嵌入式系统实时通信网络第1章-概述.ppt

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1、嵌入式系统实时通信网络第1章-概述信息与控制工程研究所 张凤登张凤登第第1章章 概概 述述1.嵌入式系统实时通信网络的重要概念及其特殊性2.有效设计和实施背后的业务需求和成本驱动因素3.实时通信网络的形成简史、功能需求和发展趋势 31.1 嵌入式系统实时通信网络的相关概念1.1.1 系统系统 “系统”是指由相互制约的若干部分所构成的整体。系统的功能通常是特定的；系统的状态由描述系统行为特征的变量表示；系统会随着时间的推移不断地演化。为方便对这一新兴技术的理解，让我们首先了解一些基本概念。例如：嵌入式系统可认为是产品内嵌微处理器控制系统的硬件和软件两部分所形成的整体。1.1.2 实时实时 实时(

2、Real-Time)表示具有确定性的响应，即在给定的时间周期内，对某个事件做出可靠、准确响应的能力。实时是用来描述实际应用中的定时要求的形容词,事物的实时性没有一个统一的时间限制。4 实时系统的一般组成如图1-1所示：计算簇：计算簇：组成计算机控制系统的硬件和软件。被控簇：被控簇：物理设备或机器。操作员簇操作员簇：表示人机交互中的人类因素。人机接口人机接口:操作员与实时计算机系统之间的接口，如键盘、显示器等输入输出设备。仪器仪表接口：仪器仪表接口：被控对象与实时计算机系统之间的接口，如传感器、执行器等信号 变换设备。1.1 嵌入式系统实时通信网络的相关概念1.1.3 实时系统实时系统 系统行为

3、的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且与产生这些结果的物理时间有关的系统。计算簇的环境 51.1 嵌入式系统实时通信网络的相关概念1.1.4 实时通信网络实时通信网络 如果实时计算机系统是分布式的，那么该系统由多个节点组成，各个节点都包括硬件（处理单元、内存、I/O接口和时钟等）和软件，相互之间通过实时通信网络相互连接（图1-2）。一个节点至少可以划分成两部分：通信控制器和主机（图1-3）。节点之间既不共享物理内存，也不共享物理时钟，相互之间通过报文通信来协调它们的动作。实时通信网络（有时称为实时通信系统）是由计算簇内所有节点的通信控制器与物理互连媒体形成的一个整体。61.1 嵌入式系统实时通

4、信网络的相关概念 1.嵌入式系统：嵌入式系统：嵌入式实时系统总是某个指定的更大系统的一部分，人们通常把嵌入式实时系统简称为嵌入式系统，而将其所对应的更大系统称为智能产品。2.嵌入式系统的特征：嵌入式系统的特征：批量生产 静态结构 人机接口 机械子系统最小化 功能确定 维护策略包括“不可维护”、“可维护”通信能力 能源有限1.1.5 嵌入式实时系统嵌入式实时系统 嵌入式实时系统也属于实时计算机系统，只是其节点设计采用了嵌入式微处理器(Embedded Microcontroller)。与通用计算机系统的CPU相比，嵌入式微处理器具有品种多、体积小、成本低、集成度高等特点。71.1 嵌入式系统实时

5、通信网络的相关概念 新一代嵌入式处理器能够提供多种内嵌网络接口，如支持TCP/IP、IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA协议的通信接口，甚至提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。1.1.6 嵌入式系统网络化嵌入式系统网络化 嵌入式系统正在向网络化过渡，主要目的在于降低成本，增强设计灵活性，扩大适用范围，以及为将来增加新功能创造条件。上述网络接口和软件主要用于消费电子领域，尚不能完全满足工业电子领域的实时通信网络要求，原因在于工业网络在安全性、电磁兼容性、环境适应能力和成本等方面具有更高的需求。如汽车制造行业。81.2 安全性 嵌入式系统在经济和技术方面取得的巨大

