Intern ati o n a Journ a l of  Re con f igur able  and Embe dded  Sys t ems  (I JRES)  V o l.  4, N o . 1 ,  Mar c h  20 15 pp . 22 ~27  I S SN : 208 9-4 8 6 4           22     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJRES  The E x perim e ntal Platf orm Desi gn for NCS Based on CAN Bus      Z h ao  Wei q ua n, Yu an Hu aq i a ng Wei   X i a o rui   Computer College, Donggu an U n iversity   of  Technolog y ,  Dongg uan 523808, China      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Aug 1, 2014  Rev i sed   No v 2, 201 Accepte d Dec 3, 2014      In order to fa ci lita te r e sear ch o n  the perform a n ce of Network e d Control   S y s t em , ov erco m e  the  defe cts   of unabl to r e fl ect  the  s y s t em  p e rform ance ,   based on the CAN bus a kind of  NCS expe rimental platform  is designed. Th s y s t em  is   com pos ed of  a m a in  no de and  s e ver a l  s l ave nod es  and  Dc m o tor  as   the actuator. Th e master node is designed with  ARM + U-boo t + Linu x   structure, conn ecting with PC  via Ethe rn et. For this exp e riment platform,  using c  + + Builder  a sch e dulin g algor ith m pe rforma nc e  te st i n soft wa re  i s   develop e d,  to fur t her r e search  on  the ef fects of dif f erent schedulin g algorithm  on the NCS perf ormance.  Keyword:  Net w or ke d c o n t rol  sy st em   Ex peri m e nt al  pl at form   CAN b u s   Sche dul i n g al g o ri t h m   C o m pone nt   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Zha o  Weiquan,   C o m put er C o l l ege,  D o n g gua n  U n i v e r si t y  of   Tech nol ogy ,  D o n g gua 5 2 3 8 0 8 ,  C h i n a.   Em a il: zh ao wq@dgu t.edu . cn       1.   INTRODUCTION  Networke d Control System (NCS), with networke st ruc t ure  a n decentralized m a nage m e nt a nd  n e two r k   n o d e  i n tellig en t,  o v e rco m e th e co mp lex   p r ob lem   o f  trad itio nal co n t ro l system su ch  as redu cin g  t h am ount  o f  i n f o rm at i on t r a n s m i ssi on,  di f f i c ul t  t o  e x t e n s i o n,  hi gh  cost  e t c. O n  t h ot h e han d ,   due  t o  t h e   com m uni cat i on  net w or k i s  i n t r o duce d  i n t o  t h e cl o s ed -l o o p  co nt r o l  sy st em m a ny  pr o b l e m  has ca used   suc h  as   n e two r k  i n du ced   d e lay, n e t w o r k  con g e stion, p a ck et lo ss,  no nun iv er sal pro t o c o l . Th d i scu ssion  aro und th ese  issu es is  b ecomin g  a r e sear ch  ho tsp o t   o f   sch o l ar b o t h  at h o m e an d   abro ad. Th e study o f   n e two r k   co n t r o l   syste m  sh ou ld reflect  no o n ly th e con t ro featu r es  (t ransitio n  p r o cess,  stab ility,  etc.), b u t  also   t h e network  feat ure s  ( bus t y pe, net w o r k s p eed , et c.). T h e st udy  m e t h o d  o f  net w o r ke d co nt r o l  sy st em  can be di vi d e d i n t o :   sim u l a t i on, e x peri m e nt al  pl at fo rm  for  val i d a t i on, et c.  [ 1 - 3 ]   In  orde r to ca rry out the  res earch a n d applicati on of  net w o r k e d c o nt ro l  sy st em s effect i v el y ,  t h t y pi cal  experi m e nt  pl at form   i s  necessary W i t h  C A N (C ont rol  A r ea Ne t w o r k )  as co nt rol  net w o r k ,  D C   m o t o as actu a to r stru ctures, a typ i cal ex p e rim e n t  p l atform   is b u ilt [4 -5 ]. Experim e n t al  p l atfo rm  co n s ists of two  k i nd s o f   nod e w h ich   co nn ect ed  w ith   C A N,  t h e m a ster node  and sla v node.    The m a ster node functions a s : receive and proc e ss the inform ation from  slave node  and  network  i n f o rm at i on, i m pl em ent  net w o r k  re so urce  sche d u l i n g  b y  per f o r m i ng  a co nt r o l  st rat e gy  an d  sche dul i n g   al go ri t h m .  