韓翠翠

（國家廣電總局 北京地球站，北京 102206）

0 引言

所謂的自動控制，就是用計算機(jī)來代替人工根據(jù)指令進(jìn)行一些操作，目前自動控制系統(tǒng)已經(jīng)由單一的小系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變成集成的能夠獨立的完成整套工作任務(wù)的大型系統(tǒng)。在這些大型的集成性的自動控制系統(tǒng)中，我們經(jīng)常碰到要求各分系統(tǒng)在同一時間同時執(zhí)行某些動作，從而共同來完成一項大的工作的情況，這就遇到了怎樣才能夠做到各個分系統(tǒng)的時間準(zhǔn)確、一致，怎樣完美而準(zhǔn)確的完成任務(wù)的問題。

1 問題的引入

例如廣播傳輸發(fā)射自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由局控制平臺、臺控制平臺、節(jié)目傳輸控制平臺、發(fā)射機(jī)自動控制、天線交換開關(guān)控制等幾部分組成。局控制平臺主要下發(fā)每天的節(jié)目運行時間表，經(jīng)臺控制平臺接收后下發(fā)到節(jié)目傳輸控制平臺、節(jié)目傳輸控制平臺將節(jié)目運行時間表下發(fā)到發(fā)射機(jī)自動控制和天線交換開關(guān)自動控制。每天的廣播節(jié)目運行就是發(fā)射機(jī)自動控制系統(tǒng)按照節(jié)目運行時間表上高壓，發(fā)射傳輸節(jié)目信號，天線交換開關(guān)自動控制系統(tǒng)按照節(jié)目運行時間表倒換所需頻段的天線，兩者配合才能達(dá)到廣播節(jié)目每天按運行時間表自動運行的工作任務(wù)。如圖1所示。

這中間的問題非常明顯，就是發(fā)射機(jī)在上高壓之前，天線交換開關(guān)自動控制系統(tǒng)必須將所需的天線到換到位，但是天線交換開關(guān)倒換天線的必要條件是上一個結(jié)束的節(jié)目所用的天線高壓已落，即不能帶高壓倒換天線。如果這些問題都僅僅依靠時間的統(tǒng)一性來解決，勢必會遇到很多麻煩。

圖1 廣播傳輸發(fā)射自動控制系統(tǒng)工作流程圖

2 問題的分析

在本系統(tǒng)未集成之前，每一部分的自動控制都是一個獨立的分系統(tǒng)，都有自己的一套時間系統(tǒng)。每個系統(tǒng)都按照自己的時間來執(zhí)行工作指令。例如，發(fā)射機(jī)會按照調(diào)度令在某一時間結(jié)束一個節(jié)目，然后開始一個新的節(jié)目傳輸。天線交換開關(guān)也會按照調(diào)度令在某一時間自動倒換天線。初步看起來似乎可以自動運行，實際不然。每一個系統(tǒng)都有自己的一個時間，如果這兩個時間差別比較大，即誤差比較大，那么兩套系統(tǒng)的運行就很難成功，或者說，要求人工參與的部分就很大，通過人工的干預(yù)來實現(xiàn)系統(tǒng)可能失敗的部分。例如高壓未落的通過手動落高壓，天線未到位的手動倒天線，這樣的自動化系統(tǒng)就失去了自動的意義。

要想解決這個問題，不難看出，時間的準(zhǔn)確性在這中間起著非常重要的作用，如果時間能夠非常準(zhǔn)確，那么發(fā)射機(jī)自動化可以實現(xiàn)準(zhǔn)點落高壓，天線交換開關(guān)自動化可以準(zhǔn)點倒換天線到位，發(fā)射機(jī)自動化就可以準(zhǔn)點上高壓，實現(xiàn)調(diào)度令的時間運行表得到準(zhǔn)確執(zhí)行。

那么，是不是這么簡單就可以實現(xiàn)呢。

我們目前采用的辦法是從局廣播傳輸發(fā)射自動控制系統(tǒng)下發(fā)校時的指令，下級的控制系統(tǒng)接到指令后在實現(xiàn)自身校時的同時，將校時指令向下轉(zhuǎn)發(fā)，即實現(xiàn)自上而下的校準(zhǔn)時間。