6、成功，导致许多应用增加了电子系统的部署，甚至在电子系统失效可能导致严重后果的领域也是如此（例图1-4）。91.2 安全性1.2.1 安全性的定义安全性的定义 系统在给定的时间跨度内不发生可能导致灾难性后果的关键故障模式的概率。1.失效模式失效模式 一个系统、子系统或零部件没有满足其设计目的或功能的形式。2.失效模式分类失效模式分类 （1）关键失效模式：恶性的，可能够导致灾难性后果。（2）非关键失效模式：良性的，不可能造成严重问题。1.2.2 安全标准安全标准 为满足安全性要求，许多行业为嵌入式系统设计制定了专用的安全标准。在与安全相关的嵌入式系统设计中，下面三个安全标准受到广泛关注。1.IEC

7、61508 与安全相关的电气/电子/可编程电子（E/E/PE）系统设计标准 2.RTCA/DO-178B和和DO-254 机载安全关键性计算机系统的软/硬件设计和验证标准和建议 3.ISO 26262 道路车辆电气和电子系统安全标准 101.2 安全性 1.2.3 功能安全的实现功能安全的实现 无法通过单一技术确保整个产品安全。要想实现符合标准的功能安全，只能依靠细致的流程，而且从头到尾都要采用正确的工具。图1-6给出的例子简单描述了某网络产品的生产过程和各阶段所使用的工具。111.2 安全性1.2.4 安全认证安全认证 在安全方面，工业电子是把双刃剑。其一，有助于获得有益的功能，降低事故发生

8、率，从而提高安全性。其二，对消费者形成潜在的电子干扰，造成安全隐患。另外：另外：与机械系统不同，当出现故障时，安全关键性电子系统的软件和硬件不会留下物理证据。因此，当用电子解决方案替代传统的机械解决方案时，产品制造商或零部件供应商都应该更加谨慎。在很多情况下，安全关键性实时系统的设计必须获得独立认证机构的批准。认证机构若对以下方面感到信服，则可以简化认证过程：认证机构若对以下方面感到信服，则可以简化认证过程：安全关键性子系统受到故障抑制机制的保护，系统的其余部分不可能向这类子系统传播错误。从设计角度看，负载和故障假设所覆盖的情形都可依据规范进行处理，无需参考概率参数。系统架构支持模块化认证过程

9、，可对各个子系统进行单独认证。在系统层面，只有新出现的属性必须经过确认。121.3 电磁兼容性 EMC包括两个方面的要求：在正常运行过程中，设备或系统对环境产生的电磁干扰不能超过一定的限制值设备或系统对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度(即电磁敏感性)电磁兼容性（ElectroMagnetic Compatibility，EMC）：设备或系统在其电磁环境中按要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法承受的电磁干扰的能力。1.3.1 放射测试放射测试 放射测试(Emissions Testing)测量设备产生并放射到环境中的电磁噪声量，其中包括两项测量：辐射放射(Radiated Emi

10、ssion)和传导放射(Conducted Emission)。1.辐射放射测量辐射放射测量 辐射放射在超过30MHz的频率下进行测试，因为高于此阈值的波长足够短，潜在的“天线”可以存在于连接到设备的信号线束中。在测试中，将设备的线束与设备相连，并使用天线来测量系统的放射。2.传导放射测量传导放射测量 测量传导放射是为了寻找在长波、中波（AM）和调频（FM）波段产生的噪声。在这些较长的波长上，噪声倾向于沿着由电源线形成的“天线”传导，通过线路耦合很容易测量这类噪声。131.3 电磁兼容性1.3.2 抗扰度测试抗扰度测试 抗扰度测试是检验被测设备在仿真电磁环境下的状况。在测试过程中，由仿真环境来

11、模拟设备预期运行的电磁环境。可能需要完成的测试包括：1.静电放电抗扰度静电放电抗扰度 具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触所引起的电荷转移现象称为静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）。ESD测试模拟在处理设备期间发生的静电放电，要求在通电和断电两种状态下对设备进行测试。断电测试模拟安装前的放电，通电测试模拟安装后的放电。3.电瞬变脉冲抗扰度电瞬变脉冲抗扰度 每当切换负载时都会产生瞬变现象。若切换的是电感性负载，则会产生电弧和触点颤动。在测试前、测试中和测试后都要监视被测设备功能。在某些测试期间，被测设备可不执行其功能，但决不能干扰其它设备。2.射频电磁场抗扰度

