這與總吞吐量無關(guān)（通常此處僅交換幾個字節(jié)），而是快速將這些字節(jié)發(fā)送到目的地。要實現(xiàn)如此快速的反應(yīng)，需要對系統(tǒng)的各個方面（從網(wǎng)絡(luò)配置到底層代碼）進行審查并進行優(yōu)化。當遇到如此苛刻的要求時，應(yīng)該進行全面的評估，以確定所選的通信協(xié)議是否確實是最合適的解決方案，或者是否有其他解決方案可以完成手頭的任務(wù)。

高速運動控制：在專門的工業(yè)設(shè)置中，機械需要基于快速反饋回路進行即時調(diào)整。此類應(yīng)用可能涉及微調(diào)電機速度、快速驅(qū)動閥門或?qū)崟r調(diào)節(jié)高速執(zhí)行器。

先進機器人技術(shù)：這些機器人在高精度任務(wù)中尤其普遍，它們可能涉及以加速速度將精密電子元件放置到PCB上等操作，其中最輕微的延遲可能會導(dǎo)致嚴重錯誤。

安全氣囊彈開：在車輛安全系統(tǒng)中，檢測到潛在碰撞和彈開安全氣囊之間的時間可能僅為幾毫秒。如此快速的響應(yīng)對于確保車內(nèi)乘員的安全至關(guān)重要，每一毫秒都有助于減輕傷害。

小結(jié)

各個領(lǐng)域的應(yīng)用具有不同的響應(yīng)時間要求，從秒到毫秒不等。通信系統(tǒng)滿足這些需求的能力對于實現(xiàn)最佳性能和效率至關(guān)重要。

然而，了解這些響應(yīng)時間要求只是難題的一部分，在接下來的文章中，我們將更深入地探討影響通信速度、延遲和仲裁的技術(shù)方案，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、帶寬和數(shù)據(jù)處理能力等考慮因素。此外，我們將探討在選擇在速度、復(fù)雜性和成本之間取得平衡的通信系統(tǒng)時必須做出的權(quán)衡和妥協(xié)。

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