基于MAC機制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實時信息調(diào)度方法研究.pdf

1、現(xiàn)場總線是一種實時通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線實時應(yīng)用中的任務(wù)具有實時性、可靠性、可預(yù)測性等方面的要求，其中實時性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在，因此，現(xiàn)場總線要成為工業(yè)自動化主流的控制網(wǎng)絡(luò)，實時性是其首先要解決的問題。在現(xiàn)場總線的通信活動中，實時調(diào)度過程是一個核心環(huán)節(jié)。但在現(xiàn)場總線協(xié)議中，只是給出了節(jié)點依據(jù)介質(zhì)訪問控制（MAC）機制來調(diào)度通信的機理，而對于實時調(diào)度過程及調(diào)度算法等問題沒有進行系統(tǒng)的闡述。按照規(guī)定，只要符合現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范，采用何種調(diào)度

2、算法來進行實時調(diào)度，由各個廠商自主開發(fā)，并可作為知識產(chǎn)權(quán)。
　　本課題正是在現(xiàn)場總線協(xié)議未對實時調(diào)度過程及調(diào)度算法明確規(guī)定，國內(nèi)外的資料和文獻也缺少相關(guān)內(nèi)容深入研究報道的背景下，為解決現(xiàn)場總線的實時調(diào)度問題而進行的深入探討與研究。本文的研究工作對于現(xiàn)場總線協(xié)議及其設(shè)備的研究具有重要意義。
　　針對工業(yè)實時應(yīng)用中，一個節(jié)點產(chǎn)生對實時性要求不同的多種信息的情況，將信息分為實時信息與非實時信息。運用排隊論這一運籌學和概率論理論的分

3、支作為數(shù)學工具，將基于集中式MAC機制的現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)建模為多重休假 M/G/1排隊模型。分別采用空竭式、閘門式和限量式3種服務(wù)方式，對兩類信息在不同服務(wù)方式下的等待時間進行了研究，提出了對實時信息采用空竭式服務(wù)，對非實時信息采用限量式服務(wù)的混合式服務(wù)策略的調(diào)度方法（簡稱CMR方法）。該方法使得基于集中式MAC機制的調(diào)度過程既具有實時性又不失靈活性，從而克服了傳統(tǒng)調(diào)度方法對各類信息預(yù)分配帶寬，而導(dǎo)致信道阻塞或帶寬浪費的現(xiàn)象。
　

4、　通過對分布式 MAC機制的分析，提出了一個仲裁周期內(nèi)包含隨機競爭期和有序輪詢期兩個階段的基于分布式 MAC機制的實時信息調(diào)度方法（簡稱DMR方法）。將隨機競爭與有序輪詢有機地結(jié)合起來，在每個仲裁周期為實時信息設(shè)置一個輪詢期，以保證其實時性；而非實時信息只能在隨機競爭期得到被發(fā)送的機會。從而較好的解決了高優(yōu)先級節(jié)點交替占用總線導(dǎo)致低優(yōu)先級節(jié)點長時間得不到總線使用權(quán)，以及多個信息因截止期相同導(dǎo)致無法對其分別設(shè)置優(yōu)先級的問題。
　　在

5、深入分析 PROFIBUS總線 MAC機制及 MAC幀的基礎(chǔ)上，確定目標令牌循環(huán)時間為影響系統(tǒng)實時性的重要參數(shù)。現(xiàn)有文獻只是給出計算最小目標令牌循環(huán)時間的簡單公式，而對于公式中的參數(shù)如何選取并沒有詳細說明。在實際應(yīng)用中，尤其是在多主站網(wǎng)絡(luò)中，問題就變得更加復(fù)雜，因為 PROFIBUS總線中的主站設(shè)備通常來自于不同的生產(chǎn)商，配置工具所配置的參數(shù)對于整個網(wǎng)絡(luò)來說可能不是最優(yōu)的或者最實用的。鑒于此現(xiàn)狀，本文采用CMR方法給出了多主站系統(tǒng)計算目

6、標令牌循環(huán)時間的數(shù)學模型，建立了系統(tǒng)負載與目標令牌循環(huán)時間之間的量化關(guān)系，為尋求解決這一問題的方法探討了一個新的途徑。給出了目標令牌循環(huán)時間與實時信息等待時間關(guān)系的數(shù)學模型，設(shè)計了PROFIBUS-DP典型應(yīng)用系統(tǒng)，研究了不同負載條件下，采用CMR算法計算目標令牌循環(huán)時間，對提高系統(tǒng)實時性的作用。
　　對 LonWorks總線的通信協(xié)議 LonTalk協(xié)議進行分析，由于采用分布式MAC機制，對于多節(jié)點 LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)

7、點與節(jié)點以及報文與報文之間可能發(fā)生各種沖突。因此LonTalk MAC層的仲裁機制存在實時性問題，很難滿足硬實時要求。本文采用DMR算法對這一問題加以解決，針對每種沖突的特點，提出了解決方法，使任何節(jié)點優(yōu)先級報文的傳送延遲時間為有限的，滿足實時性要求。通過實驗，對不同負載下，優(yōu)先級報文和非優(yōu)先級報文的等待時間及網(wǎng)絡(luò)效率進行分析，驗證了本文提出的實時信息調(diào)度方法對于提高現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)實時性的作用。實驗結(jié)果表明，DMR在理論上是正確的，在