12、射频电磁场抗扰度 射频（RF）电磁场抗扰度测试模拟设备在运行期间可能遇到的RF磁场环境。是否允许设备在受到RF磁场影响时降低性能，以及测试期间的磁场强度应该有多大，两者都是由设备的功能决定的。141.3 电磁兼容性4.磁场抗扰度磁场抗扰度 磁场抗扰度测试模拟配电产生的磁场。商业认证测试将交流电力线的频率限定为50Hz和60Hz。汽车测试还包括内部噪声源（如充电系统）和大电流脉宽调制（PWM）源（如大型LED灯和步进电动机），针对的频率范围为50Hz100kHz。5.接地电压偏移抗扰度接地电压偏移抗扰度 交流瞬变和接地腐蚀可能导致接地电压偏移。交流瞬变可能是由其它设备的大电流接地回路引起的。接地

13、电压偏移的模拟涉及两种波形：瞬态波形和恒定波形。瞬态波形由衰减正弦脉冲组成，其谐振频率为100kHz。针对恒定波形的测试，首先在2kHz10kHz之间进行，然后在2kHz10kHz之间进行。6.电压回动抗扰度电压回动抗扰度 电压回动（Voltage Dropout）通常是指设备有望在没有用户干预的情况下从掉电中恢复。当掉电时间极短时，预计设备将在整个测试过程中继续运行。电压回动抗扰度测试涉及的模拟包括：改变掉电时间长度和重复次数；模拟电压跌落、电池电压缓慢恢复和电压随机反弹。151.4 工业电子设备的环境要求 设备制造商希望自己的产品能够使用很多年（如汽车至少使用15年）。在此期间，产品将经历

14、各种各样的环境条件，例如，温度、湿度和压力的变化；盐、油、焦油等化合物的化学威胁。当创建网络节点和进行网络布线时，必须考虑设计的鲁棒性，以使这些组成部分无论新旧都能适应恶劣的环境。1.4.1 恒温条件恒温条件 大部分电子设备必须能够在-40C 85C温度范围内正常工作。尽管汽车要面对极寒和极热的气候条件，但实践证明此温度范围同样能够满足其大多数要求。然而，对于位于发动机室内的电子设备，温度上限要提高到125C。1.4.2温度波动与温度阶跃测试温度波动与温度阶跃测试 虽然设备上的最大应力是在工作温度最小或最大时产生的，但情况并非总是如此。在工作温度范围的某个小窗中内，系统可能由于接触点的膨胀或收

15、缩、机械设计问题或其它原因而出现故障。温度阶跃测试可检测在整个所需工作温度范围内的某个小窗口中发生的问题。1.4.3 温度循环测试温度循环测试 汽车类工业电子设备不仅要在所需工作温度范围内的任何温度下正常运行，而且必须能够应对工作温度的有规律循环。汽车类产品的使用寿命一般很长，在此期间温度会发生多次变化。161.4 工业电子设备的环境要求1.4.4 冰水冲击测试冰水冲击测试 不在产品的环境防护区域的组件，可能暴露于冰水中。如汽车在冬季驶过水坑。若组件正在其最高温度下运行，则难免造成高应力。为了防范这种潜在的情况，ISO16750-4规范给出了冰水冲击测试。冰水冲击测试的形式有两种：1.飞溅测试

16、飞溅测试 在此测试中，用符合规范要求的喷水器向被测设备喷水，喷水方式模拟设备安装在具体产品上遭水溅时的情形。2.浸没测试浸没测试 此测试需要将被测设备反复浸没在冰水中。1.4.5盐雾测试盐雾测试 在冬季较冷的气候中常常用盐为道路除冰，暴露在外部环境中的电子组件（如汽车上的某些组件）可能接触高腐蚀性盐水。测试这种情况的主要模式有两种：检查腐蚀；检查泄漏和一般功能。171.4 工业电子设备的环境要求1.4.6 循环湿热测试循环湿热测试 湿度加上不断变化的温度可能产生水分（露水），这些水分会凝结在暴露于环境中的组件表面上。这里所说的组件是指连接器、印刷电路板和集成电路等电子组件，位于气密外壳内的电子

