方 林

（中興通訊股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響著數(shù)據(jù)信息的傳輸質(zhì)量，但由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中元件眾多，加上通信寬帶的限制、傳感器信號(hào)與控制信號(hào)的碰撞交互，不可避免地導(dǎo)致信息傳輸過(guò)程中出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。為了保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)高效運(yùn)行，減少信息傳輸延遲，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)不同信息數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的特點(diǎn)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而為人們的生活和工作提供便利[1-3]。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延產(chǎn)生原因

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以將傳感器、執(zhí)行器以及控制單元整合在一起，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)階段進(jìn)行統(tǒng)一的連接和控制，通常以人們常用的分布式系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等形式出現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本身具有較好的靈活性和針對(duì)性，可以結(jié)合實(shí)際情況在不同的環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)。特別是在當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，各個(gè)領(lǐng)域都逐漸實(shí)現(xiàn)了信息化創(chuàng)新，可以將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制、運(yùn)動(dòng)體控制、樓宇自動(dòng)化控制等方面[4]。

從客觀上看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在實(shí)踐過(guò)程中展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值，目前正朝著集成化、信息化、分布式以及智能化方向發(fā)展。基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信號(hào)傳輸通道、物理信號(hào)編碼、通信協(xié)議處理等的競(jìng)爭(zhēng)，不可避免地導(dǎo)致控制器、執(zhí)行器和傳感器之間出現(xiàn)延遲，從而造成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的延遲。網(wǎng)絡(luò)延遲容易導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，個(gè)別環(huán)路之間甚至出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延的特點(diǎn)

目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延最主要的特點(diǎn)是不確定性。在互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)信息是一個(gè)設(shè)備指令，可以借助網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將信息傳遞給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)信息的傳遞。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)信息傳遞會(huì)經(jīng)過(guò)各層協(xié)議，如果信息通過(guò)各層協(xié)議的過(guò)程中出現(xiàn)卡頓，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí)延[5-7]。利用網(wǎng)絡(luò)將信息從節(jié)點(diǎn)A傳給節(jié)點(diǎn)B，B方收到信息并給予A方回應(yīng)，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)潛在的時(shí)延情況，如圖1所示。結(jié)合實(shí)際情況，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延可以分為4部分，分別是發(fā)送處理時(shí)延Tsend、等待時(shí)延Twait、傳輸時(shí)延Tts以及接收處理時(shí)延Trev。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延示意圖

3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型

3.1 周期數(shù)據(jù)

周期數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的一種數(shù)據(jù)信息類型，由系統(tǒng)對(duì)一個(gè)既定的外界狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)生成，例如檢測(cè)漲跌變化或數(shù)據(jù)波動(dòng)變化?；跀?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的特殊性，周期數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間要求較高，同時(shí)不同的周期數(shù)據(jù)需求對(duì)時(shí)間的要求也不盡相同，有的復(fù)雜設(shè)備甚至要求時(shí)延不超過(guò)毫秒。此外，由于周期數(shù)據(jù)具備一定程度的截止期限，下一個(gè)周期數(shù)據(jù)生成以后，上一個(gè)同類型周期數(shù)據(jù)就失去了意義，因此截停未及時(shí)送達(dá)的最新數(shù)據(jù)十分重要[8]。

3.2 猝發(fā)數(shù)據(jù)

猝發(fā)數(shù)據(jù)是一種產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)和緊急操作指令的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短且網(wǎng)絡(luò)占用量低。由于處理該數(shù)據(jù)容易引發(fā)重大危險(xiǎn)事件并產(chǎn)生不可逆的結(jié)果，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間與準(zhǔn)確性要求極高。

3.3 非實(shí)數(shù)據(jù)

非實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的要求相對(duì)較低，并且允許存在一定程度的時(shí)延情況。非實(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)信息量大、寬帶占用率高，通常以文件的形式出現(xiàn)。由于其占用的數(shù)據(jù)通常是有意義的，不允許丟失，因此需要進(jìn)行差錯(cuò)控制，引入重發(fā)機(jī)制，從而保證非實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

4.1 CSMA技術(shù)

載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）作為一種總線爭(zhēng)用技術(shù)，對(duì)任何節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有預(yù)約發(fā)送時(shí)間，在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)存在隨機(jī)性。使用CSMA技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)信息，那么就需要競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)CSMA技術(shù)的規(guī)則，任何想要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)需要先監(jiān)聽(tīng)總線，確?？偩€空閑后才能發(fā)送數(shù)據(jù)信息。如果出現(xiàn)總線忙碌的情況，則需要等待一段時(shí)間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

