基于柔性时间触发机制的无线控制网络研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 4.5MB 75 页 15积分

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摘要

近年来，随着无线通信技术的发展和工业上的迫切需求，无线网络技术在工

业分布式控制系统中的应用越来越普遍，相对于基于现场总线技术的传统测控网

络，无线控制网络具备易接入、易安装、调试方便、无需布线等特点，因此大量

科研人员开始研究无线网络技术在工业控制系统中的应用。

然而目前尚未出现适合于实时应用领域的无线网络标准，工业控制网络数据

流的特点是以短帧为主，要求时延有界，响应快速，对时间非常敏感。而现有的、

业已标准化的并且已经进入应用的无线网络协议无法满足上述要求，因此需要采

用某些机制和设计方法来构建新的、专门针对工业或实时应用的无线分布式实时

系统。本文提出了一种基于柔性时间触发机制的无线控制网络以满足实时应用的

时间需求。

本文首先介绍了关于柔性时间触发系统的常用概念，并且提出了基于该机制

的无线网络分布式实时系统模型。随后阐述了系统建模方法，并提出任务和消息

的调度策略及其可调度性分析方法。然后设计了无线节点，并解决了软硬件设计

中的关键性问题，包括柔性时间触发机制在实时内核中的实现、网络时钟同步方

法以及 CSMA/CA 机制在无线通信控制器中的实现。最后，为了验证研究结果，

搭建了实验平台，并在该实验平台上进行了相关的实验，实验结果表明，本文提

出的无线控制网络模型能够满足一般实时应用的时间需求。

本文第一章简述了课题研究背景和相关领域的研究现状；第二章介绍了柔性

时间触发机制的相关概念，并描述了基于柔性时间触发机制的无线控制网络模型；

第三章阐述了基于柔性时间触发机制的无线控制网络的任务和消息调度策略，并

给出了调度策略的可行性分析方法；第四章给出了无线节点的软硬件设计方法；

第五章叙述了实验平台的搭建过程，并且在该平台上运行了实验案例，给出了实

验结果和分析；第六章对全文的成果和后续研究做了一个总结，并指出了本文尚

未能解决的一些问题。

关键词：无线网络事件触发柔性时间触发分布式实时系统可调度

性分析

ABSTRACT

Recently, along with development of wirless communication technology and the

urgent requirement from industroy, wireless network has been more and more widely

used in industroy distributed control system. Compared with convetional fieldbus

network, wireless network is easy to access, place in and test, and there is no need to

arrage wire. Therefore more and more research specialists start to explore the wirless

network application in industrial control system.

Nevertheless a standard industrial wireless network has not been developed. The

feature of data flow in industrial control system is short frame, bounded delay and fast

response. The ordinary wireless network protocols which have been standardized and

gone into application are not meet the requirement abave-mentioned. Hence some

mechanisms and designing approaches have to be used to constitute a new wrielesss

distributed real time system.

This thesis begins with introduction of flexible time-triggered system, and then a

wireless distributed control system based on flexible time-triggerd mechanism is

proposed. We illustrate the system modeling method, tasks and messages schedule

strategy and the schedulabilty analysis. We design wirless nodes and describe

implementation of hardware and software. The solutions of some critical problems are

illustrated including how to implement time-triggered machnism in real time kernel,

time sychronization approach and CSMA/CA in wireless communication cotroller. At

last to verify the research result, an experiment platform is constituted, and we do some

experiments on this platform. The results show the wireless solution proposed in this

thesis meets the requirement of industrial control system and real time application.

In chapter 1 we state the background of this thesis. In chapter 2, we introduce

related conceptions of flexible time-triggered machnism and illustrate wireless control

network model based on flexible time-triggered machnism. In chapter 3, the tasks and

messages schedule strategy based on flexible time-triggered machnism is proposed,

and an analysis method for this schedule stategy is presented. In chapter 4 we design

wireless nodes and illustrate the implementation of hareware and software. In chapter 5,

we do some experiments on a certain platform and make an analysis for these

experiments. In chapter 6, a conclusion is made for this thesis, and we point out some

problems which have not been solved in this thesis.

Key Word: Wireless network, Event-triggered, Flexible time-triggered,

III

Distributed teal-time tystem, Schedulability analysis

摘要 ............................................................................................................................... I

ABSTRACT ...................................................................................................................... I

第一章绪论 ...............................................................................................................1

§1.1 研究背景 ...........................................................................................................1

§1.2 相关领域的发展和研究现状 ...........................................................................1

§1.2.1 网络化控制系统 ........................................................................................2

§1.2.2 工业无线网络技术 ....................................................................................3

§1.2.3 分布式实时系统 ........................................................................................4

§1.3 课题来源及意义 ...............................................................................................8

§1.4 研究内容和目标 ...............................................................................................9

§1.5 本章小结 ...........................................................................................................9

第二章基于柔性时间触发的无线控制网络模型 .....................................................10

§2.1 引言 ................................................................................................................10

§2.2 柔性时间触发机制 ........................................................................................10

§2.2.1 事件触发 ..................................................................................................10

§2.2.2 时间触发 ..................................................................................................12

§2.2.3 柔性时间触发系统 ..................................................................................13

§2.2.4 柔性时间触发机制的优势 ......................................................................15

§2.3 使用柔性时间触发机制构建无线控制网络 ................................................16

§2.4 本章小结 ........................................................................................................18

