以太网工厂自动化协议中确定性调度的研究与实现

工业自动化采用以太网协议,参考了传输控制协议/网络协议的组织方式,分为物理层、数据链路层、网络层、应用层,并在其上层增加了用户层.在数据链路层,将用户层的报文分为周期报文和非周期报文,根据设备组态信息,使周期报文按照固定的时间片发送,而非周期报文按照报文优先级大小发送,即确定性调度.运用该技术使以太网工厂自动化网络有效地避免了乱序、丢包、重发报文等情况,保证了以太网网络中报文传输的确定性和实时性.测试结果表明,所提出的调度算法完全符合以太网协议规范,精度可达到微秒级.     

基于以太网的数控系统实时通信和时间同步

为实现基于以太网的数控系统运动控制层的实时通信和精确时间同步,对避免时间片冲突的实时通信算法和基于精确时间协议的同步算法进行了优化处理.为提高处理效率,在实时通信的同时进行时间同步,并对实时通信和时间同步的报文结构进行了融合和简化处理.在以太网帧中,增加了时间域来存放时间信息,将报文分为同步报文、跟随报文和从站报文三类.采用时间片配置方法,配置了实验参数,保证了通信的实时性和时间同步的精度,满足了数控系统的需求.     

EtherCAT中SPI通讯模块配置研究

由于网络通信技术的不断提高,网络伺服系统成为目前伺服系统的发展方向.把网路引入伺服控制系统,在控制器和伺服驱动器之间通过网络进行数据通信,使控制器和驱动器之间数据传输在速度和可靠性方面大大的提高,同时也提供了精确的多轴同步功能.但目前由于一些特殊领域的应用,无网络接口的伺服系统仍被某些行业所使用.目前基于以太网的现场控制网络被广泛应用于工业现场控制领域.传统的以太网术采用CSMA/CD介质访问方式为竞争式的共享介质技术,对间歇传输、突发性长报文传输有着很高的效率.在节点数少、负载轻的情况下,以太网具有很好的效率.当节点数增多、数据通信量增大、负载加重的情况下以太网的效率下降很多.     

实时以太网总线控制器设计

在总线式控制系统中,现场总线的传输速率和同步精度是影响多轴协同加工任务完成速度和精度的关键因素。为满足高速、高精制造装备对控制系统现场总线传输速率、同步精度的性能要求,解决工业通信总线信息安全问题,以国产FPGA芯片为平台,设计符合IEEE802.3规范的通用以太网接口电路,构建线型级联网络拓扑架构。通过研究工业控制过程数据与服务数据的通道传输原理,提出了一种通道映射的数据传输方法,使总线数据的传输效率得到提升。采用分布式时钟同步机制,利用时间戳计算网络传输延时和时间偏移,通过对总线控制器进行补偿达到同步控制的目的。实验结果表明,所设计的高精度同步实时以太网总线控制器,在100 Mb/s以太网链路中最小通信周期可达250 μs,网络各节点的同步精度小于50 ns,达到国际先进水平。     

基于北斗短报文通信的智能水文监测系统设计

水文监测是进行防汛预警指挥和水资源保护的重要手段.我国许多监测点位于偏远地区且无通信网络,在汛期采用人工检测方式存在安全隐患.因此,提出一种基于北斗短报文通信的智能水文监测系统.该系统的采集节点能够采集水位、温度、浊度及降雨量等实时数据,并将数据通过LoRa通信模块传输到汇集节点.汇集节点经数据处理后,通过北斗短报文模...     

无线传感器网络混合触发一致性时间同步

针对无线传感器节点能量有限、无线通信环境差的特点,将事件触发通信机制应用于无线传感器网络(WSNs)的时间同步中,提出一种混合触发一致性时间同步(MTCTS)算法,并研究同步能耗的降低方法及传输延迟和数据丢包对同步算法的影响。节点的时钟特性建模成二阶状态方程,每个节点通过与其邻居节点交换本地时间这一状态信息获得同步控制输入,从而实现WSNs的时间同步。在所提出的一致性同步算法中,每个节点周期性地更新状态,根据当前状态是否满足给定的事件触发条件去触发通信事件的发生,如此降低通信事件的发生频率。在假定传输延迟服从指数分布和所有节点丢包率相同的情况下,进一步研究了传输延迟、信息丢包对同步精度和算法收敛性的影响。实验和MATLAB仿真验证了所提算法的有效性,并通过仿真确定出了传输延迟和丢包率的上界。     