The sl ave no des (i ncl u di n g  m o t o r dri v i n g n o d e,  t h e si gnal  acq ui si t i on n o d e)  fu nct i o n as fol l ows:   real i ze dri v i n g   m o t o r, col l e c t i ng co nt r o l  i n fo rm ati on, et c.  The no de di a g ram  of expe r i m e nt al  pl at for m  is  sho w n i n  fi gu r e  1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 64  I J RES Vo l. 4 ,  N o . 1 ,   Mar c 20 15   :   22  –  27  23     Fi gu re  1.  N o de  Di ag ram  of E xpe ri m e nt al  Plat form       2.   THE CA N MA STER NODE D E SIGN    A.   The CAN Master  Node Har d ware  Design  Co m b in ed   w ith  th e adv a n t ag es  o f  Linux and  LPC 2 2 9 4   w ith  CAN   b u s  con t ro ller in tegr ated,  tr an sp lan ting   Lin u x   syste m  in to  t h A R M p l atfo r m , th CA N bu s node pr o t o t yp e is  i m p l e m en ted  [6 ]. Th speci fi c desi gn  of n ode i n cl u d e s:  hard wa re sel ect i on,  so ftw a re platfo rm  choice,  ha rdw a re cir c u it d e sign ,  PCB  (Pri nt ed ci rc ui t  boar d ) desi g n ,  wel d i n g com pone nt s an d de bu g g i n g, t r a n s p l a nt i n g so ft w a re pl at fo rm , overal l   syste m  test, etc .     B.   The CAN Master  Node Software De sign    B a sed  on  PC B  desi g n   o f   m a st er no de soft ware  desi g n   begi ns.  T h e  speci fi c  w o r k  i n cl ud es:   t r ans p l a nt i n B oot  l o a d er  pr og ram   U-B o ot ,  t r ans p l a nt i n Li nu x O S . T h e  next   jo b aft e com p l e t i on of  sy st em   b o o t  also  in cl u d e : lo ad ing  t h e ro o t  file syste m , sto r in g   ex tern al app licatio n  file syste m , tran sp lan tin g  t h un de rl y i ng  har d wa re d r i v e r  ( i ncl udi ng  Na n d fl as h d r i v e r C AN  bu s d r i v er, Et he r n et  card  dri v er , et c)   [7] .   Sy st em  t r anspl a nt i ng sc hem e  sho w n i n  fi gu re 3,  w h i c u C Li nu x i s  uC Li nu x 2 0 0 8 0 8   base d o n  Li n u x 2 . 6 . 2 5 After c o m p leting the  kernel trans p lant ation success f ully, the root file sy ste m   made of busybox1.0, YAFFS2  as Na n d Fl ash  s t ora g e fi l e  sy st em . The  fram e  of  so ft wa re sy s t em  port i n g i s   sho w n i n  fi gu r e  2.           Fi gu re  2.  The  f r am e of s o ft wa re sy st em  port i n g       C.   U-b o ot confi g uration   Give U-B oot  confi g uration does  not  support  visual  int e rface, to a c hi eve the  re quired functions needing  m odi fy i ng t h e m acro de fi ni t i on c ont ai ned i n  t h e hea d er  fi l e  [8] .  U-B o ot  con f i g urat i o n s h o w n i n  t h e fi gu re 3 ,   i n cl udi ng  t h e  f o l l o wi ng  fi ve  p a rt s:      Pro cesso r a r c h i t ect ure:  ch o o se  AR M 7  as  pr oc essor ,  s u pp ort i ng  1 6 - bi t  T H U M B  i n st ruct i o n  set ,  LPC 2 29 4.     Ethernet card:  select RTL801 9,  LA IP a n NFS  ser v er  I P   need s t o  be  co nfi g u r ed .     NandFlas h storage: select base ope rating range of  the  NandFlas h, c h oos e yaffs 2 as  NandFlas h fi le   syste m  form at.     C o m m a nd:  set   U-B oot  e n vi r o nm ent  vari abl e s an d t h e s u p p o rt e d  C o m m and  fo U-B oot .       Lin u x  star t u p :  RA M star tin g ad dr ess ch o i ce, th e r e q u i r e d tr an sm issio n  p a r a m e ter  selectio n  fo r   Linux  starts.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RES I S SN 208 8-8 7 0 8     The Experi men t al   Pl at f o r m  D e si gn   f o N C S Base d on   C A N  Bus   (Zhao  Wei q uan 24     Fi gu re  3.  C o nfi g u r at i o n sc hem e  o f   U- bo ot       D.   Transpl a ntin g Linux  OS   Beca use  th em bedde d sy stem  is resou r ce-cons trai ne d sy stem , the ge neric  Li nu x ca nn ot  b e   direc tly  use d The em bedde d Lin u x ,  w h ic h Lin ux  is cut  and sim p lifie d, sol i d i fie d  i n  em bedded s y stem   me m o ry.   