以往與實時通信相關的文章往往關注一些細節——如何從嵌入式系統（CAN、CANopen或實時通信系統的某個特定方面實現“最佳”。考慮這些具體細節如何應用于更廣泛的應用及其獨特性要求至關重要，而這可能會導致文章的讀者質疑是否正確實現了這些功能而導致不確定性。對此，筆者認為如果您的系統所需的響應速度在100ms范圍內，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，沖突是通過優先級來解決的。然而，在沒有沖突的情況下，即使是最低優先級的幀也可以立即訪問網絡。因此，如果您的系統只有50%或更少的總線負載，并且采用了一些機制，沒有設備可以產生連續的高優先級流量，那么關于優化優先級或按優先級管理軟件處理程序的討論可能純粹是理論上的，沒有重大的實際應用。

安全性越發重要。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，則需要額外的元數據來保護原始信號數據。這可能包括冗余信息、計數器、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，審視應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“實時通信系統的需求”中著眼于不同的應用程序所需的不同時間范圍；在第三部分的“基于CAN總線的系統的時間動態”中，我們將我們的發現引用于CAN和CANopen，并出了有關配置通信以滿足之前發現的需求的建議，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常可用的優化選項。

在嵌入式系統領域，實時應用占據著至關重要的地位。這些應用程序的特點是要求在特定時間范圍內處理輸入并產生輸出。它們提供的結果的準確性不僅取決于其邏輯正確性，還取決于其響應的精確時間。當這些系統與物理世界交互時，風險可能很高，通常涉及人類安全、產品質量或高效的系統運行。因此，這些應用程序的響應能力成為其設計的基本方面。

然而，“在特定時間范圍內”可能因應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）。

實現實時應用程序的具體挑戰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絡？

隨著應用程序變得越來越復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，許多實時系統依賴于遠程連接。傳感器、執行器和其他設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，這也意味著數據必須在所需的時間范圍內傳輸兩次：從傳感器到處理單元的輸入，然后是處理單元到執行器的輸出。所有這些都帶來了額外的挑戰和考慮因素：通信渠道會帶來延遲，或潛在的數據損壞或丟失。實時系統的設計者現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的實時要求。此外，這些系統現在必須能夠處理多個（通常是同時發生的）數據流，并根據這些流的緊急性和重要性來管理這些數據流的優先級。

實時應用的復雜性和要求日益提高，加上處理單元和輸入/輸出設備之間的距離越來越大，使得實時系統的設計成為一項多方面且具有挑戰性的工作。這樣的發展需要對通信協議、網絡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繼續滿足對其提出的嚴格要求。

在深入設計過程之前，第一個也是最關鍵的問題是確定特定應用所需的時間范圍。一旦系統完成設計和開發，縮短時間框架幾乎是不可能的，因為許多設計決策都是基于初始時間框架考慮的。在為系統的實時響應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的處理時間、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到輸出）、在輸出上接收數據并實際應用它的處理延遲。

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響應超過1秒的應用

對于在單秒或多秒的時間范圍內運行的應用程序，系統通常不需要特殊的預防措施。這是因為這些應用程序的延遲容忍度明顯大于通信協議引入的典型延遲。有趣的是，即使控制代碼在較慢的非實時操作系統上執行，也可以實現實時操作。如果操作系統承擔過多的并發操作，可能會出現挑戰，但這些情況通常是例外而不是常態。

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太陽的位置進行調整。在此應用中，數秒到數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：供暖、通風和空調系統通常包含傳感器來調節溫度和空氣質量。雖然即時調整體驗感更好，但幾秒鐘的延遲通常在可接受的范圍內。

采礦設備：在采礦作業中，輸送機和大型挖掘機等大型機械需要數秒的時間來啟動或停止。考慮到規模，系統響應延遲1秒是可以接受的，特別是對于非關鍵調整。然而，緊急關閉等安全關鍵功能將有更嚴格的要求。

海事應用：鑒于大型海船的運動動態相對較慢，數據處理和導航的一秒延遲是可以接受的。

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

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響應時間超過100ms的應用

在許多場景中，尤其是那些以人機交互為中心的場景，100 毫秒左右的響應時間至關重要。這個范圍取決于人類感知和反應的基本極限。當系統在此時間范圍內做出響應時，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。為了實現這個響應時間，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之中。通過開關或操縱桿發送控制，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發生。

工業機器接口：制造工廠的操作員通過控制面板與復雜的機械進行交互。快速反饋至關重要，確保用戶的命令幾乎立即轉化為機器動作，從而提高操作安全性和效率。如果激活命令需要較長時間，則應提供一些即時視覺反饋，以向操作員發出信號，表明所選功能現在即將執行。

醫療設備：當醫療保健專業人員調整設置或輸入命令時，患者監視器和特定診斷工具等設備需要及時反饋。這種迅速的響應既確保了患者的安全，又確保了醫療保健專業人員的信心。

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響應時間超過10ms的應用

對于要求響應時間約為 10 毫秒的應用，精度至關重要。這些時間明顯超出了人類感知的界限，導致系統甚至在人類能夠記錄事件之前就經常做出響應或調整。因此，基礎系統必須以無與倫比的效率和一致性運行。實現這些嚴格的時序需要詳細的規劃、速度和優先級之間的平衡，但也可能深入到處理數據的軟件層，包括驅動程序和固件。通過精確的優化，這些系統表現出快速反應的能力，增強安全性，保留功能并確保最佳性能。

駕駛員輔助系統：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對于提供快速響應至關重要。在任何延遲都可能導致潛在事故的情況下，這些系統通常感知車輛動力學的瞬時變化并做出反應。

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

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

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響應時間為毫秒級的應用

對于要求響應時間為毫秒級的應用程序，多個通信網絡的功能已達到極限。請記住，這與總吞吐量無關（通常此處僅交換幾個字節），而是快速將這些字節發送到目的地。要實現如此快速的反應，需要對系統的各個方面（從網絡配置到底層代碼）進行審查并進行優化。當遇到如此苛刻的要求時，應該進行全面的評估，以確定所選的通信協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。

高速運動控制：在專門的工業設置中，機械需要基于快速反饋回路進行即時調整。此類應用可能涉及微調電機速度、快速驅動閥門或實時調節高速執行器。

先進機器人技術：這些機器人在高精度任務中尤其普遍，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致嚴重錯誤。

安全氣囊彈開：在車輛安全系統中，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。如此快速的響應對于確保車內乘員的安全至關重要，每一毫秒都有助于減輕傷害。

小結

各個領域的應用具有不同的響應時間要求，從秒到毫秒不等。通信系統滿足這些需求的能力對于實現最佳性能和效率至關重要。

然而，了解這些響應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、延遲和仲裁的技術方案，包括網絡架構、帶寬和數據處理能力等考慮因素。此外，我們將探討在選擇在速度、復雜性和成本之間取得平衡的通信系統時必須做出的權衡和妥協。

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