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第1章绪论
第1章绪论
1.1研究目的
分布式控制系统在当今有着广泛的应用,其中包括电子控制系统,自动化工业控制系统等等。这样的分布式系统通常包含多处理器和多原件,包括传感器和控制器等。不同的任务被分配到不同的处理器中进行处理,从到达到了某种程度
的并行处理。通常,这种分布式控制系统也是实时的控制系统。这意味着,信号必须在被处理的越快越好,甚至于在信号产生的时刻,它立刻需要被处理。分配在各个原
件上的任务一般都执行时限,如果在时限到达后,任务仍旧没有被成功处理好,
那么将会导致很严重的后果,不仅整个系统的运行将停止,而且有可能会造成严
重的事故。因此,分布式控制系统的实时性问题引起了广泛的研究。
为了缔造出实时分布式系统,首先就是要将系统的执行任务分配给不同的处
理器(例如CPU,FPGA),同时也要为这些任务制定出适当的执行时刻表。这
项工作在早期已经有liu.1and完成。在liu.1and的文章中,介绍了基于任务的优
先级的算法[1]。近年来,也有另外的一些研究在进行中,比如在[24]中,不仅考虑了任务之间数据的相关性,同时也考虑的到了控制行为的相关性(任务的执行并非必然,在满足某个控制条件是,才产生这个任务的执行)。当所有的任务
都被分配完毕并且每个任务都被安排了其至执行的时刻之后,就进入到了数据传
输的部分。在例如处理器运行完某个任务,或者传感器接受到外部的信息后,各个处理器和其他功能原件之间的数据传输不可避免。为了保障整个分布式系统的实时性,数据传输的过程同样也需要在时间上进行安排。当数据传输产生冲突的时候,依照优先级来传输数据。优先级通常由数据产生的频率,数据包的大小,和产生该数据的任务的时限等等因素来决定。
一旦制定好数据的传输顺序,下一个任务就是建立网络。在过去的十年间,
现场总线常被用来在实时分布式系统的数据传输。但是随着时间的发展,现场总
线的一些缺点开始暴露出来,比如其传输速率十分有限,同时由于现场总线的标
准不统一,这使得在开发相应的设备的时候产生了很多的问题。近年来,越来越多的人渴望将以太网技术运用到分布式实时系统的通讯当中去。实时以太网甚至
有可能取代传统的现场总线,成为新的实时通讯网的不二选择。实时以太网的优点包括其广泛通用的API。相比较而言,总线技术仅仅提供
一些特定的或者是单一的接口。现在已经出现了很多的实时以太网种类,比如说
第1章绪论
REAL,Ethercat,Ether-net/IP,RTnet等等。在文章[8]中,这几种以太网被分别
加以比较分析,并且给出了他们各自的优缺点。
在本文中,RTnet作为实时以太网的一个例子加以仿真,从而得到其表现特性。
1.2研究任务
面对众多的实时以太网,首先要选出其中的一种作为本文中仿真的对象。最后,RTnet由于其广泛的硬件独立性和灵活的实时通讯平台技术而被选择成文本
文中的仿真对象。本文的第二个任务是选择一个合适的仿真器来对RTnet进行仿真。
OMNeT++是一种面向对象的,基于离散时间的网络仿真器。当使用OMNeT++进行仿真时,网络的功能可以被分割成许多的子功能,每个子功能通过不通的模
块来进行仿真。模块之间的关系是树状结构。OMNeT++的运行相当于一个软件,
它既可以运行在Windows操作系统下,也可以在几个Linux操作系统下工作。
本文的第三个任务是在得到RTnet仿真器后,运用这个仿真器做一系列的实
验,通过实验来分析RTnet的工作情况。在实验的过程中同样也是遵从任务在多
处理器上的分配,执行时间分配,传输时间分配这样一个过程。接着通过设计不通的实验方案来分析影响传输延迟的各个不同因素之间的关系。
1.3文章大纲
文件接下来将以一下的结构来进行叙述:
第二章中将给出相关的理论背景介绍。其中包括分析实时以太网与现场总线
和标准以太网之间的区别。RTnet作为本文的研究重点,也将在第二章中给出它
的详细描述。OMNeT抖作为仿真工具,也将在第二章中被简单的介绍以帮助对
实验部分的理解。
在第三章中,是对使用0MNeT++仿真RTnet的实现部分。这个实现部分将
分两大部分来进行介绍,第一部分是对RTnet实时协议——TDMA的仿真;第二部分是对RTnet的数据链路层——以太网层的仿真。
在第四章中,将进行多个不同类型的实验,并通过这些实验,来检验RTnet
的基本功能和性能分析。
第五章中包括对本文的总结是一些对未来工作的展望。
2
第2章理论背景
第2章理论背景
2.1实时以太网
近几年来,越来越多的工业应该使用实时以太网作为他们的实时通讯的解决方案。实时以太网实现了基于标准以太网的实时通讯。并
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