The arc h   of  t h e m bedded  Li n u x / s ubdirectory contains all t h kern el c ode associate d   with the  hardware. The core of  Mi grati on  is reconfigured  a n co m p ilation to t h e file  in the  arc h /s ubdi rectory. Because  th e u C Linu x   2 . 6 . 2 5  su ppo rt CAN  d r iv e, from th e v i ew o f  safety an d  reli ab ility p o i n t , ch oo se u C Li nux 2.6.25  as driv er co d e Th e tran sp lan t i n g pro cess  n e ed s t o  co m p lete  th e fo llowing   In stallin g patch   for LPC22 94;    C o n f i g urat i o n Nan d Fl as h dri v er;     C o n f i g urat i o n Li nu c o re;     Cro s s-co m p ilin g th Linu x kern el.          Fi gu re  4.  Li n u x  P o rt i n g  Pr oc edu r Schem e       Because there  is not the MMU (Mem ory Managem e nt Un i t ) Unit in LPC2294, it is unable to run Linux. To  ru uC Li n u x u C Li nu pat c he s ha ve t o   be l o ad.  The  re qui re doc um ent s  and  pat c hes as  s h o w n i n  t a bl I .       Tabl e 1. N ode  fu nct i o n descri pt i o n   t a bl e   Na m e   Patch  File Na m e    uClinux core   uClinux- d ist- 200 8 0808. tar. g z    Linux core  linux- 2 . 6 . 25. tar. bz Cross compile tool s   arm- uclinux- e lf- tools- base- gcc3. 4 . 3 - 2005 022 1. sh   P a tch1 linux- 2 . 6 . 25- uc0- b i g. patch. g z   Patch2 linux-2.6.21- uc0-lpc2468.diff  P a tch3 uClinux- d ist- 200 7 0130- nxp- lpc2 468. tgz      3.   PLATFO RM  TESTING (T HE CO MM U N IC ATIO N B ETWEEN A  TYPIC A L SE NSO R  SL AV NODE WIT H  THE MAST ER NODE Use t h e  C A no de as  m a st er  no de , wi t h  co rres p on di n g  sl ave  no des  (C A N -St a rt II  f r om  Gu an gz ho u   zh iyu a n Co.).  W ith   stepp i ng  m o to r and   m o to r d r i v er  an d o t h e r auxiliary circu it stru ctures, a t y p i cal  n e two r k e d  con t ro l system  e x p e rim e n t al p l atfo rm  is  bu ilt; syste m  stru ctu r e is  sho w n  in fi g u re  5 .  No d e   fun c tion   d e scri p tio n tab l e is  sh own  in tab l II.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 64  I J RES Vo l. 4 ,  N o . 1 ,   Mar c 20 15   :   22  –  27  25     Fi gu re  5.   Wh ol e st ruct ure  di a g ram  of e x peri m e nt al  pl at fo r m       Tabl e 2. N ode  fu nct i o n descri pt i o n   t a bl e   Node Na m e   Functional Description  Master  node   Control alg o rithm ( m otor speed P I control an d collect  network informati on to realize netwo r k scheduling alg o r ithm  Slave  node1   Receive  control value from the maste r  node, driving stepper  motor rotation  Slave  node2   Collect  motor encoder pulse,   sent to the master node,  for  motor speed contr o l algorithm calcul ation  Interferenc e node  The node has not hi ng to do with the control system functions,   send periodic dat a  transmission ta sk,  used to imitate the   other nodes in the  network to  the influence of the network  data transmissi on   PC  R unning testing so ftware of the experiment platform,  display  the current networ k status      Th e co mm u n i catio n  b a ud  rate is set to  1  MB/s, th e CAN bu p ack et t r an sm issio n  time is 1  u s  in  expe rim e nt. As sum e  that the  packet fro m  sen s o r  to con t ro ller is t h e sam e  si ze as the  packe t  from  controller t o   trig g e r,  u s ing  co mm o n  tran smissio n   8   b y tes d a ta fram fo rmat, n o t  con s i d eri n g  a  fillin g cases,  n eed   111  b its,  so  t h e tran sm is sio n  ti m e  o f  a fram e is 1 1 1  us.   Step p e r m o to r is th e con t rol u n it th at turn s th e electrical p o wer  pu lse sig n a l i n to   th e angu lar  displacem ent  or  displacem e n t. As long as the num ber  of control input electrical  pulse fre que ncy and t h e   pha se seq u enc e  of el ect ri c m o t o r wi ndi ng  i s  i n  cont r o l ,  t h e req u i r e d  rot a t i o n spee d  and t h di rec t i on o f   rotation can  be  obtaine d.  