然而這個方法的實現(xiàn)效果卻不盡如人意。為什么呢？

目前的集成系統(tǒng)一般采用以太網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在最下級的工控機(jī)與PLC 可能有串口，但是大部分系統(tǒng)都體現(xiàn)了雙絞線的網(wǎng)絡(luò)模型，所以這中間的時間差就是網(wǎng)線傳輸與系統(tǒng)反應(yīng)時間的和。這個時間，并不容易把握，網(wǎng)絡(luò)會有擁堵的現(xiàn)象，系統(tǒng)的反應(yīng)時間也會因系統(tǒng)的性能以及實時的工作情況有關(guān)。

圖2 星型結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)模型

當(dāng)今居于主導(dǎo)地位的局域網(wǎng)技術(shù)-以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是建立在CSMA/CD 機(jī)制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，早期的以太網(wǎng)設(shè)備如集線器是物理層設(shè)備，不能隔絕沖突擴(kuò)散，限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提高。而交換機(jī)（網(wǎng)橋）做為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，極大的提高了以太網(wǎng)的性能。正逐漸替代集線器成為主流的以太網(wǎng)設(shè)備。然而交換機(jī)（網(wǎng)橋）對網(wǎng)絡(luò)中的廣播數(shù)據(jù)流量則不做任何限制，這也影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。通過在交換機(jī)上劃分VLAN 和采用三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備-路由器解決了這一問題。以太網(wǎng)做為一種原理簡單，便于實現(xiàn)同時又價格低廉的局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界的主流。而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為最有前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

目前以太網(wǎng)一般采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，管理方便、容易擴(kuò)展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點、需要更多的網(wǎng)線、對核心設(shè)備的可靠性要求高。采用專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如集線器或交換機(jī)）作為核心節(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺主機(jī)連接到核心節(jié)點上，這就形成了星型結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)雖然需要的線纜比總線型多，但布線和連接器比總線型的要便宜。此外，星型拓?fù)淇梢酝ㄟ^級聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到很大的規(guī)模，因此得到了廣泛的應(yīng)用，被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。

以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問（CSMA/CD） 機(jī)制。以太網(wǎng)中節(jié)點都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息，因此，我們說以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)的工作過程如下：當(dāng)以太網(wǎng)中的一臺主機(jī)要傳輸數(shù)據(jù)時，監(jiān)聽信道上收否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)監(jiān)聽，直到信道空閑為止。若沒有監(jiān)聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臅r候繼續(xù)監(jiān)聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機(jī)等待一段時間后，重新執(zhí)行監(jiān)聽。若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，所有計算機(jī)在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6 微秒（以10Mbps 運行）。

以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，以太網(wǎng)的長度也在變化，其范圍是64～1518 字節(jié)。

在以太網(wǎng)中，當(dāng)兩個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)到物理傳輸介質(zhì)上，并完全或部分重疊時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)都不再有效。沖突域：在同一個沖突域中的每一個節(jié)點都能收到所有被發(fā)送的幀。

沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素，由于沖突的存在使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負(fù)載超過40%時，效率將明顯下降。產(chǎn)生沖突的原因有很多，如同一沖突域中節(jié)點的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。此外，諸如數(shù)據(jù)分組的長度 （以太網(wǎng)的最大幀長度為1518 字節(jié)）、網(wǎng)絡(luò)的直徑等因素也會影響沖突的產(chǎn)生。因此，當(dāng)以太網(wǎng)的規(guī)模增大時，就必須采取措施來控制沖突的擴(kuò)散。通常的辦法是使用網(wǎng)橋和交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域。

理解了以太網(wǎng)的工作原理，軟件所能做的校時功能，一般會選用一個值作為校時的誤差彌補(bǔ)，這個時間差是經(jīng)過多次調(diào)試得出的平均值，而各分系統(tǒng)的反應(yīng)時間、網(wǎng)絡(luò)情況等都是動態(tài)變化的，所以校時的結(jié)果很難統(tǒng)一。

3 問題的解決

通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，想要時間同步并不是非常容易實現(xiàn)的事情。如果僅靠時間的同步來實現(xiàn)集成系統(tǒng)的工作同步的話，是不太現(xiàn)實的。算法流程見圖3。

