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交换式工业以太网与时间触发CAN总线系统的实时性研究

王晓欣  
【摘要】: 实时性是工业网络系统的关键问题之一。目前,国内外学术组织和自动化厂商纷纷开始了工业以太网的研究,并提出了基于Ethernet+TCP/IP的工业以太网标准,而这些标准并没有针对数据链路层提供完美的实时性解决方案,因此对其进行实时性能研究是十分必要的。 应用网络微积分理论对阵列式以太网交换机建立了NC(Network Calculus)模型,并结合网络的传输特性给出了工业数据流的到达曲线和交换机的服务曲线。基于该模型导出了以太网交换机的传输延迟边界以及满足该延迟边界的缓存需求边界值。这些结论为交换式工业以太网的设计和实施提供了理论指导。 针对交换机传输可靠性和输出缓存调度延迟问题,提出了一种延迟担保型的窗口带宽分配策略。该策略基于窗口流控原理,将信用元闭环引入到交换机内部,实现了数据的可靠交换。在对交换机建立网络微积分模型的基础上,导出了满足数据流最大传输延迟所需的信用元数量,进而对数据流进行带宽分配,实现了工业以太网中硬实时数据流的延迟担保型传输。 针对工业以太网中实时数据与非实时数据共同竞争交换机资源的情况,基于IEEE802.1p,提出了一种双通道工业以太网交换机模型。该模型在交换机内部建立了实时和非实时逻辑通道来实现区分服务。为了提高实时通道的实时性和非实时通道的公平性,分别给出了MR-WRR和I-DWRR两种改进的调度算法。为了验证所提模型和调度算法的有效性,应用PC机、多端口网卡ZX346Q和Linux等软、硬件资源设计了一台双通道仿真工业以太网交换机和相应的测试平台,并进行了仿真实验。 针对CAN总线提出了一种混合时间触发CAN总线结构——MTT-CAN,同步相和异步相的划分在充分利用时间触发机制的高可靠性和高实时性的同时也有效保留了CAN总线自身事件触发机制的灵活性。采用确定与随机Petri网理论建立了MTT-CAN的DSPN模型,并进行仿真研究,结果表明通过选择异步相的带宽利用率范围可以实现非周期性消息的实时传输,总体上提高了总线的实时性和带宽利用率。


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