CSMA技術(shù)監(jiān)聽(tīng)總線并決定是否發(fā)送時(shí)，可以采用3種退避算法，分別是不堅(jiān)持算法、堅(jiān)持算法、P-堅(jiān)持算法。CSMA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，可以及時(shí)響應(yīng)猝發(fā)數(shù)據(jù)，如果不考慮周期數(shù)據(jù)的時(shí)間限制，還可以滿足截止期限要求。因?yàn)镃SMA技術(shù)隨機(jī)征用數(shù)據(jù)信息道路，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性很大，所以該技術(shù)也被認(rèn)為是不確定的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)手段。如果要應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域，則需要與其他技術(shù)配合[9]。

4.2 令牌輪詢技術(shù)

令牌輪詢技術(shù)是通過(guò)獨(dú)立令牌來(lái)進(jìn)行時(shí)間控制的傳輸技術(shù)，主站之間通過(guò)邏輯算法對(duì)令牌進(jìn)行控制調(diào)度，以保證時(shí)效性。令牌輪詢技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中用獨(dú)立令牌過(guò)渡，在主站之間構(gòu)成邏輯環(huán)，數(shù)據(jù)信息可以在邏輯環(huán)中進(jìn)行循環(huán)傳遞。借助任務(wù)調(diào)度的方式來(lái)滿足周期數(shù)據(jù)傳輸需求，由于周期數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性存在差異，因此令牌輪詢技術(shù)信息傳輸需具備靜態(tài)事先約定、動(dòng)態(tài)調(diào)整的特性。令牌輪詢技術(shù)自身具備顯著優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)測(cè)最大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。與此同時(shí)，其缺點(diǎn)也比較明顯，即不能處理突發(fā)性事件。

4.3 集中式令牌技術(shù)

集中式令牌技術(shù)與令牌輪詢技術(shù)類似，都是通過(guò)令牌來(lái)作為時(shí)間觸發(fā)方式的介質(zhì)。集中式令牌技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中主線上有且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)總線進(jìn)行仲裁，同時(shí)根據(jù)不同的任務(wù)調(diào)度需求來(lái)展示其他節(jié)點(diǎn)，在不同時(shí)間發(fā)送不同信息。將緩存在存儲(chǔ)系統(tǒng)的指定數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇偩€后，個(gè)別節(jié)點(diǎn)便可以接收信息，只有收到指令之后才有控制權(quán)力來(lái)執(zhí)行下一步操作?？紤]到周期數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要求與工作特點(diǎn)，一般可以使用相應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法，并在節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建任務(wù)調(diào)度表。相較于令牌輪詢技術(shù)，集中式令牌技術(shù)的精準(zhǔn)性更高，周期數(shù)據(jù)響應(yīng)傳遞更加高效。為了提高集中式令牌技術(shù)對(duì)猝發(fā)信息的處理能力，可以考慮在剩余時(shí)間中主動(dòng)放開節(jié)點(diǎn)的控制權(quán)，通過(guò)刺激增加其他節(jié)點(diǎn)，讓其他節(jié)點(diǎn)奪取猝發(fā)數(shù)據(jù)傳輸權(quán)，進(jìn)而解決突發(fā)事件處理速度慢的問(wèn)題[10]。

5 技術(shù)應(yīng)用協(xié)定

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中，任何數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)都不是孤立存在的，需要結(jié)合實(shí)際需求對(duì)不同數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)進(jìn)行協(xié)同應(yīng)用，從而形成不同的技術(shù)應(yīng)用協(xié)定，如表1所示。其中Profibus協(xié)定一般在令牌輪詢技術(shù)里使用，可以對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并達(dá)成優(yōu)先級(jí)控制。基金會(huì)總線（Foundation Fieldbus，F(xiàn)F）協(xié)定一般在令牌在主站之間傳遞周期數(shù)據(jù)信息的情況下使用，可以協(xié)助令牌輪詢技術(shù)處理突發(fā)性信息，對(duì)需求的時(shí)效性等級(jí)進(jìn)行分類。

表1 幾種常見(jiàn)協(xié)議的技術(shù)構(gòu)成

6 結(jié) 論

綜上所述，為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的價(jià)值，應(yīng)不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延，并深入研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。借助科學(xué)合理的協(xié)議來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，確保網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在不同的場(chǎng)景下可以實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)信息傳輸，為社會(huì)各領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化、智慧化、信息化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。