通過圖3 看出，如果僅靠時間來完成任務(wù)，是比較危險的，那么，還有什么別的辦法呢？ 目前一般的做法是算法采用如圖4所示的算法流程。

這樣的算法，增多了各個系統(tǒng)之間的交流，從一定層面上來說，增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，雖然指令可以有保證的執(zhí)行下去，但是，如果中間某一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題的話，那么以此為條件的后續(xù)指令局無法進(jìn)行下去，也就玩法完成任務(wù)。

圖3 僅靠時間的同步來實現(xiàn)集成系統(tǒng)工作的算法流程圖

這里，就涉及到了軟件的接口問題。各種不同的軟件要實現(xiàn)接口，比較麻煩。軟件接口是實現(xiàn)一個系統(tǒng)跟另外系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的橋梁，在不同的系統(tǒng)之間，根據(jù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度的不同存在緊耦合和松耦合兩種：緊耦合要求接口響應(yīng)反應(yīng)快，消息不能阻塞；松耦合對響應(yīng)反應(yīng)要求比較低。在目前應(yīng)用中，Socket 、消息隊列 （Message Queue）、WebService 等都有相應(yīng)的應(yīng)用。

在接口和系統(tǒng)信息交互的過程中，兩種模式使用得很普遍：同步調(diào)用和異步調(diào)用，同步調(diào)用要求接口發(fā)出請求消息后必須等待服務(wù)端系統(tǒng)的應(yīng)答消息，接口阻塞直至超時；異步調(diào)用則發(fā)出請求消息后，接口可以從事其它處理，定時輪詢服務(wù)端應(yīng)答消息和消息或事件通知。同步方式簡單，但是很容易造成接口阻塞，造成消息積壓超時。

Socket 通訊相對來說是很古老的通訊方式，也是最常用的通訊方式。Socket 通訊有阻塞和非阻塞兩種方式。在同步方式，采用阻塞編程比較簡單，但是為了防止接口阻塞，我們需要設(shè)置Socket 超時，因此可以使用Socket 的SELECT 模型 （參考如下示例代碼）：

圖4 以時間的同步及其他方式混合作用來實現(xiàn)集成系統(tǒng)工作的算法流程圖

在異步方式下，采用非阻塞方式實現(xiàn)比較方便，在非阻塞方式下可使用WSAAsyncSelect 模型和WSAEventSelect 模型：WSAAsyncSelect 模型基于消息，WSAEventSelect 模型基于事件，下面的示例代碼設(shè)置了Socket 進(jìn)行讀寫和關(guān)閉操作的消息：

無論使用阻塞方式或非阻塞方式編程，需要重點考慮的一個問題：粘包現(xiàn)象，即應(yīng)用發(fā)送兩個或以上的數(shù)據(jù)包，在Socket 通訊層將數(shù)據(jù)包合并成一個發(fā)送出去，因此接收端收到數(shù)據(jù)包以后需要對數(shù)據(jù)包根據(jù)應(yīng)用定義的長度進(jìn)行拆分，否則導(dǎo)致應(yīng)用層丟包。

此處解釋了關(guān)于接口的問題，也就是說，在時間不能完全一致的情況下，我們將問題進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，比起單純的依賴時間，軟件之間的接口實現(xiàn)條件的互通，是解決問題的一個辦法。

4 結(jié)束語

目前電腦技術(shù)的日益發(fā)達(dá)，也帶動了自動化技術(shù)的飛速前進(jìn)，各種獨立的自動化系統(tǒng)逐漸需要共同協(xié)作完成一些大的任務(wù)，對時間依賴比較多的系統(tǒng)，由于一些副作用導(dǎo)致的時間難以同步，如果不尋找其他的接口實現(xiàn)某些數(shù)據(jù)的互通有無，將難以完美的得到利用，因此，在將來的軟件系統(tǒng)中，接口的設(shè)計將會越來越重要，各種不同的語言不同的環(huán)境實現(xiàn)的不同系統(tǒng)都將能夠?qū)崿F(xiàn)接口的方便對接。

[1]鄭耀東，等.C# 從入門到實踐[M].清華大學(xué)出版社，2009.

[2][美]Sai Kishore Sripriya；何紅波，英宇，等（譯）.Visual C++.NET專業(yè)項目實例開發(fā)[M].中國水利水電出版社，2007.

[3]求是科技.WindowsAPI 程序設(shè)計參考大全.人民郵電出版社，2006.