基于MAC機制的現(xiàn)場總線網絡實時信息調度方法研究.pdf

1、現(xiàn)場總線是一種實時通信網絡，現(xiàn)場總線實時應用中的任務具有實時性、可靠性、可預測性等方面的要求，其中實時性是工業(yè)控制網絡的關鍵所在，因此，現(xiàn)場總線要成為工業(yè)自動化主流的控制網絡，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)點依據介質訪問控制（MAC）機制來調度通信的機理，而對于實時調度過程及調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，采用何種調度

2、算法來進行實時調度，由各個廠商自主開發(fā)，并可作為知識產權。
　　本課題正是在現(xiàn)場總線協(xié)議未對實時調度過程及調度算法明確規(guī)定，國內外的資料和文獻也缺少相關內容深入研究報道的背景下，為解決現(xiàn)場總線的實時調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)議及其設備的研究具有重要意義。
　　針對工業(yè)實時應用中，一個節(jié)點產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種服務方式，對兩類信息在不同服務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，對非實時信息采用限量式服務的混合式服務策略的調度方法（簡稱CMR方法）。該方法使得基于集中式MAC機制的調度過程既具有實時性又不失靈活性，從而克服了傳統(tǒng)調度方法對各類信息預分配帶寬，而導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機制的實時信息調度方法（簡稱DMR方法）。將隨機競爭與有序輪詢有機地結合起來，在每個仲裁周期為實時信息設置一個輪詢期，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)點交替占用總線導致低優(yōu)先級節(jié)點長時間得不到總線使用權，以及多個信息因截止期相同導致無法對其分別設置優(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?，F(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如何選取并沒有詳細說明。在實際應用中，尤其是在多主站網絡中，問題就變得更加復雜，因為 PROFIBUS總線中的主站設備通常來自于不同的生產商，配置工具所配置的參數對于整個網絡來說可能不是最優(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系的數學模型，設計了PROFIBUS-DP典型應用系統(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總線網絡，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絡效率進行分析，驗證了本文提出的實時信息調度方法對于提高現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)實時性的作用。實驗結果表明，DMR在理論上是正確的，在