基于时钟同步的分布式测试总线系统设计

论文摘要

随着网络技术和测试技术的发展,将以太网和现场总线相结合的分布式测试总线技术应运而生。由于这种总线结构构架灵活,数据通信的实时性高、可靠性强等优点,已经成为测试领域的发展趋势,并被广泛的应用于飞机试飞,船舶测试中。构建这种分布式测试总线系统,关键在于实现系统的分布式总线结构及实时可靠通信。但是目前国内外关于此种系统的构建技术是保密的,因此本文对分布式测试总线系统构建的研究更加具有理论意义和实用价值。首先,本文在深入研究了现有测试总线系统结构的基础上,实现了目前比较先进的分布式总线网络结构。利用并行总线设计内总线网络,用于现场设备和控制设备之间的通信;利用以太网设计外总线网络,来实现控制设备和PC之间的通信,外总线网络将多个内总线网络整合起来以控制内总线网络工作。这样的总线网络结构大大提高了系统的可扩展性。其次,通信协议和时钟同步技术是系统通信的实时性和可靠性的基本保证,因此必须解决这两方面问题。本文采用目前最为可靠的实时通信协议――Ethernet Powerlink协议并在FPGA嵌入式处理器中实现,大大提高了系统通信的可靠性和稳定性。本文在深入研究IEEE1588时钟同步协议的基础上,提出了采用相对时钟同步算法(已申请专利),实现了μs级时钟同步,保证了系统的确定性和通信的实时性。再次,在系统的实现过程中,为了保证系统各个任务的及时响应,本文在充分分析任务特点的基础上,依据I/O及任务内部构造等原则对其进行合理的划分,采用基于优先级的调度算法来对任务进行调度。最后对本文所构建的分布式总线系统进行了测试,结果表明:本文所提出的系统构架方案灵活合理;移植的通信协议稳定可靠;设计的时钟同步算法精度高,满足系统实时性要求;系统中采用的任务调度技术简单、实时、有效。该系统现已在飞机试飞中试用,并取得了很好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究现状和意义
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 论文结构
• 2 系统构建方案
• 2.1 系统总体设计方案
• 2.2 系统结构方案设计
• 2.2.1 系统总体结构
• 2.2.2 系统的工作原理
• 2.2.3 系统结构实现的关键
• 2.3 系统通信方案设计
• 2.3.1 总体通信方案
• 2.3.2 通信协议
• 2.3.3 时钟同步
• 2.3.4 系统整体工作流程
• 2.4 系统设计的难点
• 3 总线网络的设计实现
• 3.1 总体结构设计
• 3.2 外总线网络设计
• 3.2.1 外总线网络结构
• 3.2.2 EP 协议移植
• 3.2.3 网卡驱动
• 3.2.4 接口设计
• 3.3 内总线网络设计
• 3.3.1 内总线网络结构
• 3.3.2 接口设计
• 3.4 小结
• 4 时钟同步设计
• 4.1 系统同步方案
• 4.2 相对时钟同步算法原理
• 4.2.1 建立相对时钟
• 4.2.2 延迟测量
• 4.2.3 时钟修正
• 4.3 算法的实现与测试
• 4.3.1 硬件平台
• 4.3.2 软件设计
• 4.3.3 性能测试与分析
• 4.4 小结
• 5 系统的任务划分和调度
• 5.1 系统任务划分
• 5.1.1 任务划分原理
• 5.1.2 系统任务划分
• 5.1.3 任务具体内容
• 5.2 系统任务调度
• 5.2.1 调度算法的选择
• 5.2.2 确定优先级
• 5.2.3 调度实现
• 5.3 小结
• 6 系统实现与性能测试
• 6.1 系统实现的功能
• 6.2 系统实现
• 6.2.1 系统板的实现
• 6.2.2 系统整体实现
• 6.3 系统测试与分析
• 6.3.1 测试方法和内容
• 6.3.2 外总线通信测试
• 6.3.3 系统同步测试
• 6.3.4 结果分析
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录