交换式工业以太网优先级调度机制的研究

为使工业以太网中周期性实时数据的传输延时要求能够得以保证,本文对交换机的内部功能结构作出改进,并采用了IEEE802.1p规范中定义的带有优先级标志域的以太网帧格式进行数据通信。为验证改进性能,构建了一个星形交换式工业以太网模型。在基于改进的交换机结构模型中,实现了优先级调度机制在交换机及网络节点中的应用,OPNET仿真结果验证了其对工业以太网实时性的有效提高。     

车载时间敏感网络链路冗余调度性能分析

TSN协议中802.1CB协议是保障车载以太网网络可靠性的重要角色，其通过链路冗余确保报文的稳定传输，而不同冗余链路间的传输特性不一致可能会对后续流量调度产生影响，因而需要探讨链路冗余对调度性能影响。本文从汽车网络拓扑冗余结构出发，分析了冗余协议和调度协议的关联性，并探讨了链路冗余对802.1Qbv分时调度机制以及802.1Qch循环队列与转发机制的影响。最后本文构建了链路冗余调度性能评价模型，并基于OMNeT++平台和实物验证平台，对上述影响进行仿真验证。结果表明链路冗余产生的冗余流量抵达间隔和链路跳数差异分别对802.1Qbv和802.1Qch有显著影响，另外需要关注冗余拓扑中网桥端口速率变化所带来的影响。     

分布式网络冗余技术对高可用性网络的贡献

本文介绍了分布式网络冗余协议制订的背景,分析了固定根节点的快速冗余技术和快速生成树协议组成工业控制网络的缺点和网络维护原理,并重点描述分布式网络冗余协议定义的报文类型、克服固定根节点的快速冗余技术和快速生成树协议的不足之处的实现过程和对高可用性网络的贡献。最后简述了分布式网络冗余协议目前的应用和未来的发展方向。     

基于车载环境的时间同步协议优化

针对车载以太网在运行时间同步协议过程中存在的不足,提出涉及到主时钟仲裁、启动时间加速、冗余路径选择和故障恢复机制的优化方法并采用实物网络测试验证其可行性和有效性。在保证同步精度的前提下,对这些问题提出优化措施从而使车载时间同步过程始终处于可预测的状态;在运行过程中同步时钟对节点和链路故障具有容错能力并提出同步彻底失效时的容错机制,从而避免同步故障对正常驾驶产生影响。     

现场总线中一种基于时间的信息认证方案

信息认证是指对网络中传输信息可靠性及完整性的确认,它在各类网络环境下的控制系统、电子商务、电子政务等多个领域有着重要而广泛的应用。目前采用的主要技术手段是采用询问- 应答机制,通过消息认证码实现。本文介绍了几种现有的信息认证方案,并结合现场总线控制系统中数据信息小、实时性高的特点,提出了一个基于时间的信息认证方案。它使用时间和消 息认证码 MAC,实现控制双方的双向认证,在运算量、速度方面都要优于现有的方案。     

基于时间约束的汽车FlexRay网络动态段参数设计

针对FlexRay网络参数设计问题,定性分析了动态段长度等参数和消息ID分配对网络性能的影响,推导出动态段带宽利用率和消息最坏响应时间计算方法。以消息响应时间为约束,以最大带宽利用率和最小整体响应时间为设计目标,给出了FlexRay动态段长度和帧ID的优化设计模型及求解算法。以CANoe和DaVinci Network Designer为仿真平台进行实验,结果表明,该设计方法能够保证较高的动态段带宽利用率和较小的消息响应时间。     

利用LonWorks管理诊断报文构建网络管理工具

介绍利用RS232-LonWorks协议转换适配器模块构造LonWorks网络管理工具的构架，说明了如何使用网络管理和诊断报文实现节点ID和节点状态查询的网管功能。结果证明，利用这种方法构建网管工具是经济和可行的。     

控制网络的性能分析与评价

通过对支持工业现场设备实时通信控制网络的研究，为通信协议的改进和实际工程应用提供指导。从周期性信息时延的确定性、有界性和网络性能出发，对CAN总线（CSMA／CA）、Ethernet（CSMA／CD）、Profibus总线（混合介质访问方式）和FF总线（集中介质访问方式）的通信机制进行定量和定性的对比分析。由信息负载率与吞吐量、平均信息时延、通信冲突率和网络利用率的关系可知，CAN总线在诸多性能方面优于Ethernet，FF总线在实时性方面优于Profibus总线。因此CAN总线特别适合于短通信距离的基于事件触发的现场信息实时通信，FF总线适合于对周期性信息具有严格实时性要求的应用场合。     