The   m echanical di splacem ent  and rotating s p ee d is res p ective l y proportional with  t h e pul se  num ber a nd  fre que ncy  of t h e i n p u t   m o t o r wi ndi ng . R o t a t i ng  A ngl e i s  det e rm ined  by  t h e n u m ber of   pul ses ,  a n d  t h e  spee of  t h e m o t o r i s   det e rm ined  by  t h pul s e  fre q u ency .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RES I S SN 208 8-8 7 0 8     The Experi mental  Platfor m  Design  for  NC S Base d on  CAN Bus   (Zhao  Wei q uan 26     Fig u re 6 .   Test resu lts figu re with ou sch e d u lin g   algorith     Up o n  com p l e t i on  o f  t h e e x pe ri m e nt al  pl at form  hard ware a nd  d r i v e r  de si gn , u s i n g c++  B u i l d er,  t h e   per f o r m a nce t e st i ng sc he dul i n g al g o r i t h m  soft ware  f o r  t h e   expe ri m e nt al  pl at form  i s  deve l ope d.   Acc o rd i ng t o   di ffe re nt  sche d u l i ng al go ri t h m ,  observe t h e  devi at i o n o f  t h e act ual   val u e  wi t h  t h gi ve n  val u fo r t h e s t eppe m o tor actual rotation a ngle a nd t h e speed,  and  draw t h e c o rr esp ond ing  cu rv e,  to  test  the effects  of  differe n sche duling al gorithm  on syste m  perform a nce. T h part  of test software  in t e rface a s  s h own in fi gure  [9-10].  For   exam pl e, we used   t h e d e si gn o f   e xpe r i m e nt al  platform , respectively for RM a n d EDF classic   real -t i m e schedul i n g al go ri t h m ,  dy nam i c band wi dt h al l o ca t i on al g o r i t h m   base on  fee d b ack c ont rol   1 a n d   2 ,   and  fi xe ban d wi dt h al l o cat i on al go ri t h m  fo r p e r f o r m a nce t e st i n g .  O b ser v at i o n sy s t em  unde r di f f ere n t   sche dul i n g al g o ri t h m ,  t h e act ual  rot a t i o n A ngl e a nd s p ee d  st eppe r m o t o r and t h de vi at i on  of a gi ven  val u e ,   and com b ined  with Matlab t o ol draw i n g pe rform a nce curve, according to  differe n t sc he duling al gorithm   to   test the actual  effect the  perform a nce of t h e s y ste m , and  pa rt  of th e test results as shown in th e tab l e III  [11 ]     Tabl 3.  Part  s c hed u l i n g al go ri t h m  t e st  resul t s  u nde r t h e  ex peri m e nt al  pl at fo rm   Scheduling  Algor ith m   Result Analysis    No Scheduling  Algor ith m     W ith the increase  of nodes on the net w ork bandwi d th  utilization rati o, the packet cannot timely access to  transmission, devi ation increases, system become unstable  RM  Scheduling  Algor ith m   F o r the same inter f erence node to the bandwidt h   utilization rati o, high priority node is always able to  obtain netwo r k access to transmit data,  ensure the control  performance,  but low priority nodes  may be unable to get  net access for a long time.  E D F Scheduling  Algor ith m   Relative to the  RM  scheduling al gorit h m, more fair to th allocation of the re sources   Dyna m i Bandwidth  Allocation  Algor ith m  1   The system output curve shows that the overall  performance is better.  A d just for a long time,  but the  system requires m o re system resources.  Dyna m i Bandwidth  Allocation  Algor ith m  2   System adjustment time is short,  fast s t able;  B u t compared  with the dynamic bandwidt h  allocatio n method 1,  overall  system performance      4.   CO NCL USI O N   B a sed o n  C A N b u s a t y pi c a l  NC S ex peri m e nt  pl at fo rm  i s  desi g n ed The C A bu s   m a st er no de  har d ware an d dri v er desi gn  pr ocess i s  hi g h l i ght i ng i n t r o d u ced . C h o o se  LPC 2 29 4 m i cr op r o cess o r ha r d wa re,   th ro ugh  tran splan tin g   U-boo t as a Boo tlo ad er and   u c Li ux as  OS, a s o ftware  fram ework is esta blished.  