基于柔性时间触发机制的无线控制网络研究
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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
II
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
IV
目 录
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
V
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
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
基于柔性时间触发机制的无线控制网络研究
2
别是网络化控制系统、工业无线网络技术以及分布式实时系统。
§1.2.1 网络化控制系统
网络化控制系统 NCS (Networked Control—Systems)[1][2][3][4]是指控将控制系
统中地域分散的基本功能单元通过网络互连而构成的分布式实时控制系统。它是
集网络通信技术、计算机技术和控制技术为一体的分布式系统，是工业控制领域
的一个发展方向，它使管理决策、资源共享、任务调度、优化等上层机构可以方
便地和现场设备连到一起，实现系统的整体自动化和性能优化。可以实现远程控
制，使专家或技术人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需的信息，同时
网络化控制系统还可以实现被控设备的远距离测试与诊断，这样可以提高测试效
率，减少测试人员的工作量。图 1.1 为总线型网络控制系统的示意图。
传感器1传感器2传感器N执行器1执行器2执行器N
计算机 计算机
控制器 现场设备
对象
网络
控制数据 控制数据
反馈数据
反馈数据
图1.1 网络控制系统图
目前国内外关于网络化控制系统的研究主要集中在系统模型分析[5][6][7]、系统
状态估计[8][9][10]、网络消息延时[11][12][13]、网络调度算法[14][15][16][17]和通信约束[18]
等方面。致力于研究控制网络的介入对传统控制系统分析和设计方法的影响，其
中大量关于分布式实时系统的分析和设计方法被引入。
本文尝试将图 1.1 中的总线替换成无线网络，构成一个无线网络控制系统，并
使用分布式实时系统中常用的两种机制来设计无线网络控制系统，即时间触发机
制和事件触发机制以及两者混合的柔性时间触发机制，并使用了任务和消息的可
调度性分析方法来验证其可行性。
第一章 绪论
3
§1.2.2 工业无线网络技术
近年来，无线通信技术发展迅速，成为了工业通信领域的研究热点。无线通
信方式与有线通信方式相比有着巨大的技术优势，对工矿企业有着极大的吸引力，
无线通信不需要通信电缆，可以大大减少安装和维护费用、使工厂自动化系统的
配置和调试更加方便；可以在腐蚀、易燃、易爆的环境中使用，并且可以为运动
设备提供可靠的通信；操作人员通过无线手持设备可以方便地对现场设备进行设
置、诊断、维护和管理。此外，工矿企业还可以利用无线通信低成本、低能耗、
自组织、自适应的特点为生产现场提供更灵活和更大范围的监视服务，实现对生
产过程更有效的监督、控制和管理。国内外许多公司和研究机构纷纷展开了工业
无线网络技术方面的研究和标准制定工作。
2007 年，HART 基金会发布了包含 WirelessHART 的HART7 规范；2008 年，
中国提出了用于过程自动化的工业无线网络系统结构与通信规范 WIA-PA
（Wireless Networks for Industrial Automation/Process Automation）；同时，美国仪
表自动化协会也正在积极推动其工业无线标准体系 ISA100 的制定，目前面向过
程自动化应用的子标准 ISA100.11a 草案也已初步完成；此外，基金会现场总线
（Fieldbus Foundation, FF）、
PROFIBUS 等组织也开展了相关无线现场总线的研究
与开发。我国“十一五”863 计划先进制造技术领域提出了“工业无线技术及网
络化测控系统研究与开发”项目，重点研究无线技术在工业测控应用中的抗干扰、
实时通信、低功耗运行等技术，研制支撑测控系统开发的软硬件装置，构建包括
物理实验平台和仿真平台在内的系统开发环境，在此基础上，开发基于工业无线
技术的测控系统模型，实现 1～2项典型示范应用。
由于目前在工业控制领域，无线通信方式还无法完全替代有线通信方式，因
此大多数研究力量集中在将无线控制网络与有线控制网络互连上。工业无线控制
网络与有线控制网络互连是指在工业自动化系统的不同层次中，工业无线网络中
的现场设备与有线现场总线上的现场设备相互连接，彼此交换信息和合作，共同
构成自动化系统，完成对生产过程的监视、控制和管理。工业无线网络与有线网
络的互连主要有以下应用方式：
（1）混合的现场网段
现场网段是由传感器、执行器和控制器等现场设备相互连接构成的一个通信
网络，用于完成对一个现场生产过程的监视和控制。混合现场网段则是在一个现
场网段中同时采用有线现场设备和无线现场设备的通信网络，有线现场设备和无
线设备间相互合作、相互交换信息，共同完成网段内的控制任务。
（2）现场网段间的互连
摘要：
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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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