17、组件除外。ISO16750-4建议，任何电子设备（无论安装在何处）都要进行结露（Dewing）测试化和一项附加测试。附加测试共有两种：“湿热循环测试（Damp Heat Cyclic Test）”；“复合温湿度循环测试（Composite Temperature/Humidity Cyclic Test）”。被测电子设备应该选用哪种附加测试取决于它的安装位置。例如，汽车行李箱舱中的电子设备应进行“湿热循环测试”，而发动机舱中的电子设备应进行“复合温湿度循环测试”。1.4.7 灰尘测试灰尘测试 当温度上升或下降时，气压会发生变化，从而导致灰尘被吸入或排出电气外壳。这很可能成为问题，尤其是在极端干

18、燥的地区。灰尘也可以导电，暴露于其中的电气组件或连接器很可能间歇性地发生故障或失效。该测试有利于确保设备在温度交替变化、灰尘粒度小于32m的环境中正常运行。181.5 业务与成本驱动因素 本节将深入探讨实时通信网络设计和实现背后的一些重要业务和成本驱动因素。1.5.1组件可用性组件可用性 在产品设计完成并开始交付给客户之后，可以继续采购产品所用组件的程度。大型电子行业对这个问题的关注度很低，一般只是象征性的，但汽车、机器人和飞机等工业行业却极其重视。主要原因有两个：需要为已投入使用产品提供服务，希望在产品的后续改进中重复使用经过验证的组件。消费电子和工业电子产品在可用性方面存在巨大差异：1.消

19、费电子和工业电子产品使用寿命对比消费电子和工业电子产品使用寿命对比 大多数购买新平板电脑或手机用户，会在其损坏或丢失之前，或者在新版本配备了新功能时做出更换。从购买到更换一般只有几年时间，在某些情况下只有一年。即使有人希望延长设备的使用时间，最终也会遇到各种问题或故障，并且要面对科技界的一个严酷现实：维修设备几乎与购买新设备一样昂贵。这种情况与汽车等行业形成了鲜明的对比。如很少有人会在购买新车时就想着一两年后更换它，因为一辆新车的使用年限一般在15年以上。在十年或更长的时间里，这类产品中的任何组件都可能会失效。组件一旦失效，就需进行更换，产品的制造公司必须确保每个组件长期可供。191.5 业务

20、与成本驱动因素2.消费电子和工业电子产品开发周期对比消费电子和工业电子产品开发周期对比 消费电子产品的使用寿命很短，一个重要原因是，产品制造商为鼓励频繁升级而有意缩短产品开发周期。市场上似乎每个月都有新型智能手机、平板电脑、笔记本电脑和其它小产品出现，为吸引消费者，此类产品通常会有新的功能、更快的运行速度或其它特色。另外，消费电子产品的组件一般为微处理器、固态硬盘和存储芯片等，这些组件的不断发展也为制造商开发新产品提供了理由。为了增加新能、延长电池寿命和减小尺寸等，大多数新的消费电子产品要进行大量重新设计，尽管其中也会继续使用某些组件，但这不是产品设计的主要推动力。汽车等行业却大不相同。例如，

21、大部分汽车制造商每年都会推出一款新车型，但产品设计上的重大变化通常每隔几年才会发生一次。与之前的车型相比，大多数新车型变化不大。虽然款式会更新，功能会增加，但汽车运行的基本原理不会每年都发生很大变化。此外，在汽车等行业产品设计中，引入新技术既会带来风险，又会增加成本，需要进行大量的测试和验证。因此，业界对电子元件的使用普遍采取“没坏就别修”的态度，常常年复一年地重复使用相同的组件，只有在出现问题时才做出改变。201.5 业务与成本驱动因素1.5.2 成本考量成本考量 所有行业都很重视产品的开发、制造和维护成本。然而，由于工业电子产品的利润空间很小，始终面临降低零部件成本的强大压力，因此成本因素