C o m b i n ed  wi t h  t h har d ware  desi gn   of  t h expe ri m e nt al  pl at form , usi n g   c++ B u i l d e r , a   sche dul i n g al g o ri t h m   per f o r m a nce t e st i ng so ft wa re i s  devel o pe d. F o r n o  sc hed u l i ng al g o r i t h m ,   R M , EDF an d t w o fee d back c ont ro l   dy nam i c schedul i ng al g o r i t h m ,  t h e act ual  perf orm a nce t e st  i s  perfo rm ed, and t h e p r el im i n ary  co ncl u si ons a r dra w n. T o  t h no s c he d u l i ng  al go ri t h m ,  t h e sy st em  t e nds t o  be  u n st abl e To t h e E D sc hed u l i n g al g o r i t h m ,   th e allo cation   o f  resou r ces is b e tter t h an  that o f  th e RM  sch e d u ling  al go rith m .  Feedback  con t ro d y n a m i c   sche dul i n g al g o ri t h m  can ach i e ve bet t e r sy s t em  perfo rm an ce.  To furthe r prove  that  th estab lish m en t o f  t h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 64  I J RES Vo l. 4 ,  N o . 1 ,   Mar c 20 15   :   22  –  27  27 expe ri m e nt al  pl at form  on al l   ki n d of  sch e d u l i n g  al g o ri t h m  research  on   t h e pe rf o r m a nce o f   net w or cont rol   sy st em  has a  hi gh  ap pl i cat i o n   val u e.       ACKNOWLE DGE M ENTS  Thi s  w o rk i s  s u p p o rt e d  by   N a t i onal  Nat u ral  Sci e nce F o un dat i on  o f  C h i n a (N SFC  N o 61 3 0 0 1 9 7 ) ,     Su pp ort e d by   Pro d u ct i o n Pr o j ect  o f  U n i v e r s i t y -Ind u st ry  c o ope rat i o n o f  G u an g d o n g  Pr o v i nce an d M i ni s t ry  of  Edu catio n of  C h in (N o.  2 012B0 911 002 95 ) .       REFERE NC ES   [1]   X. S.  Li , et al. , "Anal y s i s  and S i m p lifica tion of Three-Dim e ns io nal S p ace Vec t o r  P W M  for Three-P h as e F our-Le g   Inverters",  IEEE Transactions on   Industrial Electronics,  vol. 58 , p p . 450-464 , Feb   2011.  [2]   Antsaklis P, B a i llieu l  J,  (Guest  Editors).   Special issue on techno logy of  networked control s y stem s . P r oceed ings  o f   the I EEE, 2007 95(1): 5-8.  [3]   Baill ieul  J, Ants aklis P.   Control  and communication cha lleng es  in networked rea l -time systems . P r oceed ings  of  th e   IEEE, 2007 , 95( 1): 9-28.  [4]   Ve la sc o M,  Fue r te s JM,  Lin C X e tal.    A control approach to band width manage ment in networked  control s y stems.  Proceedings of  t h e Industri a l  El e c troni cs C onfer e n ce. Pisca t awa y   NJ. USA, 2004:  2343-2348.    [5]   Hong S. H., Kim   W . -H., Band width allo cat ion  schem e  in  CAN protocol, IE E Proceedings on Control Theor y   and  Applications, 20 00, 147(1): 37-4 4 [6]   Thomas Nolte,  Hans Hansson, and Chri ster No rstrom, Probabilistic Worst-Ca se Response-Time Analy s is for th e   Controller Area  Network,  http://www. mric. m dh. se.  [7]   PHILIPS Semiconductors.  LPC2119/2129/2292/2294  USER M ANUAL [EB/OL] .  [2008] .   http://www. die. uniroma1. i t/personale/  balsi/didattica/te sti/testi SE-9. pdf.  [8]   Wang tiegang Wang Zhongqin g . Design of In te lligent CAN Bus Node Based on LPC2294.  Microcomputer   Information.  200 8 20 81-82  44.  [9]   Yu Hui, Wen  Yangdong,  Liu  Weiping .  Ethern et  Communication Embedded  S y s t em Base on  LPC2292.  Instrume nt  Standardization &   M e trology ,  20 07 (01) 24-26 [10]   Thomas Nolte, Hans Hansson  and  Christer Norstrom, Mini mizing C AN r e sponse-time jitter b y  message  m a nipulatio n, R eal- T im e and E m bedded Techn o log y  and  Appli cat ions Sy m posi u m ,  2003. Proceedings. Th e 9t h   IEEE May   6, 2 7 -30, 2003 [11]   Thomas Nolte, Mikael Sjodin, a nd Hans Hansson, Se rver-based Sch e duling of th e CAN Bus,  http://www. mrtc. m dh. se.  [12]   Zhao Weiquan .   Stud y  on Resou r ce Schedu ling  of Networ ked Motion Control  S y stems. Guangzhou: South China  University  of  Technolog y  2010   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.