Communication performance analysis and comparison of two patterns for data exchange between nodes in WorldFIP fieldbus network

Data exchange patterns between nodes in WorldFIP fieldbus network are quite important and meaningful in improving the communication performance of WorldFIP network. Based on the basic communication ways supported in WorldFIP protocol, we propose two patterns for implementation of data exchange between peer nodes over WorldFIP network. Effects on communication performance of WorldFIP network in terms of some network parameters, such as number of bytes in user’s data and turn-around time, in both the proposed patterns, are analyzed at length when different network speeds are applied. Such effects with the patterns of periodic message transmission using acknowledged and non-acknowledged messages, are also studied. Communication performance in both the proposed patterns are analyzed and compared. Practical applications of the research are presented. Through the study, it can be seen that different data exchange patterns make a great difference in improving communication efficiency with different network parameters, which is quite useful and helpful in the practical design of distributed systems based on WorldFIP network.     

一类异类无线传感器网络节点调度问题研究

针对一类以配置了多种传感器的节点组成的,部分传感器完全覆盖,部分传感器局部覆盖的异类无线传感器网络节点调度问题,提出了一种基于改进遗传算法的优化策略.在构建网络模型的基础上,建立了节点调度分化策略,提出了冗余信息度的概念来描述网络能耗效率,并设计了以冗余信息度和不同传感器目标区域感知覆盖率为优化目标的改进多目标遗传算法NSGAⅡ,用于求解节点分化策略.仿真结果表明,该方法可以通过迭代得到收敛的Pareto最优解,并为传感器网络提供一个多目标Pareto最优节点分化策略方案集,供不同应用选择.     

Measuring IP Performance Metrics on Mobile Network with Heterogeneous Wireless Technologies

The new measurement scheme of IP performance metrics is proposed for the mobile network in heterogeneous wireless network environment. In the proposed scheme, when Mobile Nodes (MNs) inside the mobile network needs to understand the condition of multiple communication paths outside the mobile network, they can get IP performance metrics, such as delay, jitter, bandwidth, packet loss, etc., irrespective of the presence or absence of measurement functionality. At the same time, the proposed scheme does not require the MN to be involved in measuring IP performance metrics. The Multihomed Mobile Router (MMR) with heterogeneous wireless interfaces measures IP performance metrics on behalf of the MNs inside the mobile network. Then, MNs can get measured IP performance metrics from the MMR using L3 messages. The proposed scheme can reduce burden and power consumption of MNs with limited resource and battery power since MNs don't measure IP performance metrics directly. In addition, it can reduce considerably traffic overhead over wireless links on multiple measurement paths since signaling messages and injected testing traffic are reduced.     

基于神经网络的冗余度四面体变几何桁架机器人位置控制

提出了一个基于双重 BP神经网络的冗余度四面体变几何桁架机器人位置控制方案 ,通过增加关节角变化最小的约束条件 ,定义了优化的目标函数 ,在此基础上建立了冗余度四面体变几何桁架机器人位置控制模型 ,并以四重四面体变几何桁架机器人位置控制为例进行了系统仿真。     

Mechanical networks—III Wrenches on circuit screwsMechanische netzwerke. Dritter teil: “Wrenches” auf stromkreisschrauben

The network approach used in this series provides equations expressing the condition that the rate of work done by wrenches on screws reciprocal to the characteristics screws about which motion is permitted by joints is zero. Such wrenches can be locked in redundant mechanical networks without the application of external loads. The components of the screw motors on which these wrenches act are provided in terms of R independent terms where R is the degree of redundancy.     

AODV路由发现过程中基于动态概率的优化研究

AODV中,洪泛效率低且会引起冗余消息的转播,导致过度使用有限的网络资源从而减少网络生存期。该文提出一种改进协议,基于动态概率的广播技术来减少洪泛问题。为实现路由发现中高效广播,基于节点剩余能量强度和阈值随机延迟动态地产生重播概率。该方法在AODV协议上展开分析,通过修改AODV的路由请求包来收集节点能量信息。采用ns2仿真器,通过发送广播包和端对端延迟分析了改进协议的性能。仿真结果表明,冗余传输率大大降低,且延长了网络的生存期。