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无线现场总线RFieldbus的实时性能分析和研究

侯维岩  
【摘要】:工业数据通信和控制网络是企业计算机网络的基础部分,承担着对底层设备对象的检测和控制,它目前已发展到了现场总线控制系统FCS阶段。而针对生产现场中的大量移动、旋转或临时安装的设备的联网要求,又产生了对现场总线具有无线通信能力的要求,这是目前国际上工控领域的一个新热点方向。RFieldbus是具有无线移动接入功能,能传输TCP/IP帧,且完全兼容PROFIBUS标准的一种全新的高性能无线现场总线系统。 RFieldbus的物理层分别使用了IEEE802.11的DSSS方式和RS-485两种定义格式,而MAC层仍统一使用PROFIBUS的Token-Passing协议。这种无线/有线异质复合的结构对具有全局统一令牌的系统的时间性能产生了很大的影响。本论文围绕其实时性能的分析和评价问题,从以下几个方面进行了研究: 1,详细分析了因有线、无线网段在传送速率、帧格式上的不同在互连转发设备上引起的拥堵现象,确定了互连转发设备对不同任务的最大迟滞,提出了具体的计算方法。从而分析了RFieldbus中依靠令牌控制、有着总线式广播发送特点的、多域异质复合系统的数据帧传送过程。在此基础上推导了RFieldbus系统的最大周转延迟时间和任务传输时间,并给出了两个重要的参数T_(SL)(定义见P48)和T_(TO)定义见P50)的确定方法,对研究其实时性能有重要作用。 此工作对RFieldbus的系统规划有重要的工程使用价值,且这种对时间特性的分析方法还可以应用到其它的不同质物理层集成的系统分析中。 2,在剖析了PROFIBUS的Token-Passing协议后,分析了T_(TR)(令牌目的循环时间)对不同优先级任务的服务时间动态限制,提出了一个适于RFieldbus的基于Polling的多台单队列排队模型RF-P。然后利用随机服务过程的准守恒PCL定律,针对RFieldbus系统的具有动态等待响应时间特性,在将对任务的服务时间限制转换为数量限制后,首次给出了任务响应时间与各参数的数学解析表达公式。实验表明,经过优化后的表达式误差,在系统负载不大于40%时仅为10-20%。 本论文还给出了稳定边界的条件,提供了研究RFieldbus系统的稳定条件的途径。 3,利用第二部分推导得出的反映实时性能的数学解析式,用非线性优化理论的方法研究了T_(TR)参数、主站的负载分布与响应时间性能的关系。并且讨论了RFieldbus中特有的须伴随着DP数据同时传输的TCP/IP数据的流量参数指标和实时响应性能的矛盾关系,且针对单个主站、全系统等不同的需求进行了综合性能优化。并分析指出,令牌类网络的响应时间存在上限的结论在RFieldbus的Token-Passing中成立的前提条件是T_(TR)须保持在稳定边界内,而且当各个主站的负载平均时,系统才有可能取得最快的实时性能。这些结论有助于系统初始化、网络拓扑结构规划设计。


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