多级控制网络数据传输的实时性研究

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1、合肥工业大学硕士学位论文多级控制网络数据传输的实时性研究姓名：莫徐良申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：史久根2011-04多级控制网络数据传输的实时性研究摘要在计算机网络的发展过程中曾经出现了多种工业控制网络，随着这些网络的广泛应用，将异构网络互连起来成为不可逆转的趋势。由于工业网络对传输时延的要求比较严格，因此，研究异构网络通信的实时性具有非常重要的意义。CAN总线以其高性能、高可靠性、强实时性等优点，已经成为目前应用最广泛的现场总线之一；而以太网凭借其开放性、低成本并拥有广泛的软硬件支持，已经得到了广泛的应用。因

2、此，将CAN总线接入以太网是大势所趋。本文以井下轨道运输监控系统为应用背景，重点研究CAN总线和以太网所构成的异构网络的实时性，主要致力于在CAN总线、CAN-以太网网关以及以太网交换机中研究一种较为合理的调度算法，使得网络上传输的数据都能较好地满足其实时性。论文全面、系统地介绍了现场总线的发展历程，对CAN总线和以太网的实时性问题作出了深入分析。详尽地介绍了当前实时性问题的研究成果，并指出了研究中所存在的不足。论文分析了报文在标准CAN协议中传输的平均时延；总结了当前实时系统中存在的几种调度算法；针对平均分区的EDF算法在CAN

3、总线信息调度中应用出现的问题,提出了一种改进的基于指数分区的EDF算法；分析了当网络中各节点的相对截止期差距过大、网络负载过高时平均分区的EDF算法存在的问题，运用提出的指数分区的EDF算法有效地解决了该问题。在算法的具体实现过程中，提出近似优先级的计算方法，大大减小了系统开销。最后，用CANoe仿真工具验证了算法的有效性。分析了以太网中端到端的传输时延的计算方法；结合近年来出现的新技术、新理论，概括总结了几种提高以太网实时性的解决方案；针对交换式以太网中信息需要在交换机中排队等待的情况，提出了一种混合调度算法可以在满足硬实时信息

4、的条件下，尽力提高软实时信息的实时性能。设计了一个嵌入式CAN-以太网网关，用于CAN总线与以太网的协议转换，屏蔽了应用层协议间的差异，实现了异构网络间数据的透明传输。关键字：异构网络；实时性；指数分区；混合调度算法；优先级升级策略；CAN-以太网网关IIIReal-timecharacteristicsstudyofdatatransmissiononMulti-levelcontrolnetworkAbstractVariousindustrialcontrolnetworkshavesuccessfullyemergedal

5、ongwiththedevelopmentofcomputernetwork.Meanwhile,withthewidespreadapplicationofnetworks,heterogeneousnetworksconnectionisanirreversibletrend.Duetostricttransportingtimerequirementofindustrialcontrolnetworks,itisverysignificanttoresearchthereal-timefeatureofheterogeneo

6、usnetworkcommunication.Withitsadvantagessuchashigh-performance,high-reliabilityandquick-instantaneity,CANBUShasbecomeoneofcommonly-usedFieldbuses.ComparedtoCANBUS,SwitchedEthernetwithitsopenness,lowcostsandunderextensivesupportsofsofthardwarehasbeenwidelyused.T

7、hereforetheconnectionofCANBUSandSwitchedEthernetisageneraltrend.TheresearchofthisdissertationisbasedonapplicationbackgroundofUndergroundLocomotiveHaulageSupervisorySystem.Thedissertationfocusesonthereal-timeofheterogeneousnetworkswhichcomposedofCANBUSandSwitchedEthern

8、et,andmainlyanalyzesamorereasonableschedulingalgorithmfromCANBUS,CAN-SEgatewayandSEswitchtomeetthereal-timerequirementofnetw