22、显得更加重要，这里将以汽车为例说明这一点。1.产品中的电子成分产品中的电子成分 就目前情况而言，一辆汽车的成本已经更多地取决于硅而不是钢。汽车的总成本已经在很大程度上与电子设备相关，而且这种趋势还在持续扩大。到2030年，预计电子设备在各种车辆中的成本占比将达到50%。2.制造商的利润空间制造商的利润空间 与华为、谷歌或苹果等大型科技公司相比，跨国大型汽车制造商的利润空间微乎其微。大型汽车制造商的利润率大约为5%8%，控制成本至关重要，除非昂贵的新技术能够带来巨大利润，否则将新技术引入汽车的利润空间很小。实时通信网络确实能够带来实质性的好处。3.时代变迁带来网络成本变化时代变迁带来网络成本变化

23、 差异化和连通性变得越来越重要，甚至 不惜增加车辆的成本。通信、计算机技术快速发展，微处理器的能力大幅提高，但价格却在下降。211.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展 长期以来，人们使用现场总线（Fieldbus）这个概念描述测量控制设备之间的双向、串行、多点数字通信系统。由于现场总线在降低成本、提高控制水平等方面具有巨大优越性，许多公司纷纷提出和开发自己的解决方案，由此产生了许多不同的现场总线标准和利益团体。1.6.1 嵌入式系统实时通信网络简史嵌入式系统实时通信网络简史 在讨论纯技术问题之前，先了解一些嵌入式系统实时通信网络的形成历史。1.早期的串行通信早期的串行通信 内部数据通信网络

24、是实时控制系统的一部分，出现在用于诊断系统的诊断网络之后。两种网络的通信功能是不同的，有时它们会合为一体，但更多的时候是通过网关分隔开来，如下图所示。221.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展诊断网络：诊断网络：建立测试工具与一个或一组节点之间的通信。如：ALDL（美国GM,1980）、K-Line（欧洲Bosch,1980）。诊断网络的用途：诊断网络的用途：下载新软件、读取诊断故障码、提供与放射测试有关的信息、采 集控制系统参数等。这些用途一般不属于控制系统的功能范畴。诊断网络的基本特征：诊断网络的基本特征：除非外部工具连接到设备，否则网络一般是不活动的。在正常工作期间，工业设备的内部网

25、络处于活动状态，其要求要比非活动状态的网络严格得多！2.专用实时网络专用实时网络 上世纪80年代末，设备的复杂性急剧上升。主要原因：政府日益严格的排放标准和提高燃油经济性的愿望。为了满足这些需求，要在设备的发动机和传动控制系统中引入大量的传感器，导致设备中的电子控制单元数量不断增多。嵌入式系统实时通信网络雏形嵌入式系统实时通信网络雏形。为了防止用于传感器的接线过多，开始引入多路复用（Multiplexed）通信，利用该技术将来自多个源头的信息组合成单个数据流进行传输。如：J1850VPW（GM）、J1850PWM（Ford）、CCD（Chrysler）、VAN（PSA和Renault）、I-B

26、us（BMW）、BEAN（Toyota）等。231.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展3.形成行业标准形成行业标准CAN 德国Bosch公司开发了一种新的总线，并在1986年美国底特律市举行的汽车工程师学会（SAE）大会上发表了相关论文，题目为“汽车串行控制器局域网”。到了20世纪90年代初，博世公司的总线已经成为全球首个车载网络行业标准，后来简称为CAN（Controller Area Network，控制器局域网）。4.超越超越CAN 尽管CAN在业界取得了成功，但没过多久，人们就地认识到，它的有限传输速率（最大1Mbps）和报文时序不确定性难以适应某些应用的需要。20世纪90年代末，

27、MOST公司创建了一个更适合多媒体应用的新网络MOST（Media Oriented System Transport，面向多媒体的串行传输）。MOST具有更高的带宽，并且提供用于流数据和流同步的内置方法，这些都是CAN存在不足的方面。大约在开发MOST期间，沃尔沃（Volvo）等公司认为在某些应用领域中使用CAN实际上有些浪费，可以使用成本更低、更简单的网络来完成某些操作（如调整电动后视镜、打开和关闭门锁等），并为此于1998年创建了LIN（Local Interconnect Network，本地互连网络）。该网络使用极简的单线拓扑结构，借助标准的通用异步收发器（Universal Asy