第三章系统的调度策略及可调度性分析 .................................................................19

§3.1 引言 .................................................................................................................19

§3.2 系统建模与可调度性分析 .............................................................................20

§3.2.1 系统建模 ..................................................................................................20

§3.2.2 可调度性分析 ..........................................................................................21

§3.3 柔性时间触发调度策略 .................................................................................22

§3.3.1 柔性时间触发调度策略概述 .................................................................22

§3.3.2 离线生成静态消息描述表 .....................................................................24

§3.3.3 时间触发任务的静态调度表生成算法 .................................................25

§3.4 柔性时间触发系统可调度性分析 .................................................................28

§3.5 本章小结 .........................................................................................................29

第四章无线网络节点设计 .........................................................................................30

§4.1 引言 ................................................................................................................30

§4.2 无线节点硬件设计 ........................................................................................30

§4.2.1 主机芯片及其外围电路 .........................................................................31

§4.2.2 电源电路 .................................................................................................32

§4.2.3 复位电路 .................................................................................................33

§4.2.4 无线通信控制器硬件电路 .....................................................................34

§4.3 无线节点软件设计 ........................................................................................35

§4.3.1 启动引导模块 .........................................................................................35

§4.3.2 柔性时间触发机制在实时内核中的实现 .............................................35

§4.3.3 时钟同步模块 .........................................................................................36

§4.3.4 无线通信控制器软件实现 .....................................................................40

§4.4 本章小结 ........................................................................................................42

第五章实验平台搭建及其性能验证 .........................................................................43

§5.1 实验平台搭建 .................................................................................................43

§5.2 应用案例设计 .................................................................................................43

§5.3 测试及数据分析 .............................................................................................52

§5.4 本章小结 ........................................................................................................54

第六章总结与展望 .....................................................................................................55

参考文献 .........................................................................................................................57

附录 .............................................................................................................................61

附录 A硬件实物图 ...............................................................................................61

附录 B最坏响应时间计算方法 ...........................................................................63

附录 C忙周期概述 ...............................................................................................66

附录 D无线通信控制器主程序流程图 ...............................................................68

附录 E CC1100 接口程序定义 .............................................................................. 69

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................71

致谢 .............................................................................................................................72

第一章绪论

§1.1 研究背景

近些年来，工业控制系统越来越庞大，单一或者少数的设备已经无法应付庞

大的控制任务，控制系统的各种智能设备即传感器、控制器和执行器都分布在不

同地域空间，在这种发展潮流下，工业控制网络应运而生。通过工业控制网络可

以将控制系统中地域分散的基本功能单元互连，构成闭合回路。通常称这一类的

控制系统为网络化控制系统。

和传统的分布式系统一样，网络化控制系统将应用划分成许多任务，并把这

些任务分配给不同的处理节点，节点内的任务使用操作系统提供的某些机制通信，

节点间的任务则需要通过某些控制网络通信，由于网络化控制系统是一种对时间

非常敏感的分布式实时系统，节点之间的任务通信有极其严格的时间需求，所以

控制网络的通信机制在整个网络化控制系统中占据重要地位，系统的许多性能都

和控制网络的特性相关。

工业控制网络中传输的数据多为生产过程中的设备状态和控制参数，数据量

较小，以短帧为主，对任务间消息的端到端传递时延要求较高，一般要求不超过

毫秒级，而且要求时延有界，现场总线技术成功的适应了这种“小步快走”的需

求，在工业控制网络中占据了主导地位。目前现场总线控制系统使用的都是有线

的物理连接技术，但随着工况企业信息化程度的提高，出现了越来越多对无线传

输技术的需求，许多工业环境下的对象比如运动设备或旋转设备（机器人，机床）

使用无线技术接入控制网络更方便。在易燃易爆的环境中将传感器，执行器等设

备用无线网络进行连接更加安全。对于上层管理网络而言，使用手持设备对系统

进行管理配置也是比较诱人的技术。可见，工业无线网络技术是继现场总线之后，

工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业控制系统成本、提高工业控制系

统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。

虽然工业上对无线通信技术的需求出现急剧增长，然而目前大多数无线网络

技术都是面向视频、语音等民用需求的，无法满足工业现场的实时性需求。因此

本文提出的一种基于柔性时间触发机制的无线控制网络模型，并通过理论分析和

实验的方法验证了该网络模型的可行性。

§1.2 相关领域的发展和研究现状

基于柔性时间触发机制的无线控制网络模型涉及到三个领域的知识，它们分

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摘要：

I摘要近年来，随着无线通信技术的发展和工业上的迫切需求，无线网络技术在工业分布式控制系统中的应用越来越普遍，相对于基于现场总线技术的传统测控网络，无线控制网络具备易接入、易安装、调试方便、无需布线等特点，因此大量科研人员开始研究无线网络技术在工业控制系统中的应用。然而目前尚未出现适合于实时应用领域的无线网络标准，工业控制网络数据流的特点是以短帧为主，要求时延有界，响应快速，对时间非常敏感。而现有的、业已标准化的并且已经进入应用的无线网络协议无法满足上述要求，因此需要采用某些机制和设计方法来构建新的、专门针对工业或实时应用的无线分布式实时系统。本文提出了一种基于柔性时间触发机制的无线控制网络以满...

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