基于MAC機(jī)制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)信息調(diào)度方法研究.pdf

1、現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)應(yīng)用中的任務(wù)具有實(shí)時(shí)性、可靠性、可預(yù)測(cè)性等方面的要求，其中實(shí)時(shí)性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在，因此，現(xiàn)場(chǎng)總線要成為工業(yè)自動(dòng)化主流的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)性是其首先要解決的問題。在現(xiàn)場(chǎng)總線的通信活動(dòng)中，實(shí)時(shí)調(diào)度過程是一個(gè)核心環(huán)節(jié)。但在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議中，只是給出了節(jié)點(diǎn)依據(jù)介質(zhì)訪問控制（MAC）機(jī)制來調(diào)度通信的機(jī)理，而對(duì)于實(shí)時(shí)調(diào)度過程及調(diào)度算法等問題沒有進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。按照規(guī)定，只要符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議規(guī)范，采用何種調(diào)度

2、算法來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，由各個(gè)廠商自主開發(fā)，并可作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　　本課題正是在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議未對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)度過程及調(diào)度算法明確規(guī)定，國(guó)內(nèi)外的資料和文獻(xiàn)也缺少相關(guān)內(nèi)容深入研究報(bào)道的背景下，為解決現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)調(diào)度問題而進(jìn)行的深入探討與研究。本文的研究工作對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議及其設(shè)備的研究具有重要意義。
　　針對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)實(shí)時(shí)性要求不同的多種信息的情況，將信息分為實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息。運(yùn)用排隊(duì)論這一運(yùn)籌學(xué)和概率論理論的分

3、支作為數(shù)學(xué)工具，將基于集中式MAC機(jī)制的現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)建模為多重休假 M/G/1排隊(duì)模型。分別采用空竭式、閘門式和限量式3種服務(wù)方式，對(duì)兩類信息在不同服務(wù)方式下的等待時(shí)間進(jìn)行了研究，提出了對(duì)實(shí)時(shí)信息采用空竭式服務(wù)，對(duì)非實(shí)時(shí)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(jiǎn)稱CMR方法）。該方法使得基于集中式MAC機(jī)制的調(diào)度過程既具有實(shí)時(shí)性又不失靈活性，從而克服了傳統(tǒng)調(diào)度方法對(duì)各類信息預(yù)分配帶寬，而導(dǎo)致信道阻塞或帶寬浪費(fèi)的現(xiàn)象。
　

4、　通過對(duì)分布式 MAC機(jī)制的分析，提出了一個(gè)仲裁周期內(nèi)包含隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)期和有序輪詢期兩個(gè)階段的基于分布式 MAC機(jī)制的實(shí)時(shí)信息調(diào)度方法（簡(jiǎn)稱DMR方法）。將隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)與有序輪詢有機(jī)地結(jié)合起來，在每個(gè)仲裁周期為實(shí)時(shí)信息設(shè)置一個(gè)輪詢期，以保證其實(shí)時(shí)性；而非實(shí)時(shí)信息只能在隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)期得到被發(fā)送的機(jī)會(huì)。從而較好的解決了高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)交替占用總線導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間得不到總線使用權(quán)，以及多個(gè)信息因截止期相同導(dǎo)致無法對(duì)其分別設(shè)置優(yōu)先級(jí)的問題。
　　在

5、深入分析 PROFIBUS總線 MAC機(jī)制及 MAC幀的基礎(chǔ)上，確定目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間為影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要參數(shù)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只是給出計(jì)算最小目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間的簡(jiǎn)單公式，而對(duì)于公式中的參數(shù)如何選取并沒有詳細(xì)說明。在實(shí)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?yàn)?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(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說可能不是最優(yōu)的或者最實(shí)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(jì)算目

6、標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，建立了系統(tǒng)負(fù)載與目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)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(gè)新的途徑。給出了目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間與實(shí)時(shí)信息等待時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了PROFIBUS-DP典型應(yīng)用系統(tǒng)，研究了不同負(fù)載條件下，采用CMR算法計(jì)算目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間，對(duì)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的作用。
　　對(duì) LonWorks總線的通信協(xié)議 LonTalk協(xié)議進(jìn)行分析，由于采用分布式MAC機(jī)制，對(duì)于多節(jié)點(diǎn) LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)

7、點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)以及報(bào)文與報(bào)文之間可能發(fā)生各種沖突。因此LonTalk MAC層的仲裁機(jī)制存在實(shí)時(shí)性問題，很難滿足硬實(shí)時(shí)要求。本文采用DMR算法對(duì)這一問題加以解決，針對(duì)每種沖突的特點(diǎn)，提出了解決方法，使任何節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)報(bào)文的傳送延遲時(shí)間為有限的，滿足實(shí)時(shí)性要求。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同負(fù)載下，優(yōu)先級(jí)報(bào)文和非優(yōu)先級(jí)報(bào)文的等待時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)效率進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文提出的實(shí)時(shí)信息調(diào)度方法對(duì)于提高現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DMR在理論上是正確的，在