28、nchronous Receiver/Transmitters，UART）进行串行通信。241.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展 在世纪之交，宝马、戴姆勒克莱斯勒、飞思卡尔和飞利浦半导体等公司认识到，安全关键性控制应用需要鲁棒性更强、速度更快的网络，这种网路不仅要内置冗余，而且要有实时同步能力。为此，这些公司成立了FlexRay联盟，并于2006年推出了FlexRay总线。FlexRay具有10Mbps的传输速率、双冗余网络拓扑结构和同步功能，业内许多人认为FlexRay是“下一件大事”。图1-15给出了车载网络的发展历程 251.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展 现有的实时通信网

29、络协议可分成有线和无线两大类：1.6.2 嵌入式系统实时通信网络分类嵌入式系统实时通信网络分类 随着网络技术的逐渐普及，市场上涌现出的嵌入式系统实时通信网络越来越多，它们都或多或少地与CAN相联系，并以协议的形式出现在机动车、航空和工业应用中。1.有线通信网络协议有线通信网络协议 CAN LIN TTCAN（Time-Triggered CAN，时间触发CAN）TTP/C（Time-Triggered Protocol/C，时间触发协议/C）FlexRay Safe-by-Wire（线控安全）I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）D2B（Domestic Di

30、gital Bus，家用数字总线）MOST IEEE 1394，又称为FireWire CPL（Current Power Line，当前电源线）261.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展2.无线通信网络协议无线通信网络协议 GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）Bluetooth（蓝牙）Zigbee IEEE 802.11x（Wi-Fi）NFC（Near-Field Communication，近场通信）1.6.3 功能与影响因素的进一步细化功能与影响因素的进一步细化 随着时间的推移，上述协议的局限性逐渐显现出来，因此实时

31、通信网络新方案的探索过程仍在继续。一个完善的实时通信网络应具备的基本功能和需要考虑的影响因素。1.实时通信网络的基本功能实时通信网络的基本功能 源于信息网络的多路传输技术应用于实时通信网络需要实现以下基本功能：简化布线，降低成本。节点之间能够进行更加简单、快捷的交流。减少传感器数量，实现信息资源共享。提高设备运行的总体可靠性。271.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展2.需要考虑的重要因素需要考虑的重要因素 实时通信网络需要面对各种各样的安全、电磁和气候状况，为保证网络在各种情况下稳定运行，必须考虑以下因素：较高的信息传输速度。苛刻的用电环境。复杂的电磁兼容性。严格的信息交流安全性。节点与

32、总线连接头的电气与力学特性及数量。网络结构和应用系统的评估方法和性能检测方法。容错和故障恢复。实时控制网络的时间特性。安装与维护中的布线。网络节点的增加（可扩展性）和软硬件更新。实际上，从一种网络协议到另一种网络协议，要解决的问题都是一样的，但应用领域的不同特征会改变所涉及参数的等级顺序，并导致新的概念不断被发展出来，以便为遇到的困难找到简单的解决方案。281.6 嵌入式系统实时通信网络的形成与发展1.6.4 在两个世界的交集中不断进步在两个世界的交集中不断进步 过去，由于需求和侧重点不同（如EMC和成本等），消费电子和工业电子是分开的两个世界。在家庭、办公室、数据中心和某些工业环境中使用了几十年的网络通常被认为不适合于实时性要求很高的设备，如机动车、飞机和工业机器等。现在，移动通信革命驱使电子行业快速发展，电子组件的特性发生了重大变化，消费电子产品和工业电子产品的需求有了更多的交集，以至于消费电子网络和工业电子网络出现了相互融合的趋势。各个行业的新技术革命刚刚拉开帷幕，随着工业电子市场的不断扩大，涉足这一巨大市场的科研人员、设备制造商和网络供应商将越来越多，其参与者将在许多领域获得巨大的利益。