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《哈尔滨工业大学》 2010年
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基于MAC机制的现场总线网络实时信息调度方法研究

张玉萍  
【摘要】: 现场总线是一种实时通信网络,现场总线实时应用中的任务具有实时性、可靠性、可预测性等方面的要求,其中实时性是工业控制网络的关键所在,因此,现场总线要成为工业自动化主流的控制网络,实时性是其首先要解决的问题。在现场总线的通信活动中,实时调度过程是一个核心环节。但在现场总线协议中,只是给出了节点依据介质访问控制(MAC)机制来调度通信的机理,而对于实时调度过程及调度算法等问题没有进行系统的阐述。按照规定,只要符合现场总线协议规范,采用何种调度算法来进行实时调度,由各个厂商自主开发,并可作为知识产权。本课题正是在现场总线协议未对实时调度过程及调度算法明确规定,国内外的资料和文献也缺少相关内容深入研究报道的背景下,为解决现场总线的实时调度问题而进行的深入探讨与研究。本文的研究工作对于现场总线协议及其设备的研究具有重要意义。 针对工业实时应用中,一个节点产生对实时性要求不同的多种信息的情况,将信息分为实时信息与非实时信息。运用排队论这一运筹学和概率论理论的分支作为数学工具,将基于集中式MAC机制的现场总线通信系统建模为多重休假M/G/1排队模型。分别采用空竭式、闸门式和限量式3种服务方式,对两类信息在不同服务方式下的等待时间进行了研究,提出了对实时信息采用空竭式服务,对非实时信息采用限量式服务的混合式服务策略的调度方法(简称CMR方法)。该方法使得基于集中式MAC机制的调度过程既具有实时性又不失灵活性,从而克服了传统调度方法对各类信息预分配带宽,而导致信道阻塞或带宽浪费的现象。 通过对分布式MAC机制的分析,提出了一个仲裁周期内包含随机竞争期和有序轮询期两个阶段的基于分布式MAC机制的实时信息调度方法(简称DMR方法)。将随机竞争与有序轮询有机地结合起来,在每个仲裁周期为实时信息设置一个轮询期,以保证其实时性;而非实时信息只能在随机竞争期得到被发送的机会。从而较好的解决了高优先级节点交替占用总线导致低优先级节点长时间得不到总线使用权,以及多个信息因截止期相同导致无法对其分别设置优先级的问题。 在深入分析PROFIBUS总线MAC机制及MAC帧的基础上,确定目标令牌循环时间为影响系统实时性的重要参数。现有文献只是给出计算最小目标令牌循环时间的简单公式,而对于公式中的参数如何选取并没有详细说明。在实际应用中,尤其是在多主站网络中,问题就变得更加复杂,因为PROFIBUS总线中的主站设备通常来自于不同的生产商,配置工具所配置的参数对于整个网络来说可能不是最优的或者最实用的。鉴于此现状,本文采用CMR方法给出了多主站系统计算目标令牌循环时间的数学模型,建立了系统负载与目标令牌循环时间之间的量化关系,为寻求解决这一问题的方法探讨了一个新的途径。给出了目标令牌循环时间与实时信息等待时间关系的数学模型,设计了PROFIBUS-DP典型应用系统,研究了不同负载条件下,采用CMR算法计算目标令牌循环时间,对提高系统实时性的作用。 对LonWorks总线的通信协议LonTalk协议进行分析,由于采用分布式MAC机制,对于多节点LonWorks总线网络,节点与节点以及报文与报文之间可能发生各种冲突。因此LonTalk MAC层的仲裁机制存在实时性问题,很难满足硬实时要求。本文采用DMR算法对这一问题加以解决,针对每种冲突的特点,提出了解决方法,使任何节点优先级报文的传送延迟时间为有限的,满足实时性要求。通过实验,对不同负载下,优先级报文和非优先级报文的等待时间及网络效率进行分析,验证了本文提出的实时信息调度方法对于提高现场总线通信系统实时性的作用。实验结果表明,DMR在理论上是正确的,在实际应用中是可行的。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP273

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