基于调度算法的Profibus总线实时通信性能研究

摘要

随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业自动化水平的不断提高，企业对管理和控制一体化需求也进一步增加，推动着工业控制网络不断向前发展，从基于模拟信号传输的集散控制系统（DCS），到数字化、智能化、全分散的现场总线，再到近年来新出现并得到迅速发展的工业以太网。现场总线是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统。现场总线技术使得现场设备具有更丰富的控制、通信、组态管理和自诊断功能，它简化了控制系统结构，将控制功能彻底下放到现场，实现了真正意义上的分散控制。在现有的各种现场总线标准中，Profibus总线是一种比较流行的现场总线标准，在国内外的应用和研究已经相当的成熟。 作为一种特定应用的网络，和商业信息网络相比，工业控制网络具有自身的要求和特点，其中非常重要的一点就是实时性要求高，不仅要求传输速度快，还要求响应快，直接影响着整个控制系统的性能。因此，如何应用更好的信息调度策略，来改善和提高现场总线网络的实时性显得尤为重要。 本文对影响现场总线实时性的关键技术进行了系统深入的分析，给出了现场总线网络信息模型，讨论了现场总线的时间约束和空间约束等时态特性，给出了评价现场总线实时性能的QoS指标。对信息调度算法进行了探讨，指出了各种动、静态信息调度算法的优缺点。对总线数据链路层的介质访问控制方法进行了详细的比较研究，指出了各种介质访问控制方法对处理具有不同时间特征的总线信息的优越性及其存在的问题。本文详细分析和研究了Profibus总线的数据链路层数据传输服务和MAC层消息处理过程，以及逻辑环的令牌传递和令牌环维护等关键技术。在此基础上，给出了总线信息的消息循环时间、令牌循环时间和总线效率的计算方法，以及高、低优先级信息基于响应时间的可调度性分析，并给出了总线目标令牌循环时间的设定原则。仿真结果表明，这些信息调度方法是非常有效和实用的，可以用来检验网络参数和总线信息实时性是否得到满足。

目录

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第一章绪论

1.1现场总线技术概述

1.2 Profibus总线简介

1.3现场总线实时性能概述

1.4本课题国内外研究现状

1.5课题研究的重要意义

1.6课题研究的主要内容及论文组织

第二章现场总线时态特性及介质访问控制方法

2.1分布式实时系统任务可调度性分析

2.1.2实时系统任务调度

2.1.2实时系统任务可调度性分析

2.2现场总线的时态特性

2.2.1现场总线网路的时间和空间特性

2.2.2现场总线网络通信时延模型

2.3现场总线介质访问控制方法

2.3.1介质访问控制方法分类

2.3.2各种介质访问控制方法的优缺点

2.4 小 结

第三章Profibus现场总线通信模型及存取协议分析

3.1 Profibus总线的物理层

3.2 Profibus总线的数据链路层

3.2.1 Profibus总线FDL数据传输服务

3.2.2 Profibus循环发送请求数据传输服务

3.2.3 Profibus总线信息帧结构

3.3 Profibus总线介质访问控制协议分析

3.3.1混合MAC协议消息循环机制

3.3.2令牌传递和令牌环维护机制

3.4 Profibus总线信息分类

3.5 Profibus总线通信过程及特点

3.6 小 结

第四章Profibus总线实时通信性能研究

4.1 Profibus总线实时通信性能研究

4.1.1基于响应时间的总线信息可调度性分析

4.1.2消息循环时间和令牌循环时间的计算

4.1.3目标令牌循环时间的设定

4.2仿真结果分析

4.3 小 结

第五章结束语

5.1论文的主要工作

5.2进一步的研究工作

参考文献

研究生期间发表的论文